中國電科46所取得高質(zhì)量AlN單晶制備技術(shù)新突破

氮化鋁(AlN)晶體屬于超寬禁帶半導體材料，具有諸多優(yōu)異的物理性能，是新一代高性能微波功率器件及紫外光電器件的理想襯底材料。AlN單晶襯底及其相關(guān)器件一直是超寬禁帶半導體領(lǐng)域的研究熱點。

AlN晶體為六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，且具有很強的各向異性。在物理氣相傳輸(physical vapor transport, PVT)法生長過程中，不同取向生長表面的表面能及生長速率差異很大，理想工藝條件下制備的晶體輪廓通常由(00.±1)面、(10.n)面和(10.0)面等幾個低指數(shù)晶面合圍而成，晶體頭部呈規(guī)則的六棱臺形狀。此外，晶體內(nèi)部也不存在由小角晶界構(gòu)成的“胞狀結(jié)構(gòu)”(cellular geometry)。這些都是高質(zhì)量AlN晶體的重要特征。國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，生長的晶錠大多為高度旋轉(zhuǎn)對稱的圓柱體或圓錐體，頭部為弧面或錐面，這種晶錠內(nèi)部通常存在較多的晶界或小角度晶界。

中國電子科技集團公司第四十六研究所(簡稱中國電科46所)近年來在高質(zhì)量AlN籽晶培育、傳熱傳質(zhì)動態(tài)控制、長時間穩(wěn)定生長等方面取得了重要突破，生長的AlN單晶結(jié)晶質(zhì)量得到了大幅度提升。AlN晶體外廓由少數(shù)幾個低指數(shù)晶面合圍而成，晶體頭部為規(guī)則的六棱臺形狀(見圖1(a))，生長面為光滑平整的(00.1)面。原子力顯微鏡下的表面微觀形貌觀測結(jié)果顯示，晶片表面的臺階流規(guī)整有序，未發(fā)現(xiàn)明顯的臺階簇，更不存在晶界或亞晶界(見圖1(b)、(c))。由圖1(c)還可發(fā)現(xiàn)，在{10.n}面交匯處不同取向的臺階流呈120°夾角，反映出高質(zhì)量的臺階流生長模式。該晶片XRD搖擺曲線五點測試結(jié)果如圖2所示，其(00.2)面及(10.2)面XRD 半峰全寬(full width at half maximum, FWHM)均低于100″，反映出晶體較高的結(jié)晶質(zhì)量及均勻性。

圖1 高質(zhì)量AlN晶體頭部及其表面形貌。(a)晶體頭部照片; (b)、(c)原子力顯微鏡下表面微觀形貌

圖2 頭部晶片的XRD搖擺曲線。(a)某點(00.2)面的XRD搖擺曲線;(b)某17 mm×17 mm區(qū)域(00.2)面的XRD FWHM分布；(c)某點(10.2)面上的XRD搖擺曲線；(d)某17 mm×17 mm區(qū)域(10.2)面的XRD FWHM分布

目前，中國電科46所可以穩(wěn)定制備1英寸及2英寸高質(zhì)量AlN單晶襯底(見圖3)，同時也在積極探索更大尺寸單晶的生長工藝。

圖3 高質(zhì)量AlN單晶片。(a)1英寸晶片；(b)2英寸晶片