大尺寸AlN單晶生長研究

AlN單晶襯底以其優(yōu)異的性能和潛在的應(yīng)用前景引起了人們的廣泛研究興趣. 物理氣相輸運(yùn)（PVT）是最適合AIN襯底制備的方法。在大尺寸SiC單晶上異質(zhì)生長AlN籽晶，并在隨后的同質(zhì)生長中迭代優(yōu)化AlN的晶體質(zhì)量，是制備大尺寸AlN襯底的重要技術(shù)路線。

然而，這一大尺寸AlN單晶制備技術(shù)面臨諸多的挑戰(zhàn)，包括異質(zhì)生長中SiC在AlN生長溫度下的分解對籽晶表面的刻蝕，導(dǎo)致AlN晶體質(zhì)量差和形貌粗糙，以及在大尺寸同質(zhì)生長中抑制熱應(yīng)力弛豫導(dǎo)致的裂紋，以及生長晶體和表面質(zhì)量控制和優(yōu)化。

近日，第九屆國際第三代半導(dǎo)體論壇（IFWS）&第二十屆中國國際半導(dǎo)體照明論壇（SSLCHINA）于廈門召開。期間，“氮化物襯底、外延生長及其相關(guān)設(shè)備技術(shù)”分會上，北京大學(xué)于彤軍教授做了“大尺寸AlN單晶生長研究”的主題報告，分享了SiC上AlN異質(zhì)PVT生長的形貌控制和2-4英寸AlN同質(zhì)PVT生長的最新研究進(jìn)展。

報告指出，研究了SiC襯底上AlN異質(zhì)PVT生長的形貌控制規(guī)律，明確了SiC表面臺階是 AlN臺階式生長并且取得高質(zhì)量生長表面的前提條件；提出了SiC襯底上兩部生長法的AlN異質(zhì)PVT方法，獲得了高質(zhì)量接近3英寸的AlN／SiC籽晶；基于AlN籽晶的同質(zhì)生長過程，通過蔓延生長方式，實(shí)現(xiàn)晶體形貌和質(zhì)量的優(yōu)化，在大尺寸熱流場耦合控制的條件下，初步實(shí)現(xiàn)了2代4英寸AlN晶體的生長。

報告中于教授詳細(xì)介紹了研究進(jìn)展與結(jié)果。研究首先結(jié)合計算流體動力學(xué)（CFD)模擬和 PVT生長實(shí)驗，研究了SiC襯底上AlN的PVT生長的表面控制。結(jié)果表明，在活性Al蒸氣的PVT生長中，保持有宏觀臺階的SiC襯底的表面結(jié)構(gòu)十分重要，這需要在初始階段將生長溫度和壓力限制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，直到AlN層完全覆蓋SiC表面。研究還發(fā)現(xiàn)在后續(xù)的生長中，襯底表面附近的過飽和度控制對生長模式具有重要的影響。過飽和度增加導(dǎo)致從二維生長向三維生長的轉(zhuǎn)變，從而使表面形貌變得粗糙。

研究發(fā)現(xiàn)在500 mbar的壓力下，相應(yīng)的模式轉(zhuǎn)變溫度Ttran在1890°C到1910°C之間。以此為基礎(chǔ)，提出了兩步法生長的方案，即先將生長溫度Tg保持在接近SiC表面宏觀可以保持的溫度上限生長，在SiC表面被AlN覆蓋后，將Tg升高到接近Ttran，以較高的速率進(jìn)行生長。運(yùn)用兩步法，實(shí)現(xiàn)了厚度為824μm的表面光滑呈鏡面狀的2英寸以上的AlN單晶。

在大的AlN籽晶上，研究開展了兩次迭代同質(zhì)PVT生長，進(jìn)行了4英寸AlN單晶的生長。大尺寸AlN晶體同質(zhì)PVT過程以宏觀三維模式下生長棱柱狀晶粒為主要特點(diǎn)，而蔓延生長可以通過高指數(shù)面引導(dǎo)的晶柱融合實(shí)現(xiàn)形貌優(yōu)化和晶體質(zhì)量優(yōu)化。運(yùn)用生長速率對應(yīng)的與溫度和壓力的匹配關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)高效率的PVT蔓延生長，提高c面取向的一致性和晶體質(zhì)量。運(yùn)用這一方法，在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的2英寸單晶襯底制備的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完成2代的4英寸的AlN晶體同質(zhì)PVT迭代生長。

研究結(jié)果顯示，通過表面形貌控制的二步生長法，可以在SiC襯底上異質(zhì)PVT生長出大尺寸高質(zhì)量AlN晶體，并以此為籽晶，通過蔓延式生長方法迭代進(jìn)行同質(zhì)PVT生長，可以獲得優(yōu)化的2-4英寸的單晶襯底。這一研究結(jié)果，為實(shí)現(xiàn)大尺寸AlN單晶襯底的規(guī)模化制備和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

審核編輯：劉清