來源：奧趨光電

奧趨光電于近期成功實現(xiàn)了氮化鋁（AlN）晶體從2英寸到3英寸的迭代擴徑生長（見圖一），制備出了直徑達(dá)76 mm的鋁極性AlN單晶錠及3英寸襯底樣片（見圖二）。此3英寸AlN單晶錠及襯底樣片的成功制備被認(rèn)為是4英寸AlN商業(yè)化之路上的一大重要里程碑。

AlN單晶材料生長至今已有近50年的歷史，但由于AlN晶體的生長工藝技術(shù)難度高、研發(fā)成本高，造成其發(fā)展進程非常緩慢。當(dāng)前，全球范圍內(nèi)可實現(xiàn)商業(yè)化的AlN單晶襯底直徑僅為2英寸，不僅供貨周期長、供應(yīng)量也非常有限，且十多年來歐美就任意尺寸的AlN單晶襯底對中國一直實施禁運，嚴(yán)重制約了我國AlN單晶材料技術(shù)的開發(fā)及其在高功率/高壓/高頻/高溫電力電子器件、射頻通信器件、深紫外光電子器件等諸多領(lǐng)域的商業(yè)化發(fā)展和在國防軍工領(lǐng)域的關(guān)鍵應(yīng)用。

圖一 奧趨光電制備的2英寸AlN單晶錠（左）和3英寸AlN單晶錠（右）

圖二 奧趨光電制備的3英寸AlN單晶襯底樣片

氮化鋁（AlN）是極具戰(zhàn)略意義的新一代超寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有超寬禁帶（6.2 eV）、高熱導(dǎo)率（340 W/(m?K)）、高擊穿場強（15.4 MV/cm）、高熱穩(wěn)定性及良好的紫外透過率等優(yōu)異性能（見圖三），是高功率、高頻及高壓器件（見圖四）的理想襯底材料，同時也是紫外光電器件的最佳襯底材料。據(jù)康奈爾大學(xué)報導(dǎo)，AlN基功率器件的綜合性能有著其它寬禁帶半導(dǎo)體材料所無可比擬的優(yōu)勢與效率，被認(rèn)為是下一代功率器件材料平臺；由于AlN耐壓能力約為SiC的5倍、GaN的3倍及金剛石的1.5倍，日本NTT公司于2022年首次使用高質(zhì)量AlN單晶襯底制備出了全球首款耐壓1700V、耐溫高達(dá)500℃的新一代晶體管，并表示有望將功率器件電力損耗降至Si的5％以下、SiC的35％以下和GaN的50％以下；近期，諾貝爾獲獎?wù)咛煲昂平淌趫F隊基于AlN單晶襯底首次實現(xiàn)了室溫下連續(xù)波深紫外激光輸出。這些突破性成果代表基于AlN單晶襯底的技術(shù)向未來產(chǎn)業(yè)化廣泛應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。

圖三：各種半導(dǎo)體材料特性比較圖

圖四：各種半導(dǎo)體材料功率器件應(yīng)用領(lǐng)域比較圖

奧趨光電擁有具備完整自主知識產(chǎn)權(quán)的全自動化長晶設(shè)備，以及熱場設(shè)計、有限元仿真模擬軟件開發(fā)等技術(shù)能力。3英寸AlN單晶及其襯底樣片的成功制備完全依托于奧趨光電第三代全自動氮化鋁單晶生長爐（設(shè)備型號：UTI-PVT-D075H，見圖五），在50-90 kPa的高純度氮氣氣氛（99.999%）下通過同質(zhì)外延物理氣相傳輸法（PVT）迭代生長技術(shù)實現(xiàn)。其中，PVT長晶設(shè)備、長晶熱場、長晶工藝等設(shè)計與優(yōu)化均采用了奧趨光電自主開發(fā)的一系列先進的有限元模擬仿真工具，如多項流傳質(zhì)仿真模塊、雜質(zhì)傳輸仿真模塊、生長速率預(yù)測仿真模塊、過飽和度仿真模塊、三維各向應(yīng)力仿真模塊等。從2英寸至3英寸的擴徑過程中，通過生長室的優(yōu)化設(shè)計及不同工藝段的溫度分布、生長前沿的徑向溫度梯度、生長室內(nèi)的物質(zhì)傳輸及過飽和度等精確控制，最終實現(xiàn)了無寄生形核、無裂紋且直徑為76 mm的AlN單晶錠，平均生長速度為100-300 μm/h，晶體的初期擴張角較大達(dá)到45-65°，并隨后逐漸下降到10-20°。在擴徑迭代生長進程中，晶錠外形逐漸從2英寸六邊形晶錠逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩S對稱圓錐形晶錠，其自然習(xí)性面棱系列面{10-10}和R系列面{10-1n}在晶錠直徑超過約70 mm后逐步消失。

圖五 奧趨光電自主開發(fā)的UTI-PVT-D075H型全自動AlN單晶氣相沉積爐

奧趨光電對化學(xué)機械拋光（CMP）后的2-3英寸AlN襯底進行了高分辨X衍射（HRXRD）搖擺曲線（見圖六）和深紫外吸收系數(shù)（見圖七）的表征。3英寸襯底的（0002）和（10-12）HRXRD搖擺曲線半高寬分別為176 arcsec和109 arcsec，表明具有較高的結(jié)晶質(zhì)量。然而，隨襯底直徑的擴大，半高寬有所增大，表明質(zhì)量略受影響。初步判斷是因為晶體擴徑過程中生長界面逐漸增強的徑向溫梯導(dǎo)致了各類缺陷（小角度晶界、穿型位錯、基底面位錯、堆垛層錯等）的產(chǎn)生與增殖。圖七顯示了用紫外-可見光分光光度計檢測的3英寸樣片在200-1000nm范圍內(nèi)的吸收系數(shù)。襯底中心和邊緣位置的結(jié)果十分接近，表明具有較好的透光均勻性。在深紫外波段（240-280 nm），襯底片的吸收系數(shù)低至18-26 cm-1，表明具有優(yōu)異的深紫外透過率。

圖六 3英寸AlN襯底的HRXRD搖擺曲線：（A）（0002）對稱反射和（B）（10-12）非對稱反射

圖七 3英寸AlN襯底的吸收系數(shù)圖譜

該項工作得到了國家重點研發(fā)計劃（批準(zhǔn)號：2022YFB3605302）、國家自然基金（批準(zhǔn)號：61874071, 61725403, 61827813, 62121005）及浙江省重點研發(fā)計劃（批準(zhǔn)號：2020C01145）的支持。奧趨光電于2021年發(fā)布了新一代超寬禁帶半導(dǎo)體高端材料——高質(zhì)量氮化鋁單晶襯底系列產(chǎn)品，并已實現(xiàn)2英寸（Φ50.8mm）及以下各尺寸氮化鋁單晶襯底的小批量量產(chǎn)和公開銷售，預(yù)期2023年3-4英寸產(chǎn)品可對外試樣。

關(guān)于奧趨光電：

奧趨光電是由海歸博士團隊、半導(dǎo)體領(lǐng)域頂尖技術(shù)專家領(lǐng)銜，于2016年5月創(chuàng)立的高新技術(shù)、創(chuàng)新型企業(yè)，總部位于浙江省杭州市。奧趨光電核心專注于第三代/第四代超寬禁帶半導(dǎo)體氮化鋁晶圓襯底材料、藍(lán)寶石基/硅基/碳化硅基氮化鋁/氮化鋁鈧薄膜模板、全自動氮化鋁PVT氣相沉積爐及其相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)、制造與銷售，核心產(chǎn)品被列入《中國制造2025》關(guān)鍵戰(zhàn)略新材料與裝備目錄，是制備深紫外LED芯片、5G射頻前端濾波器、MEMS壓電傳感器等各類紫外發(fā)光器件、高溫/高頻射頻器件、高頻/高功率電子及激光器件的理想襯底/壓電材料。

奧趨光電經(jīng)過多年的高強度研發(fā)投入，成功開發(fā)出全球最大，直徑60mm的氮化鋁單晶及晶圓，也是全球首家藍(lán)寶石基氮化鋁薄膜模板大批量制造商。目前可向客戶提供2英寸及以下尺寸高質(zhì)量氮化鋁單晶襯底、2/4/6英寸藍(lán)寶石基/硅基/碳化硅基氮化鋁、氮化鋁鈧薄膜模板、氮化鋁單晶氣相沉積爐及熱處理設(shè)備等產(chǎn)品，同時向客戶及合作伙伴提供從設(shè)備設(shè)計、熱場設(shè)計、熱場模擬仿真技術(shù)開發(fā)、咨詢及生長工藝優(yōu)化到晶圓制程等全環(huán)節(jié)的完整工藝解決方案與專業(yè)技術(shù)服務(wù)。截止2022年11月，共申請/授權(quán)國際、國內(nèi)專利50余項，是全球范圍內(nèi)本領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量最多的團隊之一，被公認(rèn)為本領(lǐng)域全球技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者。

審核編輯 黃昊宇