中国电科46所取得高质量AlN单晶制备技术新突破

氮化铝(AlN)晶体属于超宽禁带半导体材料，具有诸多优异的物理性能，是新一代高性能微波功率器件及紫外光电器件的理想衬底材料。AlN单晶衬底及其相关器件一直是超宽禁带半导体领域的研究热点。

AlN晶体为六方纤锌矿结构，且具有很强的各向异性。在物理气相传输(physical vapor transport, PVT)法生长过程中，不同取向生长表面的表面能及生长速率差异很大，理想工艺条件下制备的晶体轮廓通常由(00.±1)面、(10.n)面和(10.0)面等几个低指数晶面合围而成，晶体头部呈规则的六棱台形状。此外，晶体内部也不存在由小角晶界构成的“胞状结构”(cellular geometry)。这些都是高质量AlN晶体的重要特征。国内相关研究起步较晚，生长的晶锭大多为高度旋转对称的圆柱体或圆锥体，头部为弧面或锥面，这种晶锭内部通常存在较多的晶界或小角度晶界。

中国电子科技集团公司第四十六研究所(简称中国电科46所)近年来在高质量AlN籽晶培育、传热传质动态控制、长时间稳定生长等方面取得了重要突破，生长的AlN单晶结晶质量得到了大幅度提升。AlN晶体外廓由少数几个低指数晶面合围而成，晶体头部为规则的六棱台形状(见图1(a))，生长面为光滑平整的(00.1)面。原子力显微镜下的表面微观形貌观测结果显示，晶片表面的台阶流规整有序，未发现明显的台阶簇，更不存在晶界或亚晶界(见图1(b)、(c))。由图1(c)还可发现，在{10.n}面交汇处不同取向的台阶流呈120°夹角，反映出高质量的台阶流生长模式。该晶片XRD摇摆曲线五点测试结果如图2所示，其(00.2)面及(10.2)面XRD 半峰全宽(full width at half maximum, FWHM)均低于100″，反映出晶体较高的结晶质量及均匀性。

图1 高质量AlN晶体头部及其表面形貌。(a)晶体头部照片; (b)、(c)原子力显微镜下表面微观形貌

图2 头部晶片的XRD摇摆曲线。(a)某点(00.2)面的XRD摇摆曲线;(b)某17 mm×17 mm区域(00.2)面的XRD FWHM分布；(c)某点(10.2)面上的XRD摇摆曲线；(d)某17 mm×17 mm区域(10.2)面的XRD FWHM分布

目前，中国电科46所可以稳定制备1英寸及2英寸高质量AlN单晶衬底(见图3)，同时也在积极探索更大尺寸单晶的生长工艺。

图3 高质量AlN单晶片。(a)1英寸晶片；(b)2英寸晶片