奧趨光電成功制備出高質(zhì)量3英寸氮化鋁單晶

來源：奧趨光電

奧趨光電于近期成功實(shí)現(xiàn)了氮化鋁（AlN）晶體從2英寸到3英寸的迭代擴(kuò)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(jìn)程非常緩慢。當(dāng)前，全球范圍內(nèi)可實(shí)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(shí)施禁運(yùn)，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(qiáng)（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(shí)也是紫外光電器件的最佳襯底材料。據(jù)康奈爾大學(xué)報(bào)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(jiǎng)?wù)咛煲昂平淌趫F(tuán)隊(duì)基于AlN單晶襯底首次實(shí)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(jiān)實(shí)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(dòng)化長晶設(shè)備，以及熱場設(shè)計(jì)、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(dòng)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?dú)鈿夥眨?9.999%）下通過同質(zhì)外延物理氣相傳輸法（PVT）迭代生長技術(shù)實(shí)現(xiàn)。其中，PVT長晶設(shè)備、長晶熱場、長晶工藝等設(shè)計(jì)與優(yōu)化均采用了奧趨光電自主開發(fā)的一系列先進(jìn)的有限元模擬仿真工具，如多項(xiàng)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(kuò)徑過程中，通過生長室的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)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(kuò)張角較大達(dá)到45-65°，并隨后逐漸下降到10-20°。在擴(kuò)徑迭代生長進(jìn)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(dòng)AlN單晶氣相沉積爐

奧趨光電對化學(xué)機(jī)械拋光（CMP）后的2-3英寸AlN襯底進(jìn)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(kuò)大，半高寬有所增大，表明質(zhì)量略受影響。初步判斷是因?yàn)榫w擴(kuò)徑過程中生長界面逐漸增強(qiáng)的徑向溫梯導(dǎo)致了各類缺陷（小角度晶界、穿型位錯(cuò)、基底面位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)等）的產(chǎn)生與增殖。圖七顯示了用紫外-可見光分光光度計(jì)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(xiàng)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)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(diǎn)研發(fā)計(jì)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(shí)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(tuán)隊(duì)、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(dòng)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(qiáng)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(shí)向客戶及合作伙伴提供從設(shè)備設(shè)計(jì)、熱場設(shè)計(jì)、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(xiàng)，是全球范圍內(nèi)本領(lǐng)域?qū)＠麛?shù)量最多的團(tuán)隊(duì)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