背景與亮點(diǎn)
氮化鋁（AlN）憑借其優(yōu)異的光學(xué)透過率、寬帶隙（約 6.2 eV）和卓越的熱穩(wěn)定性等，在高效光電器件、超高壓電力電子器件領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。因此，晶圓級(jí)體單晶AlN的制備備受關(guān)注，但目前仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。高溫退火已被證實(shí)是獲取藍(lán)寶石基氮化鋁單晶復(fù)合襯底的有效路徑，并在紫外光電器件中實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用。但鑒于高功率紫外發(fā)光器件（如激光器）對(duì)材料質(zhì)量的嚴(yán)苛要求，進(jìn)一步提升AlN晶體質(zhì)量始終是研究的重點(diǎn)目標(biāo)。研究表明，在異質(zhì)外延生長(zhǎng)過程中增加AlN薄膜厚度，可促進(jìn)傾斜位錯(cuò)間的相互作用，進(jìn)而誘導(dǎo)位錯(cuò)湮滅，為進(jìn)一步提高AlN薄膜的晶體質(zhì)量提供了一條可行路徑。同時(shí)，較厚的AlN薄膜在其它應(yīng)用領(lǐng)域也展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，包括增強(qiáng)聲波約束以提升諧振器性能，以及在超高壓電子器件中支持更高的擊穿電壓并提供更好的散熱能力。然而，AlN與藍(lán)寶石襯底之間存在顯著的晶格失配與熱失配，導(dǎo)致異質(zhì)外延過程中應(yīng)力隨膜厚增加而持續(xù)積累，容易誘發(fā)裂紋，嚴(yán)重危害薄膜的表面完整性與晶體質(zhì)量。
針對(duì)以上問題，北京大學(xué)物理學(xué)院王新強(qiáng)與松山湖材料實(shí)驗(yàn)室袁冶研究團(tuán)隊(duì)，通過在4英寸藍(lán)寶石基氮化鋁單晶復(fù)合襯底上引入二維低溫緩沖層，成功生長(zhǎng)出厚度為10.2 μm的AlN薄膜，其表面裂紋被有效限制在距晶圓邊緣約2 mm的范圍內(nèi)（圖1）。得益于增厚過程中位錯(cuò)的湮滅（圖2），薄膜表面區(qū)域的位錯(cuò)密度低至7.6 × 106 cm-2。這項(xiàng)研究顯著推進(jìn)了大面積、高質(zhì)量AlN薄膜的生長(zhǎng)，為其在高性能紫外光電器件及電力電子器件中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
圖2. 4英寸、10.2 μm AlN薄膜的截面暗場(chǎng)TEM圖像：（a）g=[0002]，（b）g=[1120]。
該文章以題為“Compatibilize surface crack and crystallinity in 10-μm-thick AlN epilayer on 4-inch sapphire substrates”發(fā)表在 Journal of Semiconductors 上。
文章信息：
Compatibilize surface crack and crystallinity in 10-μm-thick AlN epilayer on 4-inch sapphire substrates
Tai Li, Ziruo Wang, Ye Yuan, Tao Wang, Shangfeng Liu, Tongxin Lu, Shuai Liu, Zhiwen Liang, Qi Wang, Xinqiang Wang
J. Semicond. 2026, 47(7): 072503 doi: 10.1088/1674-4926/26010043
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作者簡(jiǎn)介
本科畢業(yè)于吉林大學(xué)，博士畢業(yè)于北京大學(xué)。目前主要從事AlN/AlGaN材料的外延生長(zhǎng)及AlGaN基光電子器件的制備研究。
本科畢業(yè)于北京大學(xué)。目前主要研究方向?yàn)槔脪呙柰干潆娮语@微鏡（STEM）對(duì)Ⅲ族氮化物材料進(jìn)行表征分析。
2017年博士畢業(yè)于德國(guó)德累斯頓工業(yè)大學(xué)，隨后先后于德國(guó)亥姆霍茲聯(lián)合會(huì)羅森多夫研究中心與阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)從事博士后研究工作，目前致力于氮化鋁單晶復(fù)合襯底的制備、物理性質(zhì)研究與應(yīng)用工作。
博士畢業(yè)于吉林大學(xué)，后在日本千葉大學(xué)與日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)從事博士后研究，主要從事寬禁帶半導(dǎo)體材料、物理與器件方面的研究工作。流。JOSarXiv由《半導(dǎo)體學(xué)報(bào)(英文)》主編李樹深院士倡導(dǎo)建立，編輯部負(fù)責(zé)運(yùn)行和管理，是國(guó)內(nèi)外第一個(gè)專屬半導(dǎo)體科技領(lǐng)域的論文預(yù)發(fā)布平臺(tái)，提供預(yù)印本論文存繳、檢索、發(fā)布和交流共享服務(wù)。
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來源：半導(dǎo)體學(xué)報(bào)
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