物理气相传输法推进100 mm氮化铝体块晶体生长

《Crystals》：Advancing Bulk Growth of 100 mm AlN by Physical Vapor Transport

　　

超宽禁带（UWBG）半导体有望成为下一代功率与射频（RF）电子器件的基础材料。其高热导率、强临界电场及优异机械与抗辐照特性推动着持续广泛的研究。其中氮化铝（AlN）因约6.2 eV直接超宽禁带带来极高的Baliga与Johnson优值而极具吸引力。与性能同等关键的是材料可获取性以及能制备大直径衬底的生长工艺。研究人员采用物理气相传输（PVT）技术实现了100 mm AlN晶体体块生长。通过对热梯度进行模拟与调控以获得适宜热应力，所得衬底具备窄X射线摇摆曲线，位错密度达102–105 cm?2量级。此外，室温下垂直与平行c轴方向测得热导率均为300 W m?1 K?1。AlN衬底还表现出高紫外透过率，265 nm波长处吸收系数低至10 cm?1。上述结果结合100 mm衬底的可获得性，表明AlN已具备进一步面向功率与射频电子产业探索开发的成熟条件。

研究背景方面，超宽禁带半导体中AlN因6.2 eV直接带隙、高Baliga与Johnson优值、高热导率及强临界电场备受关注。历史上AlN衬底供给受限是制约其应用的核心瓶颈，2021年2英寸衬底量产，随后首片100 mm衬底问世，但更大直径下单晶质量（如X射线衍射摇摆曲线半高宽过宽、位错密度过高）难以兼顾。为推进功率、射频及紫外光电器件产业化，研究人员开展100 mm AlN体块单晶PVT生长研究，论文发表于《Crystals》。该研究通过热场设计抑制直径放大带来的热应力上升，获得窄摇摆曲线、低位错、高导热与各向同性导热、深紫外高透过的100 mm衬底，证明AlN衬底进入可工程化阶段。

主要关键技术方法上，研究人员采用PVT法在钨坩埚中以Al极性籽晶于2000 °C以上生长；利用二维轴对称有限元（2D-FEM）模拟全局温度场，结合ABAQUS三维有限元计算热弹性应力与分解剪应力（RSS）；以Peierls–Nabarro应力与Kirchner–Suzuki同系模型估算临界分解剪应力（CRSS）；使用X射线衍射（XRD）、同步辐射白光与单色X射线形貌术（XRT）、KOH–NaOH共晶腐蚀坑密度（EPD）表征位错；以稳态热反射（SSTR）与时域热反射（TDTR）测各向异性热导率；以分光光度计绘制265 nm吸收系数分布。样本为自主生长的100 mm与2英寸AlN晶体切片抛光衬底。

研究结果部分，引言指出AlN基HEMT、MESFET、肖特基二极管性能受衬底位错与热边界导纳制约，100 mm级单晶是商业部署前提。第2节理论实验背景中，研究人员建立轴向对称热弹性模型，给出RSS公式τ_RS=Sσ_appcosθcosγ，明确纤锌矿AlN以棱柱滑移系（prismatic glide）为主滑移系；通过Peierls应力式与同系模型估算1800–2400 °C内CRSS约1–10 MPa，低于棱柱系RSS但接近边缘区，预示边缘易生位错。2.1节CRSS估算列明两模型结果均<20 MPa。2.2节数值模拟显示，直径放大后径向温度曲率由4.9升至7.2 K cm^?2、轴向由4.0升至5.6 K cm^?2，100 mmsetup棱柱系最大RSS 55 MPa、基面系60 MPa，呈中心低边缘高分布，与2英寸趋势一致。第3节衬底表征中，XRD（002）摇摆曲线半高宽29–80 arcsec；XRT测得平均穿线位错约4.0×10³ cm^?2、基面位错（BPD）约1.0×10³ cm^?2，中心零BPD，低角晶界处高一个量级，总位错10⁴–10⁵ cm^?2；EPD验证并发现m面滑移带与多边形化；SSTR/TDTR测得垂直与平行c轴热导率均300±15 W m^?1 K^?1；265 nm吸收系数全片<20 cm^?1，低至10 cm^?1，归因于碳氧杂质~10¹⁷ cm^?3。第4节总结确认100 mm AlN单晶PVT可行，质量满足功率/射频/紫外器件衬底需求。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出AlN单晶直径超100 mm已由PVT实现，切片抛光后用作器件衬底或原生籽晶。衬底XRD双晶摇摆曲线半高宽约30–80 arcsec，XRT与EPD确认穿线与基面位错不超10⁴–10⁵ cm^?2。2D/3D-FEM证明热弹性应力致位错机制：棱柱与基面RSS向边缘递增呈M型曲线。因缺工程应力应变曲线，CRSS由Peierls–Nabarro与同系模型估得1800–2400 °C内约1–10 MPa。100 mm AlN衬底现已可供功率、射频及光电子器件开发；室温热导率~300±15 W m^?1 K^?1，265 nm吸收系数低至10 cm^?1，证实其作为超宽禁带功率与射频器件天然衬底及深紫外透明衬底的双重适用性。