科研进展丨松山湖材料实验室与北京大学共同研制出4英寸无开裂高质量氮化铝单晶模板
2021年10月，松山湖材料实验室第三代半导体团队和北京大学物理学院宽禁带半导体研究中心王新强教授团队共同研制出4英寸无开裂高质量氮化铝单晶模板，为降低深紫外发光器件的成本清除了最主要障碍，可推动深紫外发光器件的普及。
目前深紫外（DUV）发光器件面临的一个共性问题是缺少具有高深紫外透过率且与高Al组分AlGaN材料晶格匹配的外延衬底。尽管单晶氮化铝衬底能够同时满足上述条件，但其高昂的制备成本与技术难度使其与大规模产业化应用尚有距离。近年来基于纳米图形化蓝宝石衬底的AlN侧向外延制备技术能够在一定程度上缓解上述成本问题，但纳米图形化衬底需采用纳米压印结合刻蚀的技术路线，因此与普通蓝宝石衬底相比依然成本较高；此外，深紫外发光器件当前主流技术方案仍旧被限制在2英寸工艺制程，如将现有2英寸工艺升级至4英寸，应力使得外延片表面裂纹急剧增多，限制了流片良率。因此如何实现用于深紫外发光器件的4英寸高质量氮化铝模板，成为降低成本、实现深紫外发光器件与现有蓝光工艺无缝衔接的瓶颈问题。
松山湖材料实验室第三代半导体团队聚焦于深紫外发光器件的制备与物理研究，深入研究氮化铝单晶模板制备，分氮化铝单晶模板中晶格极性反转机制、退火过程中位错运动及湮灭机理、重结晶过程中应力演化过程等一系列材料与物理问题。团队通过物理气相沉积、高温退火与金属有机物化学气相外延相互配合的方法实现了高质量4英寸无开裂氮化铝单晶模板，位错密度小于109 cm-2，为实现高良率4英寸深紫外发光器件奠定了基础。
图1为氮化铝模板(002)与(102)晶面退火前后的X射线衍射摇摆曲线图；图2为氮化铝单晶模板退火前、退火后与MOCVD再生长后的表面结构形貌图；图3为本工作所制备四英寸氮化铝单晶模板与在纳米图形化衬底上利用侧向外延技术制备的4英寸氮化铝单晶模板表面裂纹缺陷结果。该成果以题为“Four-inch high quality crack-free AlN layer grown on a high-temperature annealed AlN template by MOCVD”的封面论文近日发表于Journal of Semiconductors [J. Semicond., 42, 122804 (2021) doi: 10.1088/1674-4926/42/12/122804]。北京大学/松山湖材料实验室联合培养博士研究生刘上锋为论文第一作者，松山湖材料实验室第三代半导体团队副研究员袁冶、松山湖材料实验室第三代半导体团队负责人/北京大学物理学院博雅特聘教授王新强为论文共同通讯作者。
该工作得到了广东省重点领域研发计划(Nos.2019B121204004 and 2019B010132001)、科学挑战计划(No. TZ2018003)、广东省基础与应用基础基金(No.2020A1515110891)、国家自然科学基金(Nos. 61734001 and 61521004)等多个项目的支持。
图1. 氮化铝模板(002)与(102)晶面(a)退火前、(b)退火后的X射线衍射摇摆曲线图。
图2. 氮化铝单晶模板(a)退火前、(b)退火后与(c, d)MOCVD再生长后的表面结构形貌图。
图3. (a) 本工作所制备4英寸氮化铝单晶模板与在(b)纳米图形化衬底上利用侧向外延技术制备的4英寸氮化铝单晶模板表面裂纹缺陷结果。