科研进展丨面向增强型HEMT功率器件的高质量6英寸氮化铝单晶复合衬底
近年来，氮化铝以其超宽直接带隙 (~6.2 eV) 和c轴高声速等优异物理特性备受行业关注，特别是其与氮化镓材料的物理兼容性，使得氮化铝缓冲层成为氮化镓基LED外延过程中降低外延成本的最有力解决方案。但氮化铝固有的高结晶温度、强键能等特点，使得大尺寸单晶氮化铝块材的制备始终充满挑战，严重制约了氮化铝材料的快速发展。因此，基于异质衬底的单晶复合衬底路线成为单晶块材衬底最具性价比的替代方案之一；特别是由于大尺寸单晶材料的缺失，氮化铝单晶的应用以及产业化推广同样受到极大限制。因此，实现高结晶质量的大尺寸氮化铝单晶复合衬底的制备，同时开辟新的应用路线，是目前行业亟待解决的重要问题。
图1. (a) 6英寸氮化铝单晶复合衬底(002)与(102)晶面的X射线衍射摇摆曲线；(b-c) 九点法测试氮化铝(002)与(102)晶面的X射线摇摆曲线半高宽；(d) 6英寸氮化铝单晶复合衬底与HEMT外延片翘曲测试曲线；(e-f) 沿[0001]与[1213]方向氮化铝单晶复合衬底的卢瑟福被散射测试；(g-h) 基于氮化铝单晶复合衬底的增强型HEMT器件测试性能。
基于前期的技术积累 [J. Semicond. 42, 122804(2021)]，松山湖材料实验室第三代半导体团队与西安电子科技大学、北京大学、德国亥姆霍兹联合会罗森多夫研究中心、广东中图半导体科技有限公司等单位合作，利用高温热退火方法实现了六英寸氮化铝单晶复合衬底，并首次利用卢瑟福背散射实验研究了单晶氮化铝区域在实空间内的结构特性。所实现的氮化铝单晶区域穿透位错密度约为108 cm−2数量级，且在6英寸尺寸下，厚度不均匀性标准差(STD)小于4.5；同时，实现了其在增强型HEMT器件中的应用验证。在MOCVD生长缓冲层厚度约300 nm 条件下，耐压值超过1400 V。这是在松山湖材料实验室第三代半导体团队前期实现大尺寸氮化铝单晶复合衬底在深紫外LED[Adv. Funct. Mater. 32, 2112111 (2022)；Adv. Funct. Mater. 33, 2208171 (2023)]、高性能MEMS器件[Appl. Phys. Lett. 123, 252105 (2023)]与高耐压HEMT功率器件[IEEE Trans. Electron Dev. 71, 6609 (2024)] 应用的另一重要突破。
该结果一方面推进了氮化铝单晶复合衬底在大尺寸与高均匀性维度的快速发展，另一方面为氮化铝单晶复合衬底的下游应用拓宽了途径。
该文章作为封面文章，以题为“High quality 6-inch single-crystalline AlN template for E-mode HEMT power device”发表在Journal of Semiconductors上。
松山湖材料实验室与中山大学联合培养博士生梁智文为该论文的第一作者，松山湖材料实验室第三代半导体团队副研究员袁冶、西安电子科技大学教授李祥东、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该论文的通讯作者。
该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省重点研发计划等项目的共同资助和支持。
文章链接
https://www.jos.ac.cn/en/article/doi/10.1088/1674-4926/24100041