氮化鋁(AlN)作為典型的超寬禁帶半導(dǎo)體材料之一，具有寬帶隙(6.2 eV)、高臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo)率等優(yōu)異性質(zhì)，與其他寬禁帶半導(dǎo)體材料如SiC、GaN等相比有著無法比擬的優(yōu)勢(shì)，在高溫、高頻、高功率等器件上有著廣泛的應(yīng)用前景。近50年來，眾多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)在AlN單晶襯底領(lǐng)域付出了不懈的努力，目前，2英寸AlN襯底已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。然而，深紫外光電器件和超寬禁帶半導(dǎo)體電子技術(shù)的快速商業(yè)化急需4英寸AlN襯底，因此擴(kuò)展AlN襯底直徑至4英寸甚至更大至關(guān)重要。

近期，奧趨光電技術(shù)(杭州)有限公司(簡稱“奧趨光電”)成功實(shí)現(xiàn)了AlN晶體從2英寸到3英寸的迭代擴(kuò)徑生長，制備出了直徑達(dá)76 mm的鋁極性AlN單晶錠及直徑75 mm(約3英寸)襯底樣片(見圖1)。該晶體的生長基于奧趨光電第三代全自動(dòng)AlN單晶生長爐(型號(hào)：UTI-PVT-D075H)，在50～90 kPa的高純度氮?dú)庀峦ㄟ^同質(zhì)外延物理氣相傳輸法(PVT)迭代生長技術(shù)實(shí)現(xiàn)。熱場(chǎng)與工藝設(shè)計(jì)完全由FEMAG仿真軟件和自主研發(fā)的有限元仿真模塊完成。長晶速率在100～300 μm/h可控，晶體初期擴(kuò)張角達(dá)到45°～65°。經(jīng)第三方檢測(cè)，3英寸襯底樣片的HRXRD對(duì)稱和非對(duì)稱搖擺曲線半峰全寬分別為176″和109″，深紫外波段(240～280 nm)的吸收系數(shù)低至18～26 cm-1，表現(xiàn)出高質(zhì)量且優(yōu)異的深紫外透光性。此次3英寸AlN襯底的成功制備被認(rèn)為是4英寸AlN商業(yè)化之路上的一重要里程碑。

圖1 (a)φ51 mm AlN單晶錠；(b)φ76 mm AlN單晶錠及其(c)φ75 mm AlN拋光襯底樣片

相關(guān)研究成果近期發(fā)表在FrontiersMaterials(DOI: 10.3389/fmats.2022.1128468)上。近年來，奧趨光電研發(fā)部在AlN單晶制備技術(shù)與襯底加工工藝的研發(fā)上做了大量投入，成功從小尺寸(10～15 mm)單晶快速發(fā)展至2英寸小批量生產(chǎn)，再到制備出3英寸研究樣片，預(yù)計(jì)在今年(2023年)開發(fā)出3～4英寸單晶襯底并可對(duì)外試樣。