一、引言

AlN（氮化铝）材料，禁带宽度6.2eV，为宽带隙材料，属于第三代半导体材料领域。AlN材料具有宽禁带、高热导率，其与AlGaN层晶格匹配及热膨胀系数匹配都较好，所以AlN材料是制作先进高功率发光器件(LED、LD)、紫外探测器以及高功率高频电子器件的理想衬底材料。在AlGaN HEMT器件方面，AlN与GaN材料相比有着更高的热导率，更容易实现半绝缘。AlN与SiC相比，则晶格失配更小，可以大大降低器件结构中的缺陷密度，有效提高器件性能。

二、AlN材料的性质

AlN是生长Ⅲ族氮化物外延层及器件结构的理想衬底，其优点包括：与GaN有很小的晶格失配和热膨胀系数失配，化学性质相容、晶体结构相同，较高的稳定性等。AlN材料能够改善器件性能，提高器件档次，是电子器件发展的源动力和基石。

三、AlN材料的制备

AlN材料如此重要，那么AlN材料的制备方法有哪些呢？先简单介绍下AlN单晶晶锭的制备，然后重点介绍AlN薄膜如基于蓝宝石和Si衬底上的重要应用。这里重点介绍AlN薄膜材料在衬底上的异质外延生长，这也是目前产业化采用的生长模式。

1.AlN单晶的制备及应用

AlN单晶具有超宽的直接带隙、高击穿场强、优异的压电特性和非线性光学性质，特别是与AlN与GaN晶格失配小，热膨胀系数接近，热导显著高于GaN，使其成为实现高质量氮化物同质外延生长、满足高功率密度器件散热需求最优选的衬底材料，在紫外光电器件、微波毫米波器件、功率电子器件、高频滤波波器、非线性光学器件等领域具有的重要应用。

目前，2英寸的单晶衬底尚未实现产业化，大尺寸AlN单晶制备困难是制约AlN应用的关键问题。

目前，AlN单晶的生长方法主要采用PVT生长方法，控制热场、循环烧结，结合生长速率、生长温度、总压强等因素对表面形貌和晶体质量影响规律，可实现2英寸及以上大尺寸AlN单晶衬底可行的技术，具有良好的产业化前景。

   AlN 晶体及晶片 （图片来自网络，图1来自北大于老师发布，图2及图3来自奥趋光电）

现在，目前2inch的AlN衬底价格约2万人民币。价格还是比较贵，且AlN衬底的产业化还不成熟，有待技术的不断进步。

2.AlN薄膜的制备及应用

AlN薄膜的生长，主要有PVD以及MOCVD生长，现在短波光器件的AlN厚度在3-4um，基本上是基于PVD工艺的基础上再进行外延生长，下面分别介绍PVD及MOCVD工艺的ＡlN材料生长。

（1）PVD工艺生长AlN薄膜

技术发展历史：

通过PVD（物理气相沉积）生长AlN缓冲层，可以有效提升LED器件的光电性能，提高MOCVD设备的产能和降低整线生产成本。在2018年，蓝白光LED产品在此基础上实现了成本大幅降低，单炉次程序生长时间由之前的6-8小时缩短到4-5小时。且外延晶体质量002和102均有大幅度的改善，002和102之和可以做到小于350，特别对改善器件的冷热比及抗静电性能均有很大帮助。

PVD工作原理：

PVD溅射过程，即为入射粒子经过一系列碰撞进行能量和动量交换的过程。磁场的主要作用是和一个与其垂直的电场交互作用，将电子束缚在靶材表面附近，使电子在靶表面附近成螺旋状运动（右手螺旋定则），电子撞击入射的氩原子产生带正电的Ar离子，Ar离子在电场作用下加速轰击靶材表面从而实现靶材溅射。磁场的束缚可以增大电子的运动路径，从而增大和氩原子的碰撞几率，提高溅射效率。另外电子经过多次碰撞后能量逐渐降低，最终摆脱磁力线的束缚，落在衬底上。

PVD溅射AlN 薄膜 AFM 形貌图

现在的应用：

由于AlN与GaN有很小的晶格失配和热膨胀系数失配，在AlN表面外延生长GaN后，GaN 的半宽FWHM的（002）和（102）可以达到≤90及≤150 arcsec，表面非常光洁平整。对LED芯片TEM观察分析，GaN与AlN界面处的原子结合排布比较规则，GaN外延和MQW的生长过程中位错较少，原子排布整齐有序，这些均有利于减少器件的漏电流和提高器件的使用寿命，制备的LED器件性能较无AlN缓冲层的制程相比，亮度明显改善、Ir和ESD显著提高。

基于PVD AlN 薄膜工艺的应用，除现在比较成熟的蓝白光LED的应用外，其在UV领域、滤波器领域也有较广泛的应用，同时结合高温退火工艺，实现较高的AlN薄膜质量以及较少位错，以满足器件对材料性能的要求。

（2）MOCVD工艺生长AlN薄膜

A.基于蓝宝石衬底的工艺

蓝宝石衬底是短波光电子器件外延生长的主流衬底，也是目前短波光器件产业化用到的主要衬底。由于蓝宝石和AlN之间有很大的晶格失配和热失配，会导致AlN外延薄膜中的位错密度会高达109cm-2，属于典型的大失配外延异质生长。相比较在AlN衬底的体衬底同质外延比较，其位错密度可以做到107cm-2。本文中，我们重点讨论如何可以在蓝宝石衬底上长好AlN外延薄膜。

基于蓝白光LED在PVD AlN技术的发展，目前蓝宝石上长AlN薄膜，国内大部分厂家会先做PVD AlN的工艺。然后，再在高温MOCVD机台生长AlN 材料。

在MOCVD生长，主流的技术方案为先中温生长AlN，然后在高温愈合填平的AlN生长方式，采用这种方法，可以使其XRD的002与102做到分别小于80和350的水平，可以满足深紫外光电器件的需求。当然，除了以上长法外，还有的借助高温退火以及NPSS衬底等工艺，来实现位错密度的降低。从产业化的角度考虑，NPSS衬底的成本比蓝宝石平片衬底高10倍，同时高温退火工艺也会增加工艺流程，因此从产业化的角度考虑，更多的还是基于蓝宝石平片的AlN薄膜生长工艺。

生长AlN的高温机台主要有以下几类：按照气流方式，可分为水平气流及垂直气流，水平气流的机台主要有日本的大阳日酸以及韩国的TES机台。如果按照Gap分类，高Gap的主要由国内的中微、中晟，低Gap的为德国Aixtron。按照旋转差异，国内的中微、中晟为高转速，德国Aixtron为低转速生长模式。

蓝宝石上的AlN生长机制，刘志强等人研究认为，AlN的第一界面Al层不是完全平面或原子平坦的，而是表现出阶梯状的特征，如下图。特殊的锯齿状原子排列增大了界面上c平面的平均d间距，导致了平面内晶格的收缩，并为适应界面失配提供了一个额外的因素。

蓝宝石上的AlN生长机制

随后，它通过在（10-10）平面上形成一个低能量的IDB（Inversion Domain Boundarie

）而转移到局部区域的金属极性区域。进一步的生长最终导致完全转化为金属极性。这是一个固有的、自发的过程，不需要外来原子的参与。证实了金属-有机化学气相沉积制备的蓝宝石上AlN的极性并不是来自于被广泛接受的氮化物/蓝宝石界面，而是在生长过程中经历了自发的极性反转。结果发现，在生长初期阶段，界面有利于氮极性，而不是被广泛接受的金属极性或随机共存。然而，极性在表面能各向异性的驱动下，随后转变为金属极性状态。

在生长AlN的过程中，也会进行相应的氮化和Al化。蓝宝石生长AlN是非常有趣的工作，生长窗口及条件控制不好，会出现发雾和裂纹，但这些都是可以解决的。

B.基于Si衬底的工艺

Si衬底上生长AlN薄膜层，不同于蓝宝石上长AlN。蓝宝石上长AlN可以长到3um不出现裂纹，而在Si衬底上生长AlN,大概超过1.2um就会出现裂纹。Si衬底上AlN工艺，对GaN基的功率电子器件的材料生长非常关键。Si上生长GaN,都会引入AlN插入层以及Al组分变化的AlGaN过渡层等，这是因为GaN与Si之间的晶格失配为16.9%，热失配高达56%，生长过程中会产生巨大的张应力，通过在生长过程中引入晶格常数小于GaN的AlGaN来引入张应力。

如何获得Si衬底上低位错密度的AlN材料，需要释放巨大的张应力。因为AlN与Si之间的晶格失配在19%，热失配50%，较大的张应变会产生高的位错密度、表面粗糙和产生宏观裂纹。Si衬底上生长AlN材料，也有报道Si衬底采用图形化处理，采用纳米图形硅衬底可以提高侧向外延生长速率，降低合拢的厚度，抑制张应力，提高晶体质量。Si衬底上的生长2um的AlN材料，北大报道的晶体质量002和102可以做到409和677。

Si衬底上生长AlN，如果晶体质量进一步做小，其在短波光器件领域将会凸显其重要应用，特别在UVC芯片器件采用垂直结构设计，其光电转换效率WPE会有更大的突破，有望突破10%。

C.基于SiC衬底的工艺

在SiC衬底上生长GaN，需要首先在SiC衬底上生长AlN缓冲层。文献报道，在SiC上生长AlN缓冲层的条件在温度1100C，厚度50nm,V/III在682下生长2um厚GaN,其晶体质量002和102可以分到达到130和250。

吉林大学有公开在SiC衬底上生长120nm的AlN缓冲层，然后再插入3层AlGaN过渡层，设置不同的生长温度及V/III，GaN模板的螺位错和刃位错密度分别达到了 7×107和3.1×108 cm-2,样品的表面粗糙度为0.381 nm。

由于SiC和AlN之间的晶格失配较小，国内很多院校在研究SiC衬底上AlGaN基材料的生长及紫外发光器件制备。

四、未来AlN技术发展的预测

AlN异质衬底的模板的位错密度目前还相对大些，现在普遍在108 -109cm-2。如果AlN的异质衬底的材料缺陷小于106 cm-2，其在紫光激光器、极紫外领域将会有更多的应用。同时AlN技术也在滤波器领域有较好的应用。

因此，综合来说，AlN材料是一个有着广泛应用且关键的材料，在光通讯、光器件以及激光等领域有着不可替代的作用。

五、总结

AlN材料在短波紫外器件、5G通讯、功率器件以及探测器和传感器等领域有着较为广泛的应用，AlN材料的生长特别是异质外延生长，其还有很多值得突破的技术，如较低的位错密度、应力释放与控制，不同衬底上的AlN生长等等，还需要AlN材料生长技术的不断进步，以此来促进器件技术的发展。

在AlN材料生长的过程中，发现很多不确定以及该材料不是很“听话”，因此才变得有趣。有趣的AlN材料，也是关键核心材料，包括AlN体材料的生长依旧是难点，期待AlN材料有更大的突破，从而为国家的先进战略材料提供保障，解决国外芯片“卡脖子”的问题，实现自主创新，驱动产业发展与升级。

参考：

1.沈波 等，氮化物宽禁带半导体的MOCVD大失配异质外延 2020；

2.Zhiqiang Liu,Atomic-Scale Mechanism of Spontaneous Polarity Inversion in AlN on Nonpolar Sapphire Substrate Grown by MOCVD  2022；

3.韩煦，SiC衬底上AlGaN基材料的MOCVD生长及紫外发光器件制备研究 ，吉林大学博士论文 2019；

4.付帮然，基于AlN/ c-BN 的高频SAW器件的制备及研究，天津理工大学硕士论文 2017。