氮化铝（AlN）是极具应用潜力的超宽禁带半导体材料，具有很多优良的性质。其禁带宽度高达6.2eV，具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、高化学和热稳定性，以及高导热、抗辐射等优异性能。可作为紫外/深紫外LED最佳衬底材料。
AlN单晶晶锭与衬底（来源：奥趋光电）
AlN单晶PVT生长
与SiC单晶生长类似，AlN单晶无法通过熔体法而只能采用物理气相传输（PVT）法进行生长。AlN单晶PVT生长有三种重要的生长策略：1）自发形核生长、2）4H-/6H-SiC衬底异质外延生长、3）同质外延生长。
AlN单晶衬底生产流程（来源：HexaTech）
其中，同质外延生长法可以使用自发形核生长获得的小尺寸AlN晶体作为籽晶进行扩晶生长，由于其无晶格失配影响，能维持甚至改善外延晶体质量，同时实现扩大晶体尺寸的优势，是生长AlN单晶的最终极目标。
同质外延生长工艺过程的温度范围为2050~2320℃之间，其生长过程的温度梯度通常在5~50℃/cm范围内，氮气压一般设置在300~900mbar，以维持合理的过饱和度及长晶速率。
工业界常使用晶化提纯后的AlN原料放置于封闭或半开放坩埚系统内，生长系统内充满高纯氮气，在高温大于2000℃下，反应性的升华蒸气在温度梯度、浓度梯度等作用下传输至低温区进行再结晶与生长。通常，坩埚系统使用垂直结构，其中原料区位于坩埚的下部，再结晶区位于坩埚的上部。
AlN单晶PVT生长炉典型热场结构及坩埚系统（来源：奥趋光电）
AlN单晶生长关键技术问题
与近10年来SiC晶体的快速发展相比，AlN单晶生长技术进展非常缓慢，AlN同质外延生长工艺仍面临众多挑战，如在外延迭代过程中，必须同时掌握诸如热场优化、原料杂质控制、高质量籽晶获取、小籽晶加工与固定及初始形核生长、寄生形核、缺陷增殖与极性控制等一系列关键技术问题。
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籽晶固定是同质生长AlN晶体中至关重要的问题
籽晶一般通过化学、机械或热粘结的方法固定在支撑台上。但由于籽晶与衬底之间存在着热失配，会导致晶体裂纹的出现。此外，籽晶与衬底之间的任何微孔或孔隙都将会导致籽晶的背面升华。籽晶背面升华后在更低温度处凝华，导致晶体间出现微孔，并向高温方向（生长方向）移动，甚至贯穿整个晶体。微孔的高速移动不仅会造成晶体结构的破坏，对后续外延AlN晶体的质量也会受到严重的影响。一般采用与籽晶的热膨胀系数相匹配的籽晶托台材料，可以解决冷却过程中晶体破裂等问题，也有些研究机构研究诸如背面电镀和氮化密封等新技术。
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合适的温度场对同质外延生长尤其重要
在籽晶前沿形成凸形的温度场，可以抑制1mm生长厚度内棱柱面{10-10}形成，但过凸的温度场会导致生长的晶体内热应力过大，从而导致位错密度的增殖，严重时会导致晶体的开裂与多晶寄生。由于AlN晶体生长温度高、周期长、热场成本高，精细的温度场设计、调控及优化需使用数值模拟仿真技术。因此，数值模拟仿真技术软件是研究AlN晶体生长过程不可或缺的关键技术。
据了解，目前全球有能力生长出２英寸AlN单晶的企业／研发机构极其有限。如Crystal IS、奥趋光电、HexaTech。在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。
来源：粉体圈、奧趋光电、松山湖材料实验室、人工晶体学报、HexaTech、Crystal IS