行业 | 100 mm AlN单晶生长技术及其衬底制备工艺

译自原文
Development of 100 mm AlN Single-Crystal Growth and Subsequent Substrate Preparation

原文作者
Robert T. Bondokov, Kasey Hogan, Griffin Q. Norbury, and James Grandusky，Crystal IS, Inc.

Shogen Matsumoto，Next Generation Compound Semiconductor Development Department Asahi Kasei Corporation

原文链接
https://doi.org/10.1002/pssb.202500032，Physica status solidi (b) · March 2025

氮化铝（AlN）作为一种超宽禁带（UWBG）半导体材料，已被证实可有效满足紫外光电器件在210-280 nm波段的工作需求。目前，商用的2英寸AlN衬底已实现大规模生产，展现出优异的晶体质量、低吸收系数以及数千片量级的生产能力。然而，基于AlN作为超宽禁带半导体的巨大应用潜力，尽管已有众多理论预测支持，但要进一步评估其性能并实现实际商业化应用，仍亟需开发直径达100 mm的AlN衬底。在此，我们系统报道了100 mm AlN单晶衬底的制备技术。通过物理气相传输（PVT）法成功生长出高质量的AlN单晶，并经精密切割与抛光工艺获得适用于外延生长的表面。实验结果表明，100 mm AlN衬底的有效使用面积超过99%，其晶体质量通过双晶X射线衍射（XRD）摇摆曲线测试验证，半高宽（FWHM）低至29 arcsec，衬底的错切角均小于0.1°。此外，衬底材料分析显示100 mm AlN样品具有高纯度特征，主要杂质浓度低于10¹⁷ cm⁻³。得益于其高纯度特性，采用闪光法测得AlN单晶衬底在室温下的热导率高达约290 W m⁻¹ K⁻¹，为其在高效散热应用中的潜力提供了坚实保障。

引言

近年来，氮化铝（AlN）单晶衬底在氮化物半导体领域备受瞩目。超宽带隙、直接带隙、高化学稳定性以及优异的机械性能，是氮化铝最为突出的特性。这些极具潜力的材料特性，极大地推动了氮化铝单晶衬底的研发与商业化进程。早在数年前，经过全面表征的 2 英寸氮化铝单晶衬底便已实现大规模量产（数千片量级）。自那时起，凭借其卓越的性能，氮化铝已成为工作于 C 波段（UVC，波长范围约 210-280 nm）紫外光发射器的优选衬底材料。此类器件包括深紫外发光二极管（UVC LEDs）和激光二极管（LDs）。大量有关氮化铝晶体生长的研究文献便是有力佐证，这些研究既聚焦于提升晶体质量，也致力于实现更大直径晶体的生长。Dalmau 等人成功制备出一种兼具高晶体完美性与在 UVC 光谱范围内低光吸收特性的 2 英寸氮化铝单晶衬底。近期，Hartman 等人提出了一种在确保晶体完整性同时扩大氮化铝单晶衬底直径的方法。除质量和尺寸外，利用拉曼光谱和数值模拟方法对热应力演变的研究也广受关注。此外，开发诸如氨热法等替代生长方法以用于氮化铝晶体生长的探索，同样具有重要意义。然而，目前大多数氮化铝块状单晶仍主要通过物理气相传输（PVT）法生长。近期，一些综合性综述全面梳理了当前主流晶体生长技术的最新研究进展 。

氮化铝单晶衬底在基于氮化铝的晶体管及集成电路领域有着重要应用。Chaudhuri等人对氮化铝/氮化镓/氮化铝（AlN/GaN/AlN）异质结的输运特性展开了深入研究，并阐述了采用氮化铝单晶衬底所带来的性能提升潜力。具体而言，在氮化铝单晶衬底上生长的异质结具有更低的位错密度。这一特性能够显著降低栅极漏电现象，从而使器件能够在更高的电压下稳定运行；同时，由于电流崩塌效应的减弱，器件还可实现更高的电流承载能力。 此外，氮化铝单晶衬底有效降低了氮化物外延层与衬底之间的热边界电阻。这一优势不仅能够减少器件工作过程中的温度升高幅度，为器件在更高功率下运行提供了可能；而且通过在较低温度下工作，还能显著提升器件的可靠性。Ozaki等人在氮化铝单晶衬底上制备的X波段高迁移率晶体管证实了这些潜在优势，该晶体管的输出功率密度超过24.4 W/mm。除了上述开创性研究外，目前大量研究工作聚焦于通过优化外延生长工艺和制造流程，进一步提升基于氮化铝单晶衬底器件的性能。氮化铝单晶衬底的另一个显著优势在于其具备生长铝极性（Al-polar）和氮极性（N-polar）两种不同极性器件结构的能力。尽管当前多数研究集中于铝极性表面，但在氮化铝单晶衬底氮极性表面的外延生长方面已取得重要突破。这一进展为在氮化铝单晶衬底上实现双极电子学（dualtronics）提供了全新的可能性。除了利用异质结晶体管之外，鉴于氮化铝极高的巴利加优值（Baliga’s figure of merit），其在各类功率电子器件中作为衬底和功能活性材料展现出广阔的应用前景。近期在氮化铝掺杂技术方面取得的进展，为双极功率器件在高达230 kV的应用场景中开辟了新的发展路径。此外，借助极化掺杂技术，通过在氮化铝单晶衬底上构建梯度氮化镓铝（AlGaN）层，成功制备出性能优良的p-n二极管 。

然而，氮化铝单晶衬底若要在功率电子领域得以应用，尚需满足一系列条件。具体而言，涵盖衬底直径、成本、产能以及符合相关规格要求的能力等多个方面。为切实评估该材料的潜在应用价值，并推动此类衬底后续的商业化进程，直径达100 mm的氮化铝单晶衬底不可或缺。在此，我们报道全球首个从块状晶体切割而成的100 mm氮化铝单晶衬底的研究成果 。

实验部分 

2.1. 晶体生长 

AlN晶体通过物理气相传输（PVT）技术进行生长，采用具有Al极性的同质籽晶，且籽晶的Al极性朝向粉源材料蒸汽通量的方向。图1展示了AlN PVT生长的典型装置示意图。

图1. 用于生长AlN单晶的物理气相传输（PVT）装置

在该装置中，AlN粉源材料与AlN籽晶一同置于钨坩埚内。坩埚通过电阻加热器或射频（RF）加热方式加热至远超2000 °C的高温。隔热装置的设计旨在将热量有效保留在坩埚内部，并引导热量向生长中的晶体传递。这一目标可通过在坩埚顶部设置开口和/或布置不同类型的屏蔽结构来实现。热提取效率越高，晶体生长速率也相应提升。此外，隔热装置对生长界面处等温线的形成具有重要影响。通常，更为平坦的等温线有助于获得更高质量的晶体；然而，在需要更大直径扩展的情况下，则需构建具有特定曲率的等温线。

在AlN晶体生长完成后，将其从坩埚中取出并切割成晶圆片，随后对这些晶圆片进行抛光处理，以获得可用于后续生长过程的籽晶或衬底。从晶体直径较大区域切割的晶圆片可用作籽晶，用于生长直径更大的晶体。通过多次重复这一过程，可实现目标直径晶体的制备。此前研究已详细阐述了有助于实现3英寸AlN单晶衬底生长的籽晶取向与极性选择方法。3英寸籽晶及其工艺开发为进一步实现100 mm AlN晶体生长工艺奠定了重要的技术基础。

晶体生长直径的扩展需要综合调控多种关键因素，包括成核控制、生长过程中晶体质量的稳定性、理想形状等温线的构建、热应力的有效管理以及质量传输效率的优化。在过去二十年中，我们将AlN晶体的直径从10至25 mm逐步扩展至2至3英寸，采用了“由内向外”的策略。这一策略基于以下认知：当需要将晶体直径（例如从25 mm扩展至2英寸，约两倍）增大时，单纯通过等比例扩大坩埚和隔热装置的尺寸，可能会引发一系列问题，如热场分布不均、晶体质量下降或生长稳定性受损。而我们提出的方法能够有效减少甚至规避这些问题，其核心步骤包括：

坩埚的设计需与目标晶体尺寸相匹配，特别是坩埚的内径应足以容纳预期直径的晶体。此外，还需预留足够的空间以容纳形成目标尺寸晶体所需的粉源材料量，确保生长过程的稳定性。

隔热装置的设计需具备径向保热和轴向散热的能力，同时实现对热场的精确控制，从而优化晶体生长界面的等温线分布，确保热环境的稳定性。

加热器（如射频线圈）的尺寸和布局可根据实际需求灵活调整，以适配坩埚和晶体的尺寸变化，确保加热均匀性并提高生长效率。

通过这一系统化的策略，我们成功实现了AlN晶体直径的逐步扩展，同时显著提升了晶体的质量和生长效率，为高性能AlN晶体的规模化制备奠定了坚实的技术基础。

通过这四个步骤，我们能够在每次实验中将目标晶体尺寸成功加倍，同时保持晶体的结晶质量与生长速率，而无需将功耗或炉体尺寸相应加倍。例如，由于100 mm AlN晶体的径向面积是2英寸晶体的四倍，为维持相同的生长速率，升华速率需要提高约四倍。然而，采用我们的方法，在功耗仅增加约10–20%的条件下，成功实现了2英寸晶体与100 mm晶体相同的生长速率。这种“由内向外”的策略与传统的PVT方法形成了鲜明对比。在传统PVT方法中，炉体几何结构通常由供应商预先定义，隔热装置和坩埚的设计需严格适配炉体的尺寸限制，缺乏灵活性和针对性优化空间。

我们的方法另外有效解决了热应力管理这一关键挑战。在生长更大尺寸晶体时，正如前文所述，由于需要维持足够的生长速率，热梯度的增加可能导致热应力的显著上升。这种由热效应引发的热应力增加可能进一步导致位错密度升高、低角度晶界的形成，甚至在极端情况下诱发多晶材料的生长。已知热应力产生的原因之一是热梯度的曲率效应。此外，晶体直径的增加本身也会显著加剧热应力的产生。这一现象由Indenbom提出，他通过推导出一个数学方程对这一效应进行了清晰而系统的理论阐释。

在此，σ 表示热应力，α_T 为热膨胀系数，E为杨氏模量，T为温度，x 为给定坐标，L 为特征长度。在我们的研究中，特征长度约为晶体直径。显然，即使热梯度曲率保持不变，晶体直径增大两倍也会导致热应力增加四倍。因此，我们发现，所采用的综合性“由内向外”策略在控制热诱导应力方面表现出显著的适用性。例如，我们的隔热装置设计旨在更好地平衡轴向和径向热梯度。通过上述方法生长的AlN晶体随后经过进一步加工，以获得具有预期性能的衬底。

2.2. 衬底制备

100 mm AlN晶体的加工工艺按照以下步骤进行：首先，利用X射线衍射仪（XRD）对晶体进行定向，以获得目标偏切角（miscut）为±0.1°。随后，通过外径研磨（OD grinding）将晶体加工至直径为100 ± 0.5 mm，并形成主平面（primary flat）和副平面（secondary flat）。主平面的长度为32.5 ± 2 mm，其晶向相对于参考晶向偏转±5.0°；副平面的长度为18 ± 2 mm，与主平面呈90°角（当Al极性面朝上时，方向为顺时针）。晶体外径研磨后的圆柱形样品随后通过多线切割机进行切片。切片经过边缘倒角和精密研磨处理，以实现较低的总厚度变化（TTV），其TTV值小于2 μm，表面粗糙度的均方根值（RMS）小于10 nm。衬底的N极性面和Al极性面均经过光学级抛光处理，以获得镜面般的光洁度，且无明显划痕。随后，Al极性面进一步通过化学机械抛光（CMP）工艺处理，目标是将表面粗糙度的RMS值降低至<0.2 nm，并通过原子力显微镜（AFM）观察到规则的原子台阶。AlN衬底通过XRD测试评估晶体质量，并测量几何衬底参数，包括厚度、TTV、翘曲度（wrap）、弓形度（bow）以及偏切角（miscut）。最后，对衬底进行清洗，以去除前序加工步骤中残留的颗粒物和污染物，同时清除可能阻碍成核的氧化层，从而获得适合外延生长的洁净表面（epiready surface）。

结果与讨论 

对制备的100 mm氮化铝单晶衬底进行了系统性表征，以评估其结晶质量、有效使用面积、杂质浓度以及热导率等性能。图2展示了100 mm AlN衬底的两张光学显微图像。

图2. 100 mm AlN衬底的显微图像：a) 光学显微图像；b) 高分辨共聚焦显微图像（HR-CPI）

高分辨交叉偏振显微成像（HR-CPI）技术用于通过识别无对比度区域来评估衬底的可用面积。图2b所示的AlN衬底经评估后，其可用面积约为99.3%，在此次分析中未采用边缘排除（edge exclusion）方法。图像左上角的白色对比度区域归因于低角度晶界与高角度晶界的聚集现象。此外，图像右上角的其他低对比度区域以及衬底上其他类似的低对比度区域也被判定为不可用区域。该评估标准的制定基于与紫外LED（UVC-LED）产率的相关性分析，未来可作为定义电子器件可用区域的重要参考依据。

2023年，首次报道了从PVT法生长的晶体中切割出的100 mm氮化铝单晶衬底。通过高分辨交叉偏振显微成像（HR-CPI）技术评估，这些衬底的可用面积在80%–90%范围内。对比度缺失的区域主要归因于低角度晶界以及晶圆边缘的多晶夹杂物。为进一步提高衬底质量，我们按照上述四个步骤开展了系统性改进工作。此外，通过优化隔热装置设计，显著改善了与缺陷生成相关的热梯度控制。在尝试实现以下两个目标时，籽晶边缘的等温线形状尤为重要：(a) 扩大晶体直径；(b) 保持籽晶质量的复制性并避免缺陷生成。通常情况下，对于采用PVT法生长的晶体，低凸性（low-convexity）的等温线形状能够同时满足(a)和(b)两个条件。然而，在实际操作中，主要面临以下挑战：(1) 确定最佳的等温线凸性；(2) 在整个生长过程中维持这种凸性；(3) 在更换不同尺寸籽晶以进行多代晶体生长时，仍能同时实现上述两个目标。通过实验优化装置设计和工艺参数，我们成功在籽晶外围形成了理想的等温线形状，从而显著改善了边缘质量。目前，我们制备的100 mm AlN衬底的可用面积已超过99%，与2024年报道的图2b中所示衬底性能相当。然而，完善晶体生长系统以实现更高的晶体质量仍是一项长期任务。进一步优化生长条件并提升晶体质量仍是未来研究的重点方向。

我们对100 mm的衬底进行了进一步的表征，采用双晶X射线衍射摇摆曲线（RC）技术。入射光束覆盖的区域约为5 × 1 mm²，探测器设置为全开模式。对于大多数衬底区域，摇摆曲线的半高宽（FWHM）在29至80 arcsec范围内变化。在包含大角度晶界和低角度晶界聚集的区域，FWHM可能超过100 arcsec。图3展示了100 mm的AlN衬底的一些典型摇摆曲线：对称的(002) XRD摇摆曲线和不对称的(102) XRD摇摆曲线（分别对应图3a和图3b）。

图3. 100 mm AlN衬底的X射线衍射摇摆曲线（RC）：a) (002)晶面摇摆曲线，其FWHM为29.9 arcsec；b) 不对称(102)晶面摇摆曲线，其FWHM为33.1 arcsec

在XRD对外延准备衬底的评估中，另一个重要的方面是对偏切角（目标值为±0.1°）的分析。目前，100 mm AlN衬底的偏切角平均值为0.08°，相较于最初一代100 mm AlN衬底约1.2°的平均偏切角，已实现了显著改进。研究表明，晶界和宏观缺陷可能对偏切角产生显著影响，导致其偏离目标值超过0.1°。此外，晶格弯曲效应也可能对实现更小的偏切角（例如2英寸AlN晶圆当前的平均偏切角<0.05°）构成一定挑战。

为确保衬底在功率电子器件应用中的高热导率，以及用于紫外LED生产时的低紫外吸收性能，材料的纯度至关重要。表1展示了通过二次离子质谱（SIMS）测定的三种主要杂质元素的浓度。

表1. 采用二次离子质谱（SIMS）测定的C、O和Si杂质元素浓度。

由表1可知，AlN单晶中主要杂质的浓度极低，其中碳和氧的含量均低于10¹⁷ cm⁻³，而硅的含量接近仪器的检测限（5 × 10¹⁶ cm⁻³）。我们能够实现如此低的杂质水平，主要归功于自制的AlN粉源制备工艺，该工艺在过程控制和洁净度管理方面表现出色。

AlN衬底的热导率在功率电子器件制造中的应用中起着至关重要的作用。自Slack指出氮化铝是非金属金刚石结构晶体中具有最高的热导率之一以来，至今已超过50年。然而，目前关于热导率的测量方法和数值仍存在较大差异，且这些方法和数值往往相互矛盾。希望氮化物半导体研究领域能够尽快就热导率的测量和报告方法达成共识。在此之前，我们依据ASTM标准E1461-13《闪光法测量热扩散系数的标准测试方法》，采用氙灯闪光法对100 mm AlN衬底的热导率进行了测量。选取室温（RT）至300 °C范围内的四个温度点进行测量（如图4所示），这些温度点被认为对器件性能最为关键。此外，图4还展示了我们之前生产的1英寸、2英寸和3英寸直径AlN衬底的热导率（λ）。表2中列出了室温下热导率的值（λ）以及给定温度范围内的斜率。热导率的斜率ε通过以下公式简单计算得出：

由表2可知，室温（RT）条件下热导率的数值表现出高度一致性，稳定在约290 W m⁻¹ K⁻¹，这是基于上述闪光法测量得到的当前报道的最高值。热导率斜率的绝对值相对较高（1.4–1.6），表明材料中宏观缺陷散射较少，且主要遵循纯声子-声子散射机制。高热导率及其斜率值进一步提升了AlN衬底在功率电子器件制造中的实际应用潜力与信心。

图4. AlN单晶衬底的热导率随温度变化关系：1英寸、2英寸、3英寸及100 mm

表2. 室温（RT）至300 °C区间内的热导率（λ）及其温度斜率（ε）

结论 

本研究开发了一种制备100 mm AlN单晶衬底的工艺，旨在推动其在功率电子器件制造中的商业化应用。氮化铝晶体通过物理气相传输（PVT）技术生长，并结合我们提出的由内向外扩展晶体直径的方法进行制备。所得晶体经过切割和抛光处理，获得了具有外延生长所需“即用型”（epiready）特性的高质量表面。在此过程中，我们对多种几何参数和表面参数进行了系统性评估，目标是在现有理论和技术基础上，最大程度满足外延生长和器件制造的需求。通过交叉偏振显微成像技术评估，衬底的可用面积超过99%。衬底质量通过双晶X射线衍射摇摆曲线（RC）进行表征，结果显示其FWHM低至29 arcsec，范围在29–67 arcsec之间。XRD技术测量表明，“即用型”衬底的平均偏切角（miscut）小于0.1°。SIMS（二次离子质谱）分析表明，100 mm AlN材料具有极高的纯度，所有主要杂质的浓度均低于10¹⁷ cm⁻³。高纯度的材料为优异的热导率奠定了基础。依据ASTM标准，采用闪光法对热导率进行评估，结果表明，AlN单晶衬底在室温（RT）下的热导率约为290 W m⁻¹ K⁻¹，其绝对斜率达到1.6，展现出卓越的热导性能。未来，AlN衬底在功率电子器件中的应用将进一步聚焦于开发稳定的外延生长工艺和器件制造技术。这些工艺将为所需的衬底质量提供有效反馈，从而实现优异的器件性能，并推动建立标准化的半导体AlN衬底技术规范。

原文源于【WILEY】