物理氣相傳輸法（PVT）被公認為生長氮化鋁單晶的唯一方法，同質外延生長技術是最終制備高質量、大尺寸氮化鋁單晶的最佳方案。本文淺談了氮化鋁單晶同質外延生長技術的基礎原理、最新進展以及面臨的挑戰。
一、氮化鋁材料屬性及其優勢
氮化鋁具有超禁帶寬度、高熱導率、高擊穿場強、高熱穩定性及良好的紫外透過率等優異性能，是紫外/深紫外LED、紫外LD最佳襯底材料，同時也是高功率、高頻電子器件理想襯底材料[1-5]。
氮化鋁禁帶寬度高達6.2 eV，在深紫外發光波段表現出獨特優勢，如氮化鋁基紫外發光器件可以實現200 nm~400 nm全紫外波段的應用，覆蓋紫外固化、紫外醫療、紫外催化、紫外滅菌、紫外通信、高密度存儲等應用領域。
同時，氮化鋁也具有較高的載流子遷移速率及超高擊穿場強，氮化鋁基高頻、高功率器件綜合性能有著其它寬禁帶半導體材料如SiC、GaN等無可比擬的優勢與效率（如表1）。此外，氮化鋁的高穩定性、高聲速傳播速度特點，是5G通信射頻濾波、MEMS傳感器最佳材料。
二、氮化鋁單晶PVT生長策略
物理氣相傳輸法（PVT）被公認為生長塊狀高質量氮化鋁單晶的唯一方法，具有生長速率快、結晶完整性好、安全性高等特點，也一直是氮化鋁體單晶生長的研究熱點與難點。氮化鋁單晶PVT生長有三種重要的生長策略：
1）自發形核生長；
2）4H-/6H-SiC襯底異質外延生長；
3）同質外延生長。其中，同質外延生長法可以使用自發形核生長獲得的小尺寸氮化鋁晶體作為籽晶進行擴晶生長，由于其無晶格失配影響，能維持甚至改善外延晶體質量，同時實現擴大晶體尺寸的優勢，是生長氮化鋁單晶的最終極目標。
同質外延生長工藝過程的溫度范圍為2050~2320 ℃之間（圖1為工藝窗口），其生長過程的溫度梯度通常在5~50 ℃/cm范圍內，氮氣壓一般設置在300-900mbar，以維持合理的過飽和度及長晶速率。
工業界常使用晶化提純后的氮化鋁原料放置于封閉或半開放坩堝系統內，生長系統內充滿高純氮氣，在高溫大于2000℃下，反應性的升華蒸氣在溫度梯度、濃度梯度等作用下傳輸至低溫區進行再結晶與生長。通常，坩堝系統使用垂直結構，其中原料區位于坩堝的下部，再結晶區位于坩堝的上部，如圖2為PVT爐典型熱場結構[6]。
三、氮化鋁單晶襯底發展現狀
同質外延工藝經過近20年的發展，取得了不少進步，但目前全球范圍內有能力小批量制備2英寸、高質量的氮化鋁單晶襯底的機構仍然非常有限。
截至當前，全球僅有2家美國企業（Crystal IS Inc.和Hexatech Inc.）具備小批量生產2英寸氮化鋁晶圓襯底能力（如圖3），但由于氮化鋁材料的敏感用途，美國任意尺寸的氮化鋁晶片對中國實行禁運。
國內氮化鋁單晶生長技術研究起步較晚，但最近幾年進展非常迅速，如奧趨光電技術（杭州）有限公司通過高強度的研發投入，相繼推出了10mm、20mm及1英寸、2inch與60mm的高質量氮化鋁單晶襯底樣片（如圖4），表征結果表明襯底樣片的拉曼半高寬及其深紫外透光性處于世界領先地位[7]，為國內突破國外技術封鎖及大規模產業化應用奠定了基礎。
四、氮化鋁單晶襯底關鍵技術問題
與近10年來SiC晶體的快速發展相比，氮化鋁單晶生長技術進展非常緩慢，氮化鋁同質外延生長工藝仍面臨眾多挑戰，如在外延迭代過程中，必須同時掌握諸如熱場優化、原料雜質控制、高質量籽晶獲取、小籽晶加工與固定及初始形核生長、寄生形核、缺陷增殖與極性控制等一系列關鍵技術問題，全球目前仍只有極少數企業或科研機構有能力進入該技術開發階段[7-9]。
籽晶固定是同質生長氮化鋁晶體中至關重要的問題。籽晶一般通過化學、機械或熱粘結的方法固定在支撐臺上。但由于籽晶與襯底之間存在著熱失配，會導致晶體裂紋的出現。此外，籽晶與襯底之間的任何微孔或孔隙都將會導致籽晶的背面升華。籽晶背面升華后在更低溫度處凝華，導致晶體間出現微孔，并向高溫方向（生長方向）移動，甚至貫穿整個晶體。微孔的高速移動不僅會造成晶體結構的破壞，對后續外延氮化鋁晶體的質量也會受到嚴重的影響。一般采用與籽晶的熱膨脹系數相匹配的籽晶托臺材料，可以解決冷卻過程中晶體破裂等問題，也有些研究機構研究諸如背面電鍍和氮化密封等新技術。
合適的溫度場對同質外延生長尤其重要。在籽晶前沿形成凸形的溫度場，可以抑制1mm生長厚度內棱柱面{10-10}形成，但過凸的溫度場會導致生長的晶體內熱應力過大，從而導致位錯密度的增殖，嚴重時會導致晶體的開裂與多晶寄生生[10]。由于氮化鋁晶體生長溫度高、周期長、熱場成本高，精細的溫度場設計、調控及優化需使用數值模擬仿真技術。因此，數值模擬仿真技術軟件是研究氮化鋁晶體生長過程不可或缺的關鍵技術。
奧趨光電技術（杭州）有限公司分別自主開發了氮化鋁單晶生長過程的傳質模塊、速度預測模塊、過飽和度模塊、雜質傳輸模塊及三維熱應力模塊等[10-13]，為快速開展氮化鋁晶體生長設備設計、熱場設計及工藝優化起到了關鍵作用。
五、機遇和挑戰
綜上所述，與相對較為成熟的SiC、GaN產業鏈相比，氮化鋁產業化應用才剛剛開始。由于氮化鋁材料極其優異的性能及其廣泛應用前景，氮化鋁應用市場的大爆發非常值得期待，但無論是從生長理論完善、工藝技術實現及成本控制上等也面臨諸多挑戰。
在光電子器件領域，隨著2020年起“水俁公約”的逐步實施，必將引爆對高功率紫外LED芯片對氮化鋁單晶襯底的巨大需求；紫外探測器、紫外傳感器及紫外激光器技術近幾年來也都在快速發展，也催生對氮化鋁單晶襯底的大量需求。
但如何開發更大尺寸（如4英寸）且具有良好深紫外透光性、低位錯密度、工藝可重復性好的低成本氮化鋁單晶襯底生長技術是其面臨的巨大挑戰。在功率電力電子領域，氮化鋁具有極高的臨界電場，制備的功率器件具有高關態阻斷電壓、超低導通電阻及超快開關時間，綜合性能是SiC、GaN功率器件的10-15倍左右，具有其它寬禁代半導體器件無與倫比的高功率和高效率，而進一步開發4英寸/6英寸可摻雜、低位錯密度、低成本的氮化鋁單晶襯底生長技術是其面臨的巨大挑戰。
盡管國內對氮化鋁晶體生長技術的研究起步較晚，但最近幾年在PVT晶體生長自動化裝備及工藝創新方面進展迅速，某些關鍵技術指標甚至已處于世界領先地位。我們相信在國家對寬禁帶半導體技術的重視和支持下、在科研人員及產業界共同努力下，氮化鋁單晶生長技術及其配套裝備產業必將取得更大的發展。
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