氮化鋁（AlN）是極具應用潛力的超寬禁帶半導體材料，具有很多優良的性質。其禁頻寬度高達6.2eV，具有高擊穿場強、高飽和電子漂移速率、高化學和熱穩定性，以及高導熱、抗輻射等優異效能。是紫外/深紫外LED、紫外LD最佳襯底材料，也是高功率、高頻電子器件理想襯底材料。此外，AlN具有優良的壓電性、高的聲表面波傳播速度和較高的機電耦合係數，是GHz級聲表面波器件的優選壓電材料。
AlN單晶晶錠與襯底（來源：奧趨光電）
AlN單晶PVT生長
與SiC單晶生長類似，AlN單晶無法透過熔體法而只能採用物理氣相傳輸（PVT）法進行生長。
AlN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
AlN單晶襯底生產流程（來源：HexaTech）
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AlN晶體作為籽晶進行擴晶生長，由於其無晶格失配影響，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AlN單晶的最終極目標。
同質外延生長工藝過程的溫度範圍為2050~2320℃之間，其生長過程的溫度梯度通常在5~50℃/cm範圍內，氮氣壓一般設定在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後的AlN原料放置於封閉或半開放坩堝系統內，生長系統內充滿高純氮氣，在高溫大於2000℃下，反應性的昇華蒸氣在溫度梯度、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，其中原料區位於坩堝的下部，再結晶區位於坩堝的上部。
AlN單晶PVT生長爐典型熱場結構及坩堝系統（來源：奧趨光電）
AlN單晶生長關鍵技術問題
與近10年來SiC晶體的快速發展相比，AlN單晶生長技術進展非常緩慢，AlN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最佳化、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。
籽晶固定是同質生長AlN晶體中至關重要的問題
籽晶一般透過化學、機械或熱粘結的方法固定在支撐臺上。但由於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昇華。籽晶背面昇華後在更低溫度處凝華，導致晶體間出現微孔，並向高溫方向（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，對後續外延AlN晶體的質量也會受到嚴重的影響。一般採用與籽晶的熱膨脹係數相匹配的籽晶託臺材料，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生長厚度內稜柱面{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。由於AlN晶體生長溫度高、週期長、熱場成本高，精細的溫度場設計、調控及最佳化需使用數值模擬模擬技術。因此，數值模擬模擬技術軟體是研究AlN晶體生長過程不可或缺的關鍵技術。
AlN單晶襯底企業
PVT法生長AlN與SiC體單晶基本同時起步於20世紀70年代。隨著寬禁帶半導體技術的興起，及AlN優異效能與潛在應用前景，眾多科研機構及企業在PVT法制備AlN單晶方面做出了長期不懈努力，但與目前較為成熟的SiC等襯底材料相比，AlN單晶生長及其襯底製備具有更高的技術難度、更高的複雜性和更高的成本等特點。
目前８英寸SiC單晶已經開始逐步商業化，但AlN單晶最大尺寸僅為60ｍｍ，且全球有能力生長出２英寸AlN單晶的企業／研發機構極其有限。
Crystal IS
Crystal IS由Leo Schowalter和Glen Slack於1997年創立，是一家AlN基板紫外線發光二極體（UVC LED）開發領域的市場領先公司，旨在開發原生AlN襯底技術，以實現更強大、更可靠的半導體器件。Crystal IS科研工作者開發了專利工藝，用於在AlN襯底上生長有源晶體層（如LED），同時保持AlN的低缺陷密度。
Crystal ISAlN晶錠（來源：Crystal IS）
2012年1月11日，Crystal IS宣佈與旭化成株式會社（Asahi Kasei）合併。作為旭化成全資子公司，合併將使Crystal IS得以利用旭化成在產品工程和卓越製造方面的優勢更快地實現UVC LED商業化。此項合併的生效日期為2011年12月28日。
HexaTech
HexaTech成立於2001年，是世界領先的單晶PVT生長AlN襯底的商業供應商，已成功解決了複雜的材料科學和工程挑戰，將高質量的散裝AlN商業化用於批次生產。
2013年11月8日，HexaTech展示了世界上第一個直徑為33mm、無宏觀結構缺陷的單晶球，為高質量2英寸直徑AlN襯底材料的開發鋪平了道路。
HexaTechAlN單晶球（來源：HexaTech）
2018年4月24日，HexaTech宣佈推出其2英寸直徑AlN基板產品線。
2019年5月7日，HexaTech推出了第一個已知的無缺陷2英寸直徑AlN基板。
2020年3月，HexaTech被Stanley Electric收購。
2020年4月21日，HexaTech宣佈推出其深紫外透明2英寸直徑單晶AlN基板產品線。該功能旨在直接支援高效能紫外線C（UV-C）波長髮光二極體（LED）的商業化生產。
奧趨光電
奧趨光電是由海歸博士團隊、半導體領域頂尖技術專家領銜，於2016年5月創立的高新技術、創新型企業。
2016年8月，奧趨光電研發團隊透過自主設計，成功開發出具備完整智慧財產權的第一代PVT法全自動AlN單晶氣相沉積爐。
AlN單晶氣相沉積爐（來源：奧趨光電）
2018年11月，奧趨光電基於自主設計開發的第二代全自動AlN單晶氣相沉積爐，成功研發出全球首批直徑60mm的高質量AlN單晶，並在全球紫外材料與器件國際會議（IWUMD-2018）上展示了世界首批60mm AlN晶片樣片。
2019年4月，奧趨光電應諾貝爾物理獎獲得者天野浩教授為會議主席的組委會邀請，在日本橫濱舉行的LED工業應用國際會議（LEDIA-2019）上，宣佈正式推出了全球首批60mm AlN單晶及晶圓產品樣片。
目前，奧趨光電可向客戶提供1英寸/2英寸高質量AlN單晶襯底、2/4/6英寸藍寶石基/矽基/SiC基AlN、AlN鈧薄膜模板、AlN單晶氣相沉積爐及熱處理裝置等產品。同時向客戶及合作伙伴提供從裝置設計、熱場設計、熱場模擬模擬技術開發、諮詢及生長工藝最佳化到晶圓製程等全環節的完整工藝解決方案與專業技術服務。
機遇與挑戰
我國對AlN晶體生長技術的研究起步較晚，“在此之前，美國在全球AlN單晶及晶圓製造方面，可達的最大直徑為2英寸（50.8mm），長期處於技術壟斷地位。”正如奧趨光電CEO兼總經理吳亮所說。
目前，世界各國為研發大尺寸氮化鋁單晶作出了長期不懈努力，但進展緩慢。儘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於世界領先地位。2021年10月，松山湖材料實驗室第三代半導體團隊和北京大學物理學院寬禁帶半導體研究中心王新強教授團隊共同研製出4英寸無開裂高質量氮化鋁單晶模板，為降低深紫外發光器件的成本清除了最主要障礙，可推動深紫外發光器件的普及。
我們相信在國家對寬禁帶半導體技術的重視和支援下、在科研人員及產業界共同努力下，我國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。
資料來源：
奧趨光電、松山湖材料實驗室、人工晶體學報、HexaTech、Crystal IS
1、奧趨光電技術（杭州）有限公司 王琦琨.超寬禁帶半導體材料--AlN單晶.人工晶體學報
2、奧趨光電技術（杭州）有限公司 王琦琨.奧趨光電在AlN單晶生長領域取得突破性進展.人工晶體學報
3、北京中材人工晶體研究院有限公司 張偉儒 陳建榮.寬禁帶半導體AlN晶體發展現狀及展望
