超寬禁帶半導(dǎo)體材料氮化鋁（AlN）具有超高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速度、高熱導(dǎo)率、高表面聲速、高非線性光學(xué)系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，可用于制備大功率電子器件、表面聲波濾波器、激光器、紫外探測(cè)器、紫外發(fā)光器件，在航天航空、軍用抗電子干擾、大功率雷達(dá)和導(dǎo)彈預(yù)警等方面具有重要戰(zhàn)略價(jià)值，同時(shí)在5G通訊、功率開(kāi)關(guān)、殺菌消毒、新能源等國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。現(xiàn)階段，在大尺寸、低成本、工藝成熟的藍(lán)寶石襯底上利用MOCVD方法進(jìn)行異質(zhì)外延生長(zhǎng)是制備AlN材料的主流技術(shù)路線。然而，AlN外延層和藍(lán)寶石襯底之間存在嚴(yán)重的晶格失配和熱失配，在藍(lán)寶石上外延AlN薄膜會(huì)產(chǎn)生高密度的貫穿位錯(cuò)和高強(qiáng)度的應(yīng)力，嚴(yán)重影響器件性能的提升。
針對(duì)以上問(wèn)題，廣東省科學(xué)院半導(dǎo)體研究所先進(jìn)材料平臺(tái)基于低溫成核＋高溫生長(zhǎng)的“兩步生長(zhǎng)法”技術(shù)路線，利用大斜切角藍(lán)寶石襯底引入“之”字形宏臺(tái)階（見(jiàn)插圖1(a)），通過(guò)宏臺(tái)階側(cè)面的鏡像力誘導(dǎo)位錯(cuò)傾斜和相互作用（見(jiàn)插圖1(b)），在AlN厚度僅為1微米的前提下，將位錯(cuò)密度降至1.4E9 cm-2。此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)一步簡(jiǎn)化了生長(zhǎng)方法和降低制備成本，制備出的薄膜AIN位錯(cuò)密度在采用相同技術(shù)路線的指標(biāo)對(duì)比中均處于國(guó)際前列（見(jiàn)插圖1(c)）。該項(xiàng)工作部分結(jié)果以“Low-Defect-Density Aluminum Nitride (AlN) Thin Films Realized by Zigzag Macrostep-Induced Dislocation Redirection”為題發(fā)表在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)晶體學(xué)權(quán)威期刊Crystal Growth & Design。
圖1：(a) AlN樣品表面的宏臺(tái)階形貌；(b) 利用“之”字形宏臺(tái)階誘導(dǎo)位錯(cuò)傾斜和相互作用的原理; (c) “兩步生長(zhǎng)法”位錯(cuò)密度（TDD）的國(guó)際指標(biāo)對(duì)比
此前，先進(jìn)材料平臺(tái)已利用原位納米孔洞方法大幅提高位錯(cuò)湮滅和應(yīng)變弛豫效率，制備出5.6微米厚的低位錯(cuò)密度、無(wú)裂紋AlN，該成果先后被半導(dǎo)體領(lǐng)域知名媒體雜志《Semiconductor Today》以“頭條新聞”形式報(bào)道2次，并作為國(guó)家重點(diǎn)研究計(jì)劃“大失配、強(qiáng)極化第三代半導(dǎo)體材料體系外延生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和載流子調(diào)控規(guī)律”項(xiàng)目的代表性進(jìn)展交流匯報(bào)。
論文信息如下：
He, C., Wu, H., Jia, C., Zhang, K., He, L., Wang, Q., ... & Shen, B. (2021). Low-Defect-Density Aluminum Nitride (AlN) Thin Films Realized by Zigzag Macrostep-Induced Dislocation Redirection. Crystal Growth & Design.
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.cgd.1c00170
