大尺寸氮化鋁單晶復合襯底制備及其應(yīng)用
袁 冶
松山湖材料實驗室，廣東省東莞市大朗鎮(zhèn)屏東路333號，523808
講座摘要
氮化鋁以其所具有的超寬直接帶隙(~6.2 eV)與c軸高頻壓電特性在深紫外發(fā)光器件、高功率電力電子器件與高頻微機電系統(tǒng)(MEMS)方面具有極大的應(yīng)用前景，與金剛石、氮化硼等并稱為“第四代半導體”。針對目前氮化鋁單晶塊材襯底制備技術(shù)難度高且價格昂貴的瓶頸問題，我們利用物理氣相沉積高溫熱退火的方式成功開發(fā)了2~8英寸氮化鋁單晶復合襯底，該方法所實現(xiàn)的復合襯底成本低廉、位錯低密低 (<5×108 /cm-2)、表面平整(呈現(xiàn)原子臺階流形貌，RMS≤0.2 nm)、重復性好且良率高，并已成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，所實現(xiàn)的4 inch AlN單晶復合襯底氮化鋁區(qū)域超過10 μm且表面無裂紋，位錯密度居于~106 cm-2數(shù)量級。此外，我們成功對氮化鋁單晶復合襯底中內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)實現(xiàn)了自由調(diào)控，使其能夠在多種重大應(yīng)用場景實現(xiàn)技術(shù)突破：(i) 基于4英寸氮化鋁單晶復合襯底及其精細化應(yīng)力調(diào)控技術(shù)，我們首次實現(xiàn)了4英寸表面無開裂且平整的低成本深紫外LED外延片，并將目前商用化深紫外LED中約3 μm的氮化鋁緩沖層首次大幅降至150 nm，極大的降低了生產(chǎn)成本；(ii) 依托氮化鋁單晶復合襯底首次實現(xiàn)具有超薄結(jié)構(gòu)的HEMT功率器件，耐壓能力超過10kV，開啟了氮化鎵功率電子器件進入kV范圍中壓應(yīng)用領(lǐng)域的可能，成為未來氮化鎵功率電子器件降本增效最有效的方案之一；(iii) 基于高溫熱退火實現(xiàn)的a面AlN單晶薄膜的表面聲波諧振器不僅在2.38GHz頻段實現(xiàn)了高達3731品質(zhì)因子與低至39 dB插損的瑞麗波共振，更在僅使用平面指叉電極的情況下成功激發(fā)諧振頻率為4.00 GHz的橫向體波，體現(xiàn)了氮化鋁單晶復合襯底在MEMS領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。除上述應(yīng)用場景外，氮化鋁單晶復合襯底在晶圓級尺寸范圍內(nèi)所形成的原子臺階流表面與氮化鋁向特有的六方晶面使其在諸多新型功能材料的生長方面同樣具有極大優(yōu)勢。
參考文獻
[1] Shangfeng Liu, et al., J. Semicond., 42, 122804 (2021)
[2] Shangfeng Liu, et al., Adv. Func. Mater., 32, 2112111 (2022)
[3] Xiaoli Fang et al., 2023 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), Montreal, Canada, Sep. 2023
[4] Tongxin Lu et al., Appl. Phys. Lett., 123, 252105 (2023)
[5] Junbo Wang et al., IEEE Trans. Electron Dev., 71, 6609-6615(2024)
[6] Zhiwen Liang et al., J. Semicond., 46, 032501(2025)
[7] Shangfeng Liu et al., Adv. Func. Mater. (under review)
主講人介紹
袁冶，副研究員，松山湖材料實驗室第三代半導體團隊現(xiàn)場負責人，博士生導師，于德國德累斯頓工業(yè)大學獲得凝聚態(tài)物理學博士學位，目前從事氮化鋁(第四代半導體)單晶復合襯底的制備與物理性質(zhì)研究，成功實現(xiàn)氮化鋁單晶復合襯底的中試線搭建與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，所實現(xiàn)的氮化鋁單晶復合襯底技術(shù)在世界居于領(lǐng)先位置；共發(fā)表行業(yè)知名SCI期刊文章120余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利26項，主持國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學基金面上項目等國家、省、市、企業(yè)各類項目共計19項，獲北京市技術(shù)發(fā)明一等獎、2023年英國倫敦發(fā)明展金獎、MRL十年最佳論文獎,目前任第十四屆中華全國青年聯(lián)合會委員、第十二屆廣東省青年聯(lián)合會委員等職務(wù)。
