4英寸蓝宝石衬底上实现10 μm高质量、无裂纹的氮化铝薄膜

氮化铝（AlN）凭借其优异的光学透过率、宽带隙（约 6.2 eV）和卓越的热稳定性等，在高效光电器件、超高压电力电子器件领域具有重要应用价值。因此，晶圆级体单晶AlN的制备备受关注，但目前仍面临严峻挑战。高温退火已被证实是获取蓝宝石基氮化铝单晶复合衬底的有效路径，并在紫外光电器件中实现规模化应用。但鉴于高功率紫外发光器件（如激光器）对材料质量的严苛要求，进一步提升AlN晶体质量始终是研究的重点目标。研究表明，在异质外延生长过程中增加AlN薄膜厚度，可促进倾斜位错间的相互作用，进而诱导位错湮灭，为进一步提高AlN薄膜的晶体质量提供了一条可行路径。同时，较厚的AlN薄膜在其它应用领域也展现出优势，包括增强声波约束以提升谐振器性能，以及在超高压电子器件中支持更高的击穿电压并提供更好的散热能力。然而，AlN与蓝宝石衬底之间存在显著的晶格失配与热失配，导致异质外延过程中应力随膜厚增加而持续积累，容易诱发裂纹，严重危害薄膜的表面完整性与晶体质量。

针对以上问题，北京大学物理学院王新强与松山湖材料实验室袁冶研究团队，通过在4英寸蓝宝石基氮化铝单晶复合衬底上引入二维低温缓冲层，成功生长出厚度为10.2 μm的AlN薄膜，其表面裂纹被有效限制在距晶圆边缘约2 mm的范围内（图1）。得益于增厚过程中位错的湮灭（图2），薄膜表面区域的位错密度低至7.6 × 106 cm-2。这项研究显著推进了大面积、高质量AlN薄膜的生长，为其在高性能紫外光电器件及电力电子器件中的应用奠定了基础。

图1. 4英寸、10.2 μm AlN薄膜的（a）透射光谱；（b）横截面扫描电子显微镜图像；（c）自动光学检测裂纹图像；（d）(105) 晶面的XRD倒易空间图；（e）(002) 面和 (102) 面的XRD摇摆曲线；（f）刻蚀坑密度测量结果。（a）中插图为晶圆的光学照片；（d）中白色方块表示无应力AlN的位置，坐标为 (Qx, Qz) = (0.28575, 0.77311)。

图2. 4英寸、10.2 μm AlN薄膜的截面暗场TEM图像：（a）g=[0002]，（b）g=[112—0]。

该文章以题为“Compatibilize surface crack and crystallinity in 10-μm-thick AlN epilayer on 4-inch sapphire substrates”发表在 Journal of Semiconductors 上。

文章信息：

Compatibilize surface crack and crystallinity in 10-μm-thick AlN epilayer on 4-inch sapphire substrates

Tai Li, Ziruo Wang, Ye Yuan, Tao Wang, Shangfeng Liu, Tongxin Lu, Shuai Liu, Zhiwen Liang, Qi Wang, Xinqiang Wang

J. Semicond. 2026, 47(7): 072503 doi: 10.1088/1674-4926/26010043

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作者简介

第一作者

李泰，北京大学物理学院博士后。

本科毕业于吉林大学，博士毕业于北京大学。目前主要从事AlN/AlGaN材料的外延生长及AlGaN基光电子器件的制备研究。

第一作者

王子若，北京大学物理学院博士研究生。

本科毕业于北京大学。目前主要研究方向为利用扫描透射电子显微镜（STEM）对Ⅲ族氮化物材料进行表征分析。

通讯作者

袁冶，松山湖材料实验室研究员。

2017年博士毕业于德国德累斯顿工业大学，随后先后于德国亥姆霍兹联合会罗森多夫研究中心与阿卜杜拉国王科技大学从事博士后研究工作，目前致力于氮化铝单晶复合衬底的制备、物理性质研究与应用工作。

通讯作者

王新强，北京大学物理学院博雅特聘教授、博士生导师。

博士毕业于吉林大学，后在日本千叶大学与日本科学技术振兴机构从事博士后研究，主要从事宽禁带半导体材料、物理与器件方面的研究工作。流。JOSarXiv由《半导体学报(英文)》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

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来源：半导体学报

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