大尺寸氮化铝单晶复合衬底制备及其应用
袁 冶
松山湖材料实验室，广东省东莞市大朗镇屏东路333号，523808
讲座摘要
氮化铝以其所具有的超宽直接带隙(~6.2 eV)与c轴高频压电特性在深紫外发光器件、高功率电力电子器件与高频微机电系统(MEMS)方面具有极大的应用前景，与金刚石、氮化硼等并称为“第四代半导体”。针对目前氮化铝单晶块材衬底制备技术难度高且价格昂贵的瓶颈问题，我们利用物理气相沉积高温热退火的方式成功开发了2~8英寸氮化铝单晶复合衬底，该方法所实现的复合衬底成本低廉、位错低密低 (<5×108 /cm-2)、表面平整(呈现原子台阶流形貌，RMS≤0.2 nm)、重复性好且良率高，并已成功实现产业转化，所实现的4 inch AlN单晶复合衬底氮化铝区域超过10 μm且表面无裂纹，位错密度居于~106 cm-2数量级。此外，我们成功对氮化铝单晶复合衬底中内应力状态实现了自由调控，使其能够在多种重大应用场景实现技术突破：(i) 基于4英寸氮化铝单晶复合衬底及其精细化应力调控技术，我们首次实现了4英寸表面无开裂且平整的低成本深紫外LED外延片，并将目前商用化深紫外LED中约3 μm的氮化铝缓冲层首次大幅降至150 nm，极大的降低了生产成本；(ii) 依托氮化铝单晶复合衬底首次实现具有超薄结构的HEMT功率器件，耐压能力超过10kV，开启了氮化镓功率电子器件进入kV范围中压应用领域的可能，成为未来氮化镓功率电子器件降本增效最有效的方案之一；(iii) 基于高温热退火实现的a面AlN单晶薄膜的表面声波谐振器不仅在2.38GHz频段实现了高达3731品质因子与低至39 dB插损的瑞丽波共振，更在仅使用平面指叉电极的情况下成功激发谐振频率为4.00 GHz的横向体波，体现了氮化铝单晶复合衬底在MEMS领域的应用潜力。除上述应用场景外，氮化铝单晶复合衬底在晶圆级尺寸范围内所形成的原子台阶流表面与氮化铝向特有的六方晶面使其在诸多新型功能材料的生长方面同样具有极大优势。
参考文献
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[7] Shangfeng Liu et al., Adv. Func. Mater. (under review)
主讲人介绍
袁冶，副研究员，松山湖材料实验室第三代半导体团队现场负责人，博士生导师，于德国德累斯顿工业大学获得凝聚态物理学博士学位，目前从事氮化铝(第四代半导体)单晶复合衬底的制备与物理性质研究，成功实现氮化铝单晶复合衬底的中试线搭建与产业转化，所实现的氮化铝单晶复合衬底技术在世界居于领先位置；共发表行业知名SCI期刊文章120余篇，授权国家发明专利26项，主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目等国家、省、市、企业各类项目共计19项，获北京市技术发明一等奖、2023年英国伦敦发明展金奖、MRL十年最佳论文奖,目前任第十四届中华全国青年联合会委员、第十二届广东省青年联合会委员等职务。
