超寬禁帶半導(dǎo)體材料氮化鋁（AlN）具有超高擊穿場強、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，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、大功率雷達和導(dǎo)彈預(yù)警等方面具有重要戰(zhàn)略價值，同時在5G通訊、功率開關(guān)、殺菌消毒、新能源等國民經(jīng)濟領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。現(xiàn)階段，在大尺寸、低成本、工藝成熟的藍寶石襯底上利用MOCVD方法進行異質(zhì)外延生長是制備AlN材料的主流技術(shù)路線。然而，AlN外延層和藍寶石襯底之間存在嚴重的晶格失配和熱失配，在藍寶石上外延AlN薄膜會產(chǎn)生高密度的貫穿位錯和高強度的應(yīng)力，嚴重影響器件性能的提升。
針對以上問題，廣東省科學(xué)院半導(dǎo)體研究所先進材料平臺基于低溫成核＋高溫生長的“兩步生長法”技術(shù)路線，利用大斜切角藍寶石襯底引入“之”字形宏臺階（見插圖1(a)），通過宏臺階側(cè)面的鏡像力誘導(dǎo)位錯傾斜和相互作用（見插圖1(b)），在AlN厚度僅為1微米的前提下，將位錯密度降至1.4E9 cm-2。此項技術(shù)進一步簡化了生長方法和降低制備成本，制備出的薄膜AIN位錯密度在采用相同技術(shù)路線的指標對比中均處于國際前列（見插圖1(c)）。該項工作部分結(jié)果以“Low-Defect-Density Aluminum Nitride (AlN) Thin Films Realized by Zigzag Macrostep-Induced Dislocation Redirection”為題發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會晶體學(xué)權(quán)威期刊Crystal Growth & Design。
圖1：(a) AlN樣品表面的宏臺階形貌；(b) 利用“之”字形宏臺階誘導(dǎo)位錯傾斜和相互作用的原理; (c) “兩步生長法”位錯密度（TDD）的國際指標對比
此前，先進材料平臺已利用原位納米孔洞方法大幅提高位錯湮滅和應(yīng)變弛豫效率，制備出5.6微米厚的低位錯密度、無裂紋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”形式報道2次，并作為國家重點研究計劃“大失配、強極化第三代半導(dǎo)體材料體系外延生長動力學(xué)和載流子調(diào)控規(guī)律”項目的代表性進展交流匯報。
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
