氮化鋁（AlN）單晶襯底作為第四代半導(dǎo)體材料，憑借其獨特的物理化學(xué)性質(zhì)和優(yōu)異性能，有望成為AI產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵推動力量。AlN 具備高達6.2eV的禁帶寬度、高擊穿場強、高化學(xué)和熱穩(wěn)定性，以及高導(dǎo)熱和抗輻射等特性，高質(zhì)量的 AlN 單晶基板可廣泛應(yīng)用于射頻器件、功率電子、MEMS 元件等領(lǐng)域，能夠有效提升設(shè)備的穩(wěn)定性和性能。此外，AlN在光電探測、陰極發(fā)光、光子集成電路等光電領(lǐng)域也具有巨大潛力。

氮化鋁單晶（來源：HexaTech）

盡管 AlN 單晶材料目前多數(shù)處于研發(fā)階段，但其未來發(fā)展?jié)摿薮?，市場對高性能材料的需求也在不斷推動技術(shù)進步。隨著長晶技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，AlN 單晶材料的制備工藝不斷優(yōu)化，AlN單晶的市場前景廣闊，有望成為下一代高端電子器件的核心材料。因此，深入了解 AlN 單晶的生產(chǎn)工藝、應(yīng)用前景及市場發(fā)展動態(tài)，不僅有助于把握前沿科技脈搏，也為相關(guān)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)布局提供了寶貴的參考。

第四代半導(dǎo)體的性能優(yōu)勢及前景

相比第一至三代半導(dǎo)體，第四代半導(dǎo)體最直觀的優(yōu)勢體現(xiàn)在超寬的帶隙（Eg）與大擊穿場強（Eb）上，因而能夠承受更高電壓與功率所帶來的挑戰(zhàn)。下表中橫向?qū)Ρ攘说湫偷谒拇雽?dǎo)體與傳統(tǒng)半導(dǎo)體（Si、GaN）的物理特性。

并且，諸如巴利加優(yōu)值（BFOM）、約翰遜優(yōu)值（TFOM）等衡量功率電子、射頻電子器件綜合性能的指標多以線性甚至高次非線性的方式隨Eg單調(diào)遞增，因此第四代半導(dǎo)體呈現(xiàn)出了壓倒性的優(yōu)勢，非常適合制造大功率電力電子器件。與此同時，JFOM與擊穿場強基本成正比，該參數(shù)越大表明射頻功放器件的截止頻率與功率輸出越高，這也說明第四代半導(dǎo)體更加適合于制造高性能射頻電子器件。

不過除了上述特性，第四代半導(dǎo)體在載流子遷移率、飽和電子速度、相對介電常數(shù)、熱導(dǎo)率等其他方面的物理性質(zhì)則沒有特別的優(yōu)勢。綜合考慮當(dāng)前的主流應(yīng)用場景與生產(chǎn)成本，第四代半導(dǎo)體短期內(nèi)仍無法取代第三代半導(dǎo)體。

AlN單晶的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

目前，新一代寬禁帶半導(dǎo)體材料中，SiC和GaN已經(jīng)進入商業(yè)化生產(chǎn)階段。其中，中國已有超過10家企業(yè)實現(xiàn)8英寸SiC襯底的小批量生產(chǎn)。在GaN單晶擴徑方面，國內(nèi)外多家機構(gòu)取得了重要突破，例如豐田合成和大阪大學(xué)等，已成功制備出高質(zhì)量的6英寸GaN襯底，并開發(fā)了用于8英寸晶體生長的設(shè)備。

AlN單晶襯底生產(chǎn)流程（來源：HexaTech）

與近年SiC、GaN晶體的快速發(fā)展相比，AlN單晶生長技術(shù)進展相對緩慢，且由于生長成本高，導(dǎo)致 AlN 襯底器件在商業(yè)化應(yīng)用上受到了極大地限制。目前，全球有能力生長出AlN單晶的企業(yè)/研發(fā)機構(gòu)極其有限，相關(guān)進展大致如下：

• 旭化成旗下公司Crystal IS宣布成功生產(chǎn)出直徑為4英寸（100毫米）的單晶氮化鋁（AlN）基板，2024 年下半年開始向日本和海外的半導(dǎo)體器件制造商提供襯底樣品

• 奧趨光電成功制備出高質(zhì)量3英寸氮化鋁單晶晶體及3英寸襯底樣片

• HexaTech能制備出高質(zhì)量2英寸AlN單晶襯底，全系列的深紫外透明襯底產(chǎn)品都有標準的交貨時間

氮化鋁單晶襯底（來源：旭化成旗下公司Crystal IS）

奧趨光電制備的3英寸AlN單晶襯底樣片（來源：奧趨光電）

HexaTech的氮化鋁襯底（來源：HexaTech）

AlN長晶技術(shù)發(fā)展

晶體的人工合成制備就是控制物質(zhì)在一定的熱力學(xué)條件（溫度、壓力等）下 進行平衡或非平衡相變的過程，使物質(zhì)從液相或者氣相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔啵淳w）。下圖是AlN晶體的生長相圖。

AlN晶體的生長相圖

前面也提到，AlN 晶體生長成本高且尺寸較小，極大限制了 AlN 襯底在商業(yè)化應(yīng)用中的發(fā)展。接下來將探討當(dāng)前主流的氮化鋁晶體生長技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，分析各技術(shù)的要求、優(yōu)缺點，并通過比較不同的長晶方法，尋求更具經(jīng)濟效益的制備途徑。

1.溶液成長法

溶液成長法（Solution Growth Method）因其低反應(yīng)溫度和環(huán)保的原材料，在合成AlN單晶方面受到越來越多的關(guān)注。含有鋁源的飽和溶液加熱至高溫，將飽和溶液緩慢降溫，使過飽和的Al于氮氣環(huán)境下緩速析出，并于AlN晶核上生長形成單晶，可通過調(diào)節(jié)溫度梯度、溶液流動等條件來控制晶體生長方向和尺寸。

溶液生長法示意圖以及生長后的 AlN 晶體的頂視圖光學(xué)照片和 SEM 圖像（來源：）

2.氫化物氣相外延法

氫化物氣相外延法（Hydride Vapor Phase Epitaxy;HVPE）是一項廣泛應(yīng)用于制造化合物半導(dǎo)體材料的技術(shù)，如氮化鎵（GaN）、砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等。在這個制程中，通常會利用高溫將氯化氫與III族金屬反應(yīng)，產(chǎn)生金屬氯化物氣體，接著這些金屬氯化物會與氨氣反應(yīng)，形成III族氮化物。常見的載體氣體包括氨氣、氫氣以及各種氯化物。

采用HVPE法在直徑2英寸的AlN單晶基板上進行AlN同質(zhì)外延生長

氮化鋁III-V族半導(dǎo)體晶體生長過程接近平衡狀態(tài)，這意味著凝結(jié)反應(yīng)具有快速動力學(xué)：當(dāng)蒸汽相過飽和度增加時，可以立即觀察到凝結(jié)反應(yīng)。這一特性歸功于使用了氯化物蒸氣前驅(qū)物AlCl，這些前驅(qū)物的脫氯頻率足夠高，沒有動力學(xué)延遲，生長速率范圍廣泛，可根據(jù)蒸汽相過飽和度，設(shè)定從每小時1到100微米不等的生長速率。HVPE法的優(yōu)勢在于制程溫度低且厚度均勻性佳，純度高、缺陷低，具較高的透明度（紫外光透明度對AlN光學(xué)元件尤其重要）；但缺點是載體具有腐蝕性與毒性，操作需求高，進而導(dǎo)致生產(chǎn)成本極高。

3.物理氣相傳輸法

物理氣相傳輸法（Physical Vapor Transport;PVT）是一種利用升華的方式生長化合物半導(dǎo)體材料單晶晶體的方法，由于生長過程中的質(zhì)傳會受到溫場造成的飽和氣壓差影響，因此長晶溫場控制相當(dāng)重要。氮化鋁填充于石墨坩堝內(nèi)，石墨坩堝置于石英管內(nèi)并通以保護氣氛下，透過感應(yīng)加熱方式使系統(tǒng)于高溫低壓的狀態(tài)，令氮化鋁粉末分解為鋁蒸氣和氮氣（氮化鋁升華所需的溫度在2,000?C以上，但溫度在2,430?C會發(fā)生分解），低溫的晶種可用來營造出和高溫粉末之間的壓力差，鋁蒸氣和氮氣會在晶種表面沉積形成氮化鋁晶體。

PVT 法生長 AlN 晶體生長原理示意圖

物理氣相傳輸法具有較高的長晶速率（212μm/hr），且生產(chǎn)設(shè)備簡單、原料成本較低，故利用物理氣相傳輸法生產(chǎn)氮化鋁晶體較符合經(jīng)濟效益；缺點是控制參數(shù)程序復(fù)雜，需精確控制溫度場，工藝要求高，且高溫生長過程中產(chǎn)生的位錯等缺陷難以去除。目前，物理氣相傳輸法被認為是制備AlN單晶襯底的理想方法。

結(jié)語

氮化鋁單晶的發(fā)展雖然面臨著技術(shù)與成本上的挑戰(zhàn)，但其卓越的材料特性決定了它在未來高端電子和光電子器件中的重要地位。隨著技術(shù)的不斷突破，AlN有望在未來的市場中占據(jù)一席之地，成為推動AI產(chǎn)業(yè)和高端制造業(yè)的重要材料。持續(xù)關(guān)注長晶技術(shù)的進步和市場動態(tài)，將為相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供新的機遇與方向。

資料來源：

[1]王闖.氮化鋁單晶生長和缺陷研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2023.DOI:10.27517/d.cnki.gzkju.2023.000305.

[2]朱亞軍,王國棟,俞瑞仙,等.物理氣相傳輸法SiC襯底上生長AlN單晶的研究進展[J].硅酸鹽學(xué)報,2023,51(06):1439-1449.DOI:10.14062/j.issn.0454-5648.20220704.

[3]Li, S., Adachi, M., Ohtsuka, M., & Fukuyama, H. (2024). Development of a new solution growth method for AlN single crystals using type 430 ferritic stainless steel flux. Crystal Growth & Design, 24(13), 5549-5558.

[4]Hirama, K., Taniyasu, Y., Honda, Y., & Amano, H. (2020). Growth of high-quality AlN single crystals by physical vapor transport method. Journal of Crystal Growth, 531, 125644.

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