提到第三代半導體，大家第一時間都會想到發展得更為成熟的SiC和GaN，而對于尚處于起步階段的ZnO、金剛石和AlN等寬禁帶半導體材料，關注度則會低上許多。但盡管如此，它們的潛能也不應被忽視，比如說AlN就具有如下多種優異性能：

①禁帶寬度6.2eV，并具有直接帶隙，是重要的藍光和紫外發光材料；

②熱導率高，熔點高，電阻率高，擊穿場強大，介電系數小，是優異的 高溫、高頻和大功率器件用電子材料；

③沿c軸取向的AlN具有非常好的壓電性和聲表面波高速傳播性能，是優異的聲表面波器件用壓電材料。

與其他Ⅲ-N材料接近的晶格常數和熱膨脹系數，使AlN晶體成為GaN、AlGaN以及AlN外延材料的理想襯底。與藍寶石或SiC襯底相比，AlN與GaN熱匹配和化學兼容性更高、襯底與外延層之間的應力更小，因此AlN晶體作為GaN外延襯底時可大幅度降低器件中的缺陷密度，提高器件的性能，尤其在藍光-紫外固態激光二極管、激光器、GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)器件和日盲型AlGaN紫外探測器件的襯底方面，更是具有獨特優勢。

AlN與其他常用半導體材料性能對比

AlN晶體生長的難點

既然AlN晶體具有這么出色的性能，那為什么還得不到推廣呢？究其根本還是因為太難“做”了。與發展得較為成熟的SiC等襯底材料相比，AlN單晶生長及其襯底制備具有更高的技術難度、更高的復雜性和更高的成本等特點，主要可總結為以下2點：

①AlN晶體具有極高的熔點溫度（~3500K）和較大的分解壓，正常壓力條件下，AlN在熔化前即會發生分解，因此無法從熔體中生長AlN晶體；

②AlN在高溫下分解出的鋁蒸汽很活潑，易腐蝕坩堝，需要選擇耐高溫、耐腐蝕的坩堝材料。

就算是采用目前在AlN單晶領域被公認為最佳制備法的物理氣相傳輸法（PVT）工藝，AlN單晶最大也只能做到60 mm，全球范圍內有能力生長出2英寸AlN單晶的企業/研發機構非常有限。在這一點上，AlN確實與8英寸都已經開始商業化的SiC形成了有些淚目的差距。

奧趨光電技術（杭州）有限公司在日本橫濱舉行的LED 工業應用國際會議( LEDIA-2019) 上，推出了直徑60 mm 氮化鋁單晶及晶圓，該晶圓為迄今為止國內外見諸報道的最大尺寸氮化鋁晶圓（資料來源：奧趨）

AlN晶體的應用前景

不過有句說句，即便AlN單晶很難做，但它的優良性能依舊驅使著許多科研機構及企業對其單晶生長的機理及技術開展深入研究。目前除了用于制備單晶的PVT法外，還有用來生長 AlN單晶薄膜的氫化物氣相外延法（HVPE）、金屬有機物化學氣相沉積法（MOCVD）、分子束外延法（MBE）、原子層沉積技術（ALD）等。

應用方面，AlN主要用于微波毫米波器件、SAW器件、紫外/深紫外LED以及電力電子器件。其中AlN紫外LED的輸出功率已達到實用化需求，紫外/深紫外探測器仍在研制階段，中功率吉赫茲級通信用HEMT和SAW/體聲波（BAW）壓電器件正步入實用化階段。此外，AlN大功率電力電子器件進入快速發展期，新型AlN器件如MEMS器件、太赫茲器件、高溫器件等處于不斷探索和開發中。

使用AlN緩沖層的深紫外LED的典型外延結構圖

綜上所述，AlN材料和器件技術距離“完善”還有相當一段距離，無論是單晶的生長還是器件的制備應用都面臨著諸多挑戰。不過隨著近年來光電子器件領域的快速發展，高功率紫外LED芯片對AlN單晶襯底的巨大需求還是有望被引爆的，因此如何開發更大尺寸（如 4英寸）且具有良好深紫外透光性、低位錯密度、工藝可重復性好的低成本 AlN單晶襯底生長技術成為了當今半導體領域的研究熱點與難點。

資料來源：

1.付丹揚,龔建超,雷丹等.PVT法AlN單晶生長技術研究進展及其面臨挑戰[J].人工晶體學報,2020,49(7)

2.何君,李明月.超寬禁帶AlN材料及其器件應用的現狀和發展趨勢[J].半導體技術, 2019(04)

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