物理气相传输法生长1英寸AlN单晶及其表征分析

贺广东，王琦琨，雷 丹，龚建超，黄嘉丽，付丹扬，吴 亮

(上海大学材料科学与工程学院，省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室，上海市钢铁冶金新技术开发应用重点实验室，上海 200044)

1 引 言

氮化铝(AlN)作为第三代半导体的典型材料之一，近年来因其具有宽带隙(6.2 eV)、高熔点(3800 K)、高热导率(340 W·m-1·K-1)、高临界击穿场强(1.2～1.4 MV·cm-1)、高饱和载流子漂移速度等优点，在紫外、深紫外(UV/deep-UV)光电器件产业有着广泛的应用前景[1-2]。相比现在常用的碳化硅(SiC)、蓝宝石等异质衬底，AlN与现在广泛应用的氮化物半导体(GaN、InN)及其固溶体AlGaN、InGaN等晶格失配率很小，是其外延生长最理想的衬底材料，能够极大地提高外延晶体质量和所制器件的性能。

自从1976年Slack和McNelly首次采用PVT法进行生长AlN晶体以来[3]，众多研究机构在此领域进行了不懈的努力[4-6]。但是，由于AlN单晶生长温度高、生长窗口狭窄及对设备要求非常苛刻，生长大尺寸、高质量的英寸级AlN单晶近几十年来进展非常缓慢，也进一步限制了其商业应用。

本文实验以自发形核新工艺[7]制备的6 mm×7 mm自支撑高质量AlN单晶作为籽晶，采用PVT法开展了同质外延生长实验。经过4次迭代，最终成功生长出1英寸高质量的AlN单晶锭。生长出的单晶锭经过切片、研磨和抛光工艺制备出多片1英寸单晶抛光片。通过拉曼光谱仪、高分辨率X射线衍射仪来评估籽晶片、外延生长晶片的残余应力情况及结晶质量；经过熔融的KOH/NaOH腐蚀各晶片后，采用场发射扫描电子显微镜对腐蚀表面进行观察并统计位错密度；通过光度分光计对晶片的紫外透光率进行检测；最后对比与分析了籽晶片与同质外延晶片的各项性能数据并给出了相应结论。

2 实 验

本实验采用的自主设计的电阻式加热物理气相沉积炉(或称PVT晶体生长炉)，主要由双电阻加热器、多层钨隔热屏和3英寸钨坩埚等组成。通过FEMAG晶体生长模拟仿真软件对PVT全局热场进行模拟仿真优化设计[8]，同时采用自主开发的传质、三维各项异性应力场模块来计算优化AlN晶体生长条件[9]。

3 结果与讨论

3.1 拉曼光谱分析

拉曼光谱检测中E2(high)通常作为反应晶体结晶质量的重要指标[10]。本文分别对自发生长的籽晶片和同质外延生长的1英寸晶片做了拉曼光谱检测，检测结果如图2所示。对比图2中数据，可以看到籽晶片及同质外延片三种声子模都具有很高的强度且峰型尖锐。其中，自发生长的初代籽晶片的E2(high)声子模位置(657.4 cm-1)非常接近标准无应力位置(657.5 cm-1)，说明该籽晶内几乎不存在残余应力。而1 inch同质外延生长的晶片E2(high)声子模(653.5 cm-1)对比与籽晶片发生红移，体现为拉应力。对比E2(high)的半高宽(FWHM)，晶片经4轮同质外延迭代生长后由6.35 cm-1降低至2.86 cm-1，且低于所有已知文献报道的AlN单晶的最好水平3 cm-1[11]，表明晶体内部没有其余夹杂物，其生长方向上仍保持高结晶水平。

3.2 XRD摇摆曲线分析

本文分别对籽晶片和1英寸同质外延晶片的(002)面进行了XRD摇摆曲线测试，测试结果如图3所示。测试结果表明，籽晶片和外延片在摇摆曲线上都体现为尖锐峰，但晶片经4轮同质外延迭代生长后，XRD的FWHM从籽晶片的133 arcsec增大至241 arcsec，且摇摆曲线峰型存在一定的不对称性，表明晶体内存在残余应力，结晶质量降低。这可能是由于同质外延生长过程处于非平衡态下，导致缺陷的产生与增殖，如基底位错的增殖及少量小角度晶界的生成等。晶体中相应的微观应变使晶面产生轻微扭曲，XRD衍射峰在ω扫描模式下发生展宽，最终导致峰型不对称，但经过我们对生长环境的控制与热场优化，晶体在径向尺寸扩大的同时总体仍能保持相对较高的晶体质量。

图3 AlN籽晶和1英寸AlN晶片(002)面的XRD摇摆曲线Fig.3 (002) X-ray rocking curves of the AlN seed and obtained 1 inch AlN wafer

3.3 SEM分析

AlN晶体在常态下为六方纤锌矿结构，因此根据Al原子和N原子占据双原子层顶部位置的不同，AlN晶体(001)面可分为Al极性面和N极性面。经过湿法化学腐蚀后，Al极性面会出现六方腐蚀坑，N极性面则为六方腐蚀丘[12]。本文对籽晶片和1英寸晶片进行湿法化学腐蚀后采用SEM进行了表征分析(如图4所示)。籽晶片和1英寸晶片的Al极性面在腐蚀后可以看到清晰的六方腐蚀坑形貌，可以侧面佐证其切割面与晶体c面偏差很小。在所拍摄的SEM图像中可以看到，籽晶片及1英寸晶片腐蚀坑数量从0到上百个数量不等。经统计，图4(a)中籽晶片中的平均腐蚀坑密度(EPD)为4.4×104cm-2，而(b)中1英寸晶片的平均EPD为2.3×105cm-2。上述结果表明，同质外延生长晶体过程中位错密度数量级增大约5倍，这是由于生长过程中非平衡态下的热场环境使晶体内产生较大热应力[8,13]，从而导致基底位错、穿型位错(继承自籽晶片)等各种缺陷的产生与增殖。

图4 AlN籽晶和1英寸AlN晶片腐蚀后的SEM照片Fig.4 SEM images of the AlN seed (a) and 1 inch AlN wafer (b) after etching

3.4 光度分光计分析

图5 1英寸AlN晶片3个不同区域的光学吸收光谱Fig.5 Absorption spectra of three different locations of a 1 inch AlN wafer

AlN晶体良好的紫外透光性是制作紫外光电器件最关键的技术要求之一。对1英寸AlN晶片三个不同区域(图1b)进行200～1000 nm波段的光学吸收光谱测试，测试结果如图5所示。其中3个沿径向不同区域测定的吸收系数曲线基本相近，说明整片外延晶片的光学透光性较为一致。其中，晶片边缘区域(loca.3)吸收系数略高于其它区域，这可能与晶片中径向杂质含量的变化有关。在深紫外波长范围内(265～280 nm)，1英寸晶片吸收系数在19～21.5 cm-1之间，基本接近所有已知文献报道的AlN晶片紫外吸收系数最好水平(14～21 cm-1)[14]，说明该同质外延晶片的紫外透光性十分优秀，有利于制备出高效率深紫外光电器件。

4 结 论

本文以自发生长的6 mm×7 mm高质量AlN晶片做籽晶，通过PVT法开展了同质外延迭代生长实验，成功制备出直径1英寸AlN单晶锭，并对生长前后的AlN单晶性能做了表征对比分析。研究表明：基于高质量AlN籽晶，采用同质外延工艺生长后的晶体质量仍保持较高水平，经过检测表明拉曼光谱E2(high)半高宽仅2.86 cm-1，(002)面XRD摇摆曲线半高宽分别为241 arcsec；由于同质外延生长过程处于非平衡态下，导致缺陷的产生与增殖，其平均EPD较籽晶增加约5倍至2.3×105cm-2；晶片透光性十分优异，深紫外265～280 nm波段范围吸收系数小于22 cm-1。