超寬禁帶半導體材料氮化鋁（AlN）具有超高擊穿場強、高飽和電子漂移速度、高熱導率、高表面聲速、高非線性光學系數(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、大功率雷達和導彈預警等方面具有重要戰(zhàn)略價值，同時在5G通訊、功率開關、殺菌消毒、新能源等國民經濟領域發(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方法進行異質外延生長是制備AlN材料的主流技術路線。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薄膜會產生高密度的貫穿位錯和高強度的應力，嚴重影響器件性能的提升。
針對以上問題，廣東省科學院半導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)），通過宏臺階側面的鏡像力誘導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)表在美國化學學會晶體學權威期刊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，該成果先后被半導體領域知名媒體雜志《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、強極化第三代半導體材料體系外延生長動力學和載流子調控規(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
