广东省科学院半导体所科研员提出抑制超宽禁带半导体材料AlN位错的新方法
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超宽禁带半导体材料氮化铝（AlN）具有超高击穿场强、高饱和电子漂移速度、高热导率、高表面声速、高非线性光学系数等优点，可用于制备大功率电子器件、表面声波滤波器、激光器、紫外探测器、紫外发光器件，在航天航空、军用抗电子干扰、大功率雷达和导弹预警等方面具有重要战略价值，同时在5G通讯、功率开关、杀菌消毒、新能源等国民经济领域发挥重要作用。现阶段，在大尺寸、低成本、工艺成熟的蓝宝石衬底上利用MOCVD方法进行异质外延生长是制备AlN材料的主流技术路线。然而，AlN外延层和蓝宝石衬底之间存在严重的晶格失配和热失配，在蓝宝石上外延AlN薄膜会产生高密度的贯穿位错和高强度的应力，严重影响器件性能的提升。
针对以上问题，广东省科学院半导体研究所先进材料平台基于低温成核＋高温生长的“两步生长法”技术路线，利用大斜切角蓝宝石衬底引入“之”字形宏台阶（见插图1(a)），通过宏台阶侧面的镜像力诱导位错倾斜和相互作用（见插图1(b)），在AlN厚度仅为1微米的前提下，将位错密度降至1.4E9 cm-2。此项技术进一步简化了生长方法和降低制备成本，制备出的薄膜AIN位错密度在采用相同技术路线的指标对比中均处于国际前列（见插图1(c)）。该项工作部分结果以“Low-Defect-Density Aluminum Nitride (AlN) Thin Films Realized by Zigzag Macrostep-Induced Dislocation Redirection”为题发表在美国化学学会晶体学权威期刊Crystal Growth * Design。
图1：(a) AlN样品表面的宏台阶形貌；(b) 利用“之”字形宏台阶诱导位错倾斜和相互作用的原理; (c) “两步生长法”位错密度（TDD）的国际指标对比
此前，先进材料平台已利用原位纳米孔洞方法大幅提高位错湮灭和应变弛豫效率，制备出5.6微米厚的低位错密度、无裂纹AlN，该成果先后被半导体领域知名媒体杂志《Semiconductor Today》以“头条新闻”形式报道2次，并作为国家重点研究计划“大失配、强极化第三代半导体材料体系外延生长动力学和载流子调控规律”项目的代表性进展交流汇报。
论文信息如下：
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.
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.cgd.1c00170
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