賀廣東，王琦琨，雷 丹，龔建超，黃嘉麗，付丹揚，吳 亮

(上海大學材料科學與工程學院，省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海市鋼鐵冶金新技術開發(fā)應用重點實驗室，上海 200044)

1 引 言

氮化鋁(AlN)作為第三代半導體的典型材料之一，近年來因其具有寬帶隙(6.2 eV)、高熔點(3800 K)、高熱導率(340 W·m-1·K-1)、高臨界擊穿場強(1.2～1.4 MV·cm-1)、高飽和載流子漂移速度等優(yōu)點，在紫外、深紫外(UV/deep-UV)光電器件產(chǎn)業(yè)有著廣泛的應用前景[1-2]。相比現(xiàn)在常用的碳化硅(SiC)、藍寶石等異質襯底，AlN與現(xiàn)在廣泛應用的氮化物半導體(GaN、InN)及其固溶體AlGaN、InGaN等晶格失配率很小，是其外延生長最理想的襯底材料，能夠極大地提高外延晶體質量和所制器件的性能。

自從1976年Slack和McNelly首次采用PVT法進行生長AlN晶體以來[3]，眾多研究機構在此領域進行了不懈的努力[4-6]。但是，由于AlN單晶生長溫度高、生長窗口狹窄及對設備要求非?？量?，生長大尺寸、高質量的英寸級AlN單晶近幾十年來進展非常緩慢，也進一步限制了其商業(yè)應用。

本文實驗以自發(fā)形核新工藝[7]制備的6 mm×7 mm自支撐高質量AlN單晶作為籽晶，采用PVT法開展了同質外延生長實驗。經(jīng)過4次迭代，最終成功生長出1英寸高質量的AlN單晶錠。生長出的單晶錠經(jīng)過切片、研磨和拋光工藝制備出多片1英寸單晶拋光片。通過拉曼光譜儀、高分辨率X射線衍射儀來評估籽晶片、外延生長晶片的殘余應力情況及結晶質量；經(jīng)過熔融的KOH/NaOH腐蝕各晶片后，采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對腐蝕表面進行觀察并統(tǒng)計位錯密度；通過光度分光計對晶片的紫外透光率進行檢測；最后對比與分析了籽晶片與同質外延晶片的各項性能數(shù)據(jù)并給出了相應結論。

2 實 驗

本實驗采用的自主設計的電阻式加熱物理氣相沉積爐(或稱PVT晶體生長爐)，主要由雙電阻加熱器、多層鎢隔熱屏和3英寸鎢坩堝等組成。通過FEMAG晶體生長模擬仿真軟件對PVT全局熱場進行模擬仿真優(yōu)化設計[8]，同時采用自主開發(fā)的傳質、三維各項異性應力場模塊來計算優(yōu)化AlN晶體生長條件[9]。

3 結果與討論

3.1 拉曼光譜分析

拉曼光譜檢測中E2(high)通常作為反應晶體結晶質量的重要指標[10]。本文分別對自發(fā)生長的籽晶片和同質外延生長的1英寸晶片做了拉曼光譜檢測，檢測結果如圖2所示。對比圖2中數(shù)據(jù)，可以看到籽晶片及同質外延片三種聲子模都具有很高的強度且峰型尖銳。其中，自發(fā)生長的初代籽晶片的E2(high)聲子模位置(657.4 cm-1)非常接近標準無應力位置(657.5 cm-1)，說明該籽晶內幾乎不存在殘余應力。而1 inch同質外延生長的晶片E2(high)聲子模(653.5 cm-1)對比與籽晶片發(fā)生紅移，體現(xiàn)為拉應力。對比E2(high)的半高寬(FWHM)，晶片經(jīng)4輪同質外延迭代生長后由6.35 cm-1降低至2.86 cm-1，且低于所有已知文獻報道的AlN單晶的最好水平3 cm-1[11]，表明晶體內部沒有其余夾雜物，其生長方向上仍保持高結晶水平。

3.2 XRD搖擺曲線分析

本文分別對籽晶片和1英寸同質外延晶片的(002)面進行了XRD搖擺曲線測試，測試結果如圖3所示。測試結果表明，籽晶片和外延片在搖擺曲線上都體現(xiàn)為尖銳峰，但晶片經(jīng)4輪同質外延迭代生長后，XRD的FWHM從籽晶片的133 arcsec增大至241 arcsec，且搖擺曲線峰型存在一定的不對稱性，表明晶體內存在殘余應力，結晶質量降低。這可能是由于同質外延生長過程處于非平衡態(tài)下，導致缺陷的產(chǎn)生與增殖，如基底位錯的增殖及少量小角度晶界的生成等。晶體中相應的微觀應變使晶面產(chǎn)生輕微扭曲，XRD衍射峰在ω掃描模式下發(fā)生展寬，最終導致峰型不對稱，但經(jīng)過我們對生長環(huán)境的控制與熱場優(yōu)化，晶體在徑向尺寸擴大的同時總體仍能保持相對較高的晶體質量。

圖3 AlN籽晶和1英寸AlN晶片(002)面的XRD搖擺曲線Fig.3 (002) X-ray rocking curves of the AlN seed and obtained 1 inch AlN wafer

3.3 SEM分析

AlN晶體在常態(tài)下為六方纖鋅礦結構，因此根據(jù)Al原子和N原子占據(jù)雙原子層頂部位置的不同，AlN晶體(001)面可分為Al極性面和N極性面。經(jīng)過濕法化學腐蝕后，Al極性面會出現(xiàn)六方腐蝕坑，N極性面則為六方腐蝕丘[12]。本文對籽晶片和1英寸晶片進行濕法化學腐蝕后采用SEM進行了表征分析(如圖4所示)。籽晶片和1英寸晶片的Al極性面在腐蝕后可以看到清晰的六方腐蝕坑形貌，可以側面佐證其切割面與晶體c面偏差很小。在所拍攝的SEM圖像中可以看到，籽晶片及1英寸晶片腐蝕坑數(shù)量從0到上百個數(shù)量不等。經(jīng)統(tǒng)計，圖4(a)中籽晶片中的平均腐蝕坑密度(EPD)為4.4×104cm-2，而(b)中1英寸晶片的平均EPD為2.3×105cm-2。上述結果表明，同質外延生長晶體過程中位錯密度數(shù)量級增大約5倍，這是由于生長過程中非平衡態(tài)下的熱場環(huán)境使晶體內產(chǎn)生較大熱應力[8,13]，從而導致基底位錯、穿型位錯(繼承自籽晶片)等各種缺陷的產(chǎn)生與增殖。

圖4 AlN籽晶和1英寸AlN晶片腐蝕后的SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM images of the AlN seed (a) and 1 inch AlN wafer (b) after etching

3.4 光度分光計分析

圖5 1英寸AlN晶片3個不同區(qū)域的光學吸收光譜Fig.5 Absorption spectra of three different locations of a 1 inch AlN wafer

AlN晶體良好的紫外透光性是制作紫外光電器件最關鍵的技術要求之一。對1英寸AlN晶片三個不同區(qū)域(圖1b)進行200～1000 nm波段的光學吸收光譜測試，測試結果如圖5所示。其中3個沿徑向不同區(qū)域測定的吸收系數(shù)曲線基本相近，說明整片外延晶片的光學透光性較為一致。其中，晶片邊緣區(qū)域(loca.3)吸收系數(shù)略高于其它區(qū)域，這可能與晶片中徑向雜質含量的變化有關。在深紫外波長范圍內(265～280 nm)，1英寸晶片吸收系數(shù)在19～21.5 cm-1之間，基本接近所有已知文獻報道的AlN晶片紫外吸收系數(shù)最好水平(14～21 cm-1)[14]，說明該同質外延晶片的紫外透光性十分優(yōu)秀，有利于制備出高效率深紫外光電器件。

4 結 論

本文以自發(fā)生長的6 mm×7 mm高質量AlN晶片做籽晶，通過PVT法開展了同質外延迭代生長實驗，成功制備出直徑1英寸AlN單晶錠，并對生長前后的AlN單晶性能做了表征對比分析。研究表明：基于高質量AlN籽晶，采用同質外延工藝生長后的晶體質量仍保持較高水平，經(jīng)過檢測表明拉曼光譜E2(high)半高寬僅2.86 cm-1，(002)面XRD搖擺曲線半高寬分別為241 arcsec；由于同質外延生長過程處于非平衡態(tài)下，導致缺陷的產(chǎn)生與增殖，其平均EPD較籽晶增加約5倍至2.3×105cm-2；晶片透光性十分優(yōu)異，深紫外265～280 nm波段范圍吸收系數(shù)小于22 cm-1。