①課題來源與背景
氮化鋁(AlN)屬于第三代寬禁帶半導體材料，具有禁帶寬度高，擊穿電場高，熱導率高，電子飽和速率高以及抗輻射能力高等優點。AlN晶體具有穩定的六方纖鋅礦結構，晶格常數AlN在III-V族不半導體材料中具有最大的直接帶隙，約6.2eV，是重要的藍光和紫外發光材料。其熱導率高，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。并且，沿c軸取向的AlN具有非常好的壓電特性和聲表面波高速傳播性，是優異的聲表面波器件用壓電材料。同時，AlN晶體與氮化鎵晶體有非常接近的晶格常數和熱膨脹系數，是外延生長AlGaN光電器件的優選襯底材料?；贏lN薄膜以上優異的特性，AlN薄膜材料被廣泛用于紫外探測器，高電子遷移率晶體管(HEMT)，紫外發光二極管(LED)。雖然AlN具有諸多的優點，但是AlN材料卻非常難以制備。制備AlN需要高溫設備以及精準的源流量控制系統。目前制備高質量AlN薄膜存在以下難點：(1)因Al原子的遷移速率非常慢，需要高溫設備提升Al原子在襯底表面的遷移速率。一般地，高溫設備的溫度需要超過1200℃；(2)AlN和襯底之間的晶格失配較低，如此會導致AlN薄膜在生長過程中容易產生巨大的內應力，而應力釋放最終會在AlN薄膜表面產生嚴重的裂紋；(3)為了減少或消除表面裂紋，降低厚度是一個方向，但是厚度降低將會使得AlN薄膜的晶體質量惡化，以致無法滿足器件制備的需要；(4)AlN薄膜在生長過程中，隨著厚度的增加還會出現線缺陷和位錯等缺陷；(5)AlN薄膜的高晶體質量和AlN薄膜的完整無裂紋是兩個相互矛盾的技術難題，目前為了獲得高質量AlN薄膜，一定程度上需要犧牲表面特性，而為了獲得優良的表面特性必將導致AlN薄膜的晶體質量下降。
②技術原理及性能指標
本項目提供一種氮化鋁膜的生長方法和應用，該方法既能使得AlN薄膜生長過程中的應力得到很好地釋放，消除AlN薄膜的表面裂紋，同時，可以增加AlN的生長厚度以及降低AlN薄膜生長過程中會出現的位錯和線缺陷，顯著提高AlN薄膜晶體質量，從而有利于提升AlN薄膜材料上制備器件的性能。通過引入納米級柱體凹陷，使得AlN薄膜在生長過程中產生的巨大內應力得到釋放，從而抑制了AlN薄膜表面裂紋的產生；使第二氮化鋁層和第三氮化鋁生長過程中出現的線缺陷和位錯等缺陷在納米級柱體凹陷區域得到極大地湮滅，從而可以獲得低缺陷濃度，高晶體質量的AlN薄膜；通過蝕刻得到的納米級柱體缺陷易形成光子晶體，對后續的AlN薄膜上的器件加工起到積極的正向作用；生成的AlN薄膜不僅無裂紋，且具有高的晶體質量，因此能夠極大改善AlN薄膜上器件的性能。
③技術的創造性與先進性
本項目通過提供一種氮化鋁膜的生長方法和應用，生長方法包括以下步驟：1)通入三甲基鋁和氨氣，在襯底上生成第一氮化鋁層；2)對第一氮化鋁層進行納米級柱體蝕刻處理，得到柱體凹陷氮化鋁層，所述柱體凹陷氮化鋁層中具有多個納米級柱體凹陷；3)控制反應室的溫度和壓力，通入三甲基鋁和氨氣，在柱體凹陷氮化鋁層上生成第二氮化鋁層；4)控制反應室的溫度和壓力，通入三甲基鋁和氨氣，在第二氮化鋁層上生成第三氮化鋁層；其中，步驟3)中氨氣和三甲基鋁的摩爾流量比小于步驟4)中氨氣和三甲基鋁的摩爾流量比；氮化鋁膜為第一氮化鋁層、第二氮化鋁層和第三氮化鋁層的集合。本發明能夠顯著提高AlN薄膜晶體質量。
④技術的成熟程度，適用范圍和安全性
本項目技術成熟可靠，可適用于紫光LED外延片生長制造工藝工序中，技術指標及產業化經濟指標均符合項目要求，提升AlN薄膜晶體質量，從而提高產品良率。
⑤應用情況及存在的問題
本項目已成熟應用于生產線產業化生產，已實現產品銷售，客戶應用狀況良好，未反饋存在其他異常問題。