面向高性能、低成本UVC-LED外延的超薄氮化铝单晶复合衬底

氮化铝(AlN)单晶材料因其超宽直接带隙(~6.2 eV)特性，成为高铝组分AlGaN基深紫外LED（UVC-LED）外延生长的理想衬底/缓冲层材料。然而，AlN固有的高结晶温度特性使得晶圆级单晶块体材料的制备极具挑战性。

尽管高温热退火技术的突破显著提升了蓝宝石衬底上AlN单晶薄膜的结晶质量，但由于AlN薄膜与蓝宝石之间存在显著的热膨胀系数失配，重结晶后的AlN薄膜通常存在较强的残余压应变，这严重影响了后续AlGaN外延层的高质量生长，从而限制了其在UVC-LED器件中的应用。此外，虽然金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术可直接在蓝宝石衬底上外延生长应变状态适宜的AlN单晶薄膜，但蓝宝石与AlN之间固有的晶格/热失配导致所需缓冲层厚度高达3~4 μm，大幅增加了UVC-LED的外延成本。因此，开发低成本且具有适宜应变状态的AlN单晶复合衬底，是实现高性能、低成本UVC-LED外延生长的关键材料基础。

️图1 超薄AlN单晶复合衬底(a)原子力显微镜表面形貌图和(b)截面高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图；(c)利用超薄AlN单晶复合衬底实现UVC-LED全结构示意图；(d) 2~6英寸超薄AlN单晶复合衬底的晶圆展示图。

️图2 基于超薄AlN单晶复合衬底的UVC-LED外延片(a)截面HAADF-STEM图和(b)晶圆光致发光波长分布图；基于超薄AlN单晶复合衬底的UVC-LED芯片的(c)光学显微镜图像、(d)不同工作电流下的电致发光谱、(e)电压-电流曲线和输出功率-电流曲线。

依托在AlN单晶复合衬底与UVC-LED外延领域的技术积累，北京大学王新强团队联合松山湖材料实验室第三代半导体团队，采用蓝宝石表面预处理与高温热退火相结合的方法，制备出2~6英寸、表面原子级平整（RMS ≤ 0.2 nm）的AlN单晶复合衬底。研究结果表明，当AlN单晶区域厚度降至50 nm时，其表面仍保持无裂纹状态，并呈现张应变特性，完全满足UVC-LED外延生长要求。该新型衬底的应用显著降低了UVC-LED外延成本，将传统外延结构中3~4 μm厚的AlN缓冲层厚度成功缩减至150 nm。值得注意的是，在常规UVC-LED外延工艺中，AlN缓冲层的制备成本通常占整体外延成本近50%。因此，这一技术突破实现了UVC-LED外延成本的大幅降低，为产业化应用提供了重要解决方案。相关结果发表于领域内知名期刊《Advanced Functional Materials》。

上述工作是北京大学与松山湖材料实验室第三代半导体团队继前期在大尺寸AlN单晶复合衬底制备 [J. Semicond., 42, 122804 (2021)]，以及在UVC-LED [Adv. Funct. Mater. 32, 2112111 (2022); Adv. Funct. Mater. 31, 2008452 (2021)]、高性能MEMS器件 [Appl. Phys. Lett. 123, 252105 (2023)]、高耐压HEMT功率器件 [IEEE Trans. Electron Dev. 71, 6609 (2024)；J. Semicond., 46, 032501 (2025)]等应用方面取得系列成果之后的又一重要突破。

DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.202503580

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