氮化铝（AlN）单晶衬底作为第四代半导体材料，凭借其独特的物理化学性质和优异性能，有望成为AI产业的关键推动力量。AlN 具备高达6.2eV的禁带宽度、高击穿场强、高化学和热稳定性，以及高导热和抗辐射等特性，高质量的 AlN 单晶基板可广泛应用于射频器件、功率电子、MEMS 元件等领域，能够有效提升设备的稳定性和性能。此外，AlN在光电探测、阴极发光、光子集成电路等光电领域也具有巨大潜力。

氮化铝单晶（来源：HexaTech）

尽管 AlN 单晶材料目前多数处于研发阶段，但其未来发展潜力巨大，市场对高性能材料的需求也在不断推动技术进步。随着长晶技术的持续创新，AlN 单晶材料的制备工艺不断优化，AlN单晶的市场前景广阔，有望成为下一代高端电子器件的核心材料。因此，深入了解 AlN 单晶的生产工艺、应用前景及市场发展动态，不仅有助于把握前沿科技脉搏，也为相关领域的产业布局提供了宝贵的参考。

第四代半导体的性能优势及前景

相比第一至三代半导体，第四代半导体最直观的优势体现在超宽的带隙（Eg）与大击穿场强（Eb）上，因而能够承受更高电压与功率所带来的挑战。下表中横向对比了典型第四代半导体与传统半导体（Si、GaN）的物理特性。

并且，诸如巴利加优值（BFOM）、约翰逊优值（TFOM）等衡量功率电子、射频电子器件综合性能的指标多以线性甚至高次非线性的方式随Eg单调递增，因此第四代半导体呈现出了压倒性的优势，非常适合制造大功率电力电子器件。与此同时，JFOM与击穿场强基本成正比，该参数越大表明射频功放器件的截止频率与功率输出越高，这也说明第四代半导体更加适合于制造高性能射频电子器件。

不过除了上述特性，第四代半导体在载流子迁移率、饱和电子速度、相对介电常数、热导率等其他方面的物理性质则没有特别的优势。综合考虑当前的主流应用场景与生产成本，第四代半导体短期内仍无法取代第三代半导体。

AlN单晶的产业现状

目前，新一代宽禁带半导体材料中，SiC和GaN已经进入商业化生产阶段。其中，中国已有超过10家企业实现8英寸SiC衬底的小批量生产。在GaN单晶扩径方面，国内外多家机构取得了重要突破，例如丰田合成和大阪大学等，已成功制备出高质量的6英寸GaN衬底，并开发了用于8英寸晶体生长的设备。

AlN单晶衬底生产流程（来源：HexaTech）

与近年SiC、GaN晶体的快速发展相比，AlN单晶生长技术进展相对缓慢，且由于生长成本高，导致 AlN 衬底器件在商业化应用上受到了极大地限制。目前，全球有能力生长出AlN单晶的企业/研发机构极其有限，相关进展大致如下：

• 旭化成旗下公司Crystal IS宣布成功生产出直径为4英寸（100毫米）的单晶氮化铝（AlN）基板，2024 年下半年开始向日本和海外的半导体器件制造商提供衬底样品

• 奥趋光电成功制备出高质量3英寸氮化铝单晶晶体及3英寸衬底样片

• HexaTech能制备出高质量2英寸AlN单晶衬底，全系列的深紫外透明衬底产品都有标准的交货时间

氮化铝单晶衬底（来源：旭化成旗下公司Crystal IS）

奥趋光电制备的3英寸AlN单晶衬底样片（来源：奥趋光电）

HexaTech的氮化铝衬底（来源：HexaTech）

AlN长晶技术发展

晶体的人工合成制备就是控制物质在一定的热力学条件（温度、压力等）下 进行平衡或非平衡相变的过程，使物质从液相或者气相转变为固相（即晶体）。下图是AlN晶体的生长相图。

AlN晶体的生长相图

前面也提到，AlN 晶体生长成本高且尺寸较小，极大限制了 AlN 衬底在商业化应用中的发展。接下来将探讨当前主流的氮化铝晶体生长技术及其产业现状，分析各技术的要求、优缺点，并通过比较不同的长晶方法，寻求更具经济效益的制备途径。

1.溶液成长法

溶液成长法（Solution Growth Method）因其低反应温度和环保的原材料，在合成AlN单晶方面受到越来越多的关注。含有铝源的饱和溶液加热至高温，将饱和溶液缓慢降温，使过饱和的Al于氮气环境下缓速析出，并于AlN晶核上生长形成单晶，可通过调节温度梯度、溶液流动等条件来控制晶体生长方向和尺寸。

溶液生长法示意图以及生长后的 AlN 晶体的顶视图光学照片和 SEM 图像（来源：）

2.氢化物气相外延法

氢化物气相外延法（Hydride Vapor Phase Epitaxy;HVPE）是一项广泛应用于制造化合物半导体材料的技术，如氮化镓（GaN）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等。在这个制程中，通常会利用高温将氯化氢与III族金属反应，产生金属氯化物气体，接着这些金属氯化物会与氨气反应，形成III族氮化物。常见的载体气体包括氨气、氢气以及各种氯化物。

采用HVPE法在直径2英寸的AlN单晶基板上进行AlN同质外延生长

氮化铝III-V族半导体晶体生长过程接近平衡状态，这意味着凝结反应具有快速动力学：当蒸汽相过饱和度增加时，可以立即观察到凝结反应。这一特性归功于使用了氯化物蒸气前驱物AlCl，这些前驱物的脱氯频率足够高，没有动力学延迟，生长速率范围广泛，可根据蒸汽相过饱和度，设定从每小时1到100微米不等的生长速率。HVPE法的优势在于制程温度低且厚度均匀性佳，纯度高、缺陷低，具较高的透明度（紫外光透明度对AlN光学元件尤其重要）；但缺点是载体具有腐蚀性与毒性，操作需求高，进而导致生产成本极高。

3.物理气相传输法

物理气相传输法（Physical Vapor Transport;PVT）是一种利用升华的方式生长化合物半导体材料单晶晶体的方法，由于生长过程中的质传会受到温场造成的饱和气压差影响，因此长晶温场控制相当重要。氮化铝填充于石墨坩埚内，石墨坩埚置于石英管内并通以保护气氛下，透过感应加热方式使系统于高温低压的状态，令氮化铝粉末分解为铝蒸气和氮气（氮化铝升华所需的温度在2,000˚C以上，但温度在2,430˚C会发生分解），低温的晶种可用来营造出和高温粉末之间的压力差，铝蒸气和氮气会在晶种表面沉积形成氮化铝晶体。

PVT 法生长 AlN 晶体生长原理示意图

物理气相传输法具有较高的长晶速率（212μm/hr），且生产设备简单、原料成本较低，故利用物理气相传输法生产氮化铝晶体较符合经济效益；缺点是控制参数程序复杂，需精确控制温度场，工艺要求高，且高温生长过程中产生的位错等缺陷难以去除。目前，物理气相传输法被认为是制备AlN单晶衬底的理想方法。

结语

氮化铝单晶的发展虽然面临着技术与成本上的挑战，但其卓越的材料特性决定了它在未来高端电子和光电子器件中的重要地位。随着技术的不断突破，AlN有望在未来的市场中占据一席之地，成为推动AI产业和高端制造业的重要材料。持续关注长晶技术的进步和市场动态，将为相关产业提供新的机遇与方向。

资料来源：

[1]王闯.氮化铝单晶生长和缺陷研究[D].中国科学技术大学,2023.DOI:10.27517/d.cnki.gzkju.2023.000305.

[2]朱亚军,王国栋,俞瑞仙,等.物理气相传输法SiC衬底上生长AlN单晶的研究进展[J].硅酸盐学报,2023,51(06):1439-1449.DOI:10.14062/j.issn.0454-5648.20220704.

[3]Li, S., Adachi, M., Ohtsuka, M., & Fukuyama, H. (2024). Development of a new solution growth method for AlN single crystals using type 430 ferritic stainless steel flux. Crystal Growth & Design, 24(13), 5549-5558.

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