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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