AlN单晶具有超宽的直接带隙、高击穿场强、优异的压电特性和非线性光学性质，特别是与AlN与GaN晶格失配小，热膨胀系数接近，热导显著高于GaN，使其成为实现高质量氮化物同质外延生长、满足高功率密度器件散热需求最优选的衬底材料，在紫外光电器件、微波毫米波器件、功率电子器件、高频滤波波器、非线性光学器件等领域具有的重要应用。然而，2英寸的单晶衬底尚未实现产业化，大尺寸AlN单晶制备困难是制约AlN应用的关键问题。
近日，第七届国际第三代半导体论坛暨第十八届中国国际半导体照明论坛（IFWS & SSLCHINA 2021）在深圳会展中心举行。期间，“氮化物半导体衬底与外延技术“分论坛上，北京大学物理学院教授于彤军做了题为“大尺寸AlN单晶的同质PVT生长研究”的主题报告，结合具体的数据和结果，详细分享了同质PVT中的蔓延生长过程、 PVT生长源粉的氧杂质控制、2英寸AlN单晶的研究进展等内容。
相比于自发行核、扩径PVT生长的AlN衬底技术，AlN籽晶上同质PVT生长具有容易获得大尺寸晶体、生长效率高、成本较低的优势。为了探索大尺寸AlN单晶的同质PVT生长技术路线，研究开展了AlN籽晶上PVT生长研究，实施了设备热场的优化设计和控制，获得了生长速率、生长温度、总压强等因素对表面形貌和晶体质量影响规律；在此基础上，结合有效的Al原子输运控制方法，实现了直径超过60mm的AlN晶体，并加工出了直径为55mm的AlN单晶衬底晶片；研究还进行了源粉AlN颗粒烧结过程的研究，实施了比表面积控制的源粉处理工艺，大幅减少了氧杂质对生长过程影响，晶片中氧杂质含量低达1.5×1017cm-3。研究表明，基于AlN籽晶的同质PVT生长是实现2英寸及以上大尺寸AlN单晶衬底可行的技术，具有良好的产业化前景。
报告指出，基于AlN籽晶的同质生长过程，呈现柱状晶生长的三维过程的特点，通过蔓延生长方式，可以实现晶体形貌和质量的优化；通过源粉的颗粒比表面积降低，可以有效减少源粉氧杂质的吸附，进而降低AlN晶体中的氧杂质影响，实现高质量的AlN单晶衬底；同质PVT生长的技术路线，可以成功制备2英寸AlN单晶衬底，是大尺寸AlN晶体制备可行的方案。
于彤军，1999年至2001年在日本邮政省通讯放送机构仙台研究中心任特聘研究员，现为北京大学物理学院教授，博士生导师。长期从事GaN基宽禁带半导体发光材料、物理和器件研究，在氮化物纳米异质外延生长机理研究、缺陷和应力控制、AlGaN深紫外发光偏振光学特性的机理和光场调控方面取得一系列成果。2016年起开展AlN单晶PVT设备建设和晶体生长研究，实现了PVT法2英寸AlN晶体生长。共发表SCI收录论文120 余篇，获得/申请国家发明专利 30 余件，曾获教育部科技进步二等奖和北京市科学技术三等奖。
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