黃百璿 / 工研院材化所
氮化鋁(AlN)是一種擁有獨特物理化學性質的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料，具有寬能隙、高熱導率、優良介電性和優異機械性能等特點。AlN在高功率、高頻率和高溫電子器件與光電子器件領域展現出無可比擬的優勢，成為新型器件的理想材料。本文將探討目前主流的氮化鋁長晶技術及其產業現況、技術的要求及優缺點，透過比較各種長晶技術，可發展較有經濟效應的製備方法。在應用方面，高質量單晶AlN基板可被廣泛應用於射頻器件、功率電子、MEMS元件等領域。此外，AlN在光電探測、陰極發光、光子積體電路等光電領域也具有巨大潛力。雖尚處於研發階段，但隨著長晶技術創新和應用領域拓展，AlN材料的市場前景廣闊。
【內文精選】
氮化鋁材料簡介
氮化鋁(AlN)是一種擁有獨特物理化學性質的III-V家族化合物半導體(Compound Semiconductor)材料，於1877年首次合成，是一種陶瓷絕緣體，因具高傳熱能力，使其在微電子學領域大量應用。其共價鍵相連的六角晶體結構類似硫化鋅和纖維鋅礦，在高溫惰性環境下極為穩定，但在空氣中700˚C以上則會氧化。在室溫下，可觀察到5~10奈米厚的氧化物薄膜，至1,370˚C仍可保護物料。在氫氣和二氧化碳中亦相當穩定，但會受礦物酸和強鹼影響而溶解，然而對抗熔化的鹽類侵蝕能力強。
單晶氮化鋁半導體應用
高頻高功率的半導體設備廣泛應用於電動車、醫療設備、家用電器和通訊設備。最近，對於具有高耐壓、高速度、高溫操作、低功耗和抗輻射等特性的半導體需求日益增長。為了滿足這一需求，碳化矽(SiC)越來越多地被用作替代矽(Si)的基板材料，因為矽的材料性能已達到極限。下一代的基板材料需要具備更高的擊穿電壓，並能在更高頻率下運行。
氮化鋁長晶技術發展
1. 溶液成長法
溶液成長法(Solution Growth Method)因其低反應溫度和環保的原材料，在合成AlN單晶方面受到越來越多的關注。含有鋁源的飽和溶液加熱至高溫，將飽和溶液緩慢降溫，使過飽和的Al於氮氣環境下緩速析出，並於AlN晶核上生長形成單晶，可通過調節溫度梯度、溶液流動等條件來控制晶體生長方向和尺寸(如圖四)。
圖四、溶液成長法長晶示意圖
2. 氫化物氣相磊晶法
氫化物氣相磊晶法(Hydride Vapor Phase Epitaxy; HVPE)是一項廣泛應用於製造化合物半導體材料的技術，如氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等。在這個製程中，通常會利用高溫將氯化氫與III族金屬反應，產生金屬氯化物氣體，接著這些金屬氯化物會與氨氣反應，形成III族氮化物。常見的載體氣體包括氨氣、氫氣以及各種氯化物。氮化鋁III-V族半導體晶體生長過程接近平衡狀態，這意味著凝結反應具有快速動力學：當蒸汽相過飽和度增加時，可以立即觀察到凝結反應。這一特性歸功於使用了氯化物蒸氣前驅物AlCl，這些前驅物的脫氯頻率足夠高，沒有動力學延遲，生長速率範圍廣泛，可根據蒸汽相過飽和度，設定從每小時1到100微米不等的生長速率。HVPE法的優勢在於製程溫度低且厚度均勻性佳，純度高、缺陷低，具較高的透明度(紫外光透明度對AlN光學元件尤其重要)；但缺點是載體具有腐蝕性與毒性，操作需求高，進而導致生產成本極高。
3. 物理氣相傳輸法
物理氣相傳輸法( Physical Vapor Transport; PVT)是一種利用昇華的方式生長化合物半導體材料單晶晶體的方法，由於生長過程中的質傳會受到溫場造成的飽和氣壓差影響，因此長晶溫場控制相當重要。氮化鋁填充於石墨坩堝內，石墨坩堝置於石英管內並通以保護氣氛下，透過感應加熱方式使系統於高溫低壓的狀態，令氮化鋁粉末分解為鋁蒸氣和氮氣(氮化鋁昇華所需的溫度在2,000˚C以上，但溫度在2,430˚C會發生分解)，低溫的晶種可用來營造出和高溫粉末之間的壓力差，鋁蒸氣和氮氣會在晶種表面沉積形成氮化鋁晶體(如圖七)。物理氣相傳輸法具有較高的長晶速率(212 μm/hr)，且生產設備簡單、原料成本較低，故利用物理氣相傳輸法生產氮化鋁晶體較符合經濟效益；缺點是控制參數程序複雜，需精確控制溫度場，工藝要求高，且高溫生長過程中產生的位錯等缺陷難以去除。HexaTech已經開發出獨特的專有工藝技術，以PVT法實現了高度可重複性和可擴展性的AlN單晶生產 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖七、物理氣相傳輸法示意圖
★本文節錄自《工業材料雜誌》452期，更多資料請見下方附檔。