近年来，由于AlGaN基深紫外(deep-ultraviolet，DUV)器件在水净化、杀菌、高密度光存储、微弱紫外信号检测等领域的应用，对DUV器件的需求越来越多。由于平面内晶格常数和热膨胀系数与高铝含量的AlGaN外延层相近，所以大块AlN是最理想的衬底。然而，迄今为止，市售的AlN衬底由于尺寸小、成本高和DUV吸收的限制，尚未成为实际应用的合适候选。因此，DUV器件的制造仍然极大地依赖于大规模、低成本和DUV透明性的AlN /蓝宝石模板。然而，众所周知的两步异质外延法通常会产生大量的位错(109-1010 cm-2)和裂纹，这是由于AlN和蓝宝石之间大的晶格和热失配以及Al类物质的低表面迁移。材料的这些缺陷会扩展到AlGaN活性区域，进而严重恶化器件性能。
为了解决这些问题，人们提出了各种策略，如微/纳米级外延横向过生长（epitaxial lateral overgrowth，ELOG）、迁移增强外延（migration-enhanced epitaxy，MEE）和高温退火（high temperature annealing，HTA），以及蓝宝石切割和表面预处理以提升晶体质量。然而，目前蓝宝石上生长的氮化铝薄膜的最低螺纹位错密度（threading dislocation density，TDD）仍然在（3-5）×108cm-2的范围内，远远高于蓝宝石（105-107cm-2）上生长的氮化镓薄膜。另外，多步设计的方法和特殊设计的反应堆也是这些技术实际应用的一大障碍。生长模式修正(growth-mode modification，GMM)技术是近年来被广泛应用的一种简单而有效的方法。该技术的本质是通过改变生长模式来增强位错间的相互作用。首先，通过引入三维（3D）生长有意地创建倾斜于（0001）平面的侧面。然后，当生长模式从3D转变为二维（2D）时，三维岛的侧面得到扩展。由图像力驱动，通过合并和形成半环相互作用，位错倾向于向三维岛的侧面倾斜。这样，TDD可以减小到（1～2）×109 cm - 2。通过引入3D生长，拉伸应力也能得到有效的放松。尽管有这些进展，GMM技术仍有很大的改进空间，以满足位错敏感的DUV器件的需要。
广东半导体工业技术研究院和广州大学以及北京大学的研究人员合作，将GMM技术与溅射氮化铝缓冲液相结合，提出一种获得高质量氮化铝薄膜的方法。采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术生长的常规氮化铝缓冲液，制备了氮化铝薄膜。研究发现，在不同氮化铝缓冲层上生长的氮化铝薄膜，其生长模式的演变过程有很大差异。与MOCVD AlN缓冲区相比，溅射AlN缓冲区由更小、更均匀的晶粒组成，具有更好的c轴取向，导致后续生长过程中更好的生长模式改变。因此，溅射AlN缓冲区上生长的AlN薄膜的总TDD显著地降低到4.7×107cm-2的极低值，比MOCVD AlN缓冲区上生长的AlN薄膜的总TDD低81.2％。此外，研究人员详细介绍了生长模式和晶体质量的演化过程以及相应的演化机制。
图1 溅射AlN缓冲液下AlN膜的截面位错分布。
相关研究发表在《Crystal Growth & Design》，2018, 18 (11)：6816–6823, DOI: 10.1021/acs.cgd.8b01045，题目：“High-Quality AlN Film Grown on Sputtered AlN/Sapphire via Growth-Mode Modification”。
