宽禁带III族氮化物半导体，如氮化铝（AlN）、氮化镓（GaN）和氮化铟（InN），在高频、高功率电子和光电子器件中显示出巨大潜力[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。其中，N型III族氮化物因其独特的优势而在电子和光电子器件中受到广泛关注。例如，N型AlGaN/GaN异质结构被认为具有更强的电子限制、更高的背势垒和更低的欧姆接触电阻。因此，可以实现更高的二维电子气（2DEG）密度、降低泄漏电流并改善高频性能[7]、[8]。此外，N型III族氮化物可以与金属极性层集成，实现新型的横向极化器件结构，从而提高多量子阱（MQW）发光结构的量子效率[9]。此外，垂直极性反转结构也被用于实现远紫外二次谐波生成（SHG）以进行波长转换[10]。这些优势推动了人们对下一代电子和光电子平台用高质量N型氮化物薄膜开发的浓厚兴趣。
尽管具有这些优势，但制备高质量的N型氮化物薄膜仍然是一个重大挑战。与Ga极性或Al极性表面相比，N极性表面的原子迁移率较低，这容易导致三维（3D）岛屿生长和六角形丘状结构的形成，从而增加表面粗糙度和晶体缺陷密度[11]、[12]。此外，极性控制也非常困难。在生长过程中可能会出现意外的极性反转区域，导致极性不均匀性和额外的结构缺陷[13]、[14]、[15]。
六方碳化硅（H-SiC）被认为是外延生长AlN最有前途的衬底之一，因为它与纤锌矿结构的AlN具有极佳的晶格兼容性（失配度约为1%），远低于蓝宝石或硅衬底[16]、[17]。此外，SiC具有出色的热导率（约490 W·m−1·K−1），远高于蓝宝石（约40 W·m−1·K−1），这有助于提高基于氮化物的功率器件的散热性能[18]、[19]、[20]。在SiC上生长的AlN薄膜广泛用作GaN基高电子迁移率晶体管（HEMTs）的缓冲层，从而改善界面质量并抑制泄漏电流[21]、[22]。人们还在探索使用AlGaN作为通道材料的超宽禁带HEMT器件，以进一步利用其超高压击穿场的潜力[23]、[24]、[25]。
然而，在SiC衬底上实现N型AlN薄膜引入了额外的复杂性。SiC的表面终止类型（C面或Si面）对最终极性的确定起着关键作用。虽然N型AlN在C面4H-SiC上更容易获得，但仍需要严格控制生长条件以防止极性反转[18]、[26]。例如，Zhang等人通过调节铝的热力学过饱和度并使用非切割衬底来促进台阶流生长，从而抑制了极性反转[26]。Niu等人在生长过程中通过控制V/III前体比例，在SiC上实现了外延N型AlN[18]。迄今为止，大多数高质量的N型AlN是通过分子束外延（MBE）或金属-有机化学气相沉积（MOCVD）在SiC上实现的。Okumura等人报告了在4H-SiC上通过MBE生长的N型AlN，其（0002）和（10–12）X射线摇摆曲线的FWHM值分别为120弧秒和210弧秒，表面粗糙度为0.6纳米[12]。然而，这些技术成本高昂且需要精细的过程控制，限制了其可扩展性。
我们的研究小组之前提出了一种结合溅射沉积和面对面退火（FFA Sp）的方法，以较低的成本获得高质量的Al极性AlN薄膜[27]、[28]。最近，通过更换溅射靶材，我们将这种方法扩展到在c面蓝宝石衬底上成功制备出高质量的N型AlN薄膜[29]、[30]。此外，通过将极性控制技术与多次溅射和FFA过程相结合，我们成功制备了双层和四层极性反转的AlN结构[30]、[31]。简而言之，通过在退火前调节溅射AlN中的氧浓度以及AlN表面的氧浓度，可以切换随后生长的AlN层的极性，使其在N极性和Al极性之间切换。
在这项研究中，我们将FFA-Sp技术应用于4H-SiC衬底，实现了原子级平滑且晶体质量高的N型AlN薄膜的生长。通过化学蚀刻确认了N极性。原子力显微镜（AFM）显示表面原子级平滑，均方根粗糙度（RMS）仅为0.15纳米。高分辨率X射线衍射（HRXRD）测量显示（0002）和（10–12）衍射峰的X射线摇摆曲线（XRC）的FWHM值分别为89弧秒和238弧秒，对应的threading dislocation density（TDD）为6.5 × 108 cm−2。这些结果扩展了FFA Sp和极性反转技术在N型AlN材料制备中的应用范围，并为高性能N型III族氮化物器件应用提供了新的材料平台。
