2026年6月17日，日本东北大学（Tohoku University）研发团队针对铝蒸气的直接氮化法，设计了一种创新方法，能够在热力学平衡点附近控制反应驱动力，通过抑制过度的成核过程，成功生长出了高质量的针状氮化铝（AlN）单晶——其长度可达数厘米，直径可达300 µm。利用所得晶体作为籽晶，结合溶液生长法，实现了高达175 µm/h 的横向外延生长（即增加晶体直径），同时保持了高结晶质量；这为将其作为下一代超宽禁带半导体的衬底材料进行实际应用铺平了道路。
图1. 采用溶液生长法在针状AlN籽晶上进行外延生长后的SEM图像
（生长温度：1948–1923 K；冷却速率：（a）0.05 K/min，（b）0.1 K/min，（c）0.2 K/min）
氮化铝（AlN）因其优异的热导率、高化学稳定性以及约6.2 eV的超宽禁带，被视为深紫外LED、高功率器件等领域的极具前景的衬底材料。然而，传统的直接氮化法通常在强驱动力条件下进行，导致反应剧烈，存在仅能得到多晶粉末的难题。
由东北大学多元物质科学研究所（IMRAM）的Sen Li（李森）助理教授、Chiaki Amei（飴井千晃）研究生、Masayoshi Adachi（安达正芳）副教授、Makoto Otsuka（大塚诚）副教授及Hiroyuki Fukuyama（福山博之）教授组成的研究团队，基于热力学计算，在铝蒸气直接氮化工艺中，通过严格控制合金组成、氮分压和反应温度，开发出一种将反应驱动力维持在热力学平衡附近（近平衡状态）的新型AlN晶体生长方法。
在研究中，团队通过将驱动力控制在较低水平，并抑制氮气与来自Fe-Al合金熔体的铝蒸气反应过程中的过度成核，成功获得了长度达数厘米的高质量针状AlN单晶。此外，利用所得晶体作为籽晶，并采用Fe-Cr助熔剂溶液生长法，在不降低晶体质量的前提下，实现了高达175 µm/h 的横向外延生长（大口径化）。这一成果为能够利用廉价的铝原材料直接生产高质量的氮化铝（AlN）块状单晶衬底的一种新型制造工艺奠定了技术基础，有望显著加速下一代半导体器件的广泛应用。
该研究成果《Near-equilibrium thermodynamic control of AlN nucleation and crystal growth via direct nitridation of aluminum》于2026年6月8日在国际材料科学期刊《Materials & Design》上在线发表。
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