氮化鎵工藝發(fā)展現(xiàn)狀

　　氮化鎵是當(dāng)前發(fā)展最成款的競(jìng)禁帶半導(dǎo)體材料，世界各國對(duì)氮化鎵的研究重視，美歐日等不僅從國家層面上制定了相應(yīng)的研究規(guī)劃。氮化鎵因具有很大的硬度而成為一種重要的磨料，但其應(yīng)用范圍卻超過一般的磨料。例如，它所具有的耐高溫性、導(dǎo)熱性而成為隧道窯或梭式窯的首選窯具材料之一，它所具有的導(dǎo)電性使其成為一種重要的電加熱元件等，除此之外，氮化鎵材料還可應(yīng)用于功能倒、火材料、冶金原料等應(yīng)用領(lǐng)域，氮化鎵器件的發(fā)展難題不是設(shè)計(jì)難題，而是實(shí)現(xiàn)芯片結(jié)構(gòu)的制作工藝，如氮化鎵晶片的微管我陷密度、外延工藝效率低、撥雜工藝的特殊要求 直湊材料的溫等，碳化建生產(chǎn)的另一個(gè)問題是環(huán)保，由于氮化鎵在治煉過程中會(huì)產(chǎn)生一氧化碳、二氧化硫等有害氣體，同時(shí)粉塵顆粒如果處理不當(dāng)，污染非常嚴(yán)重，氮化稼是研制微電子器件、光電子器件的新型半導(dǎo)體材料，在光電子、激光器、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用方面有著廣的前景，氮化材料的發(fā)展難題有三個(gè)，一是如何獲得高質(zhì)量、大天寸的Ga籽晶，因?yàn)橹苯硬捎脧?fù)熱方法培育一個(gè)兩英寸的好晶需要幾年時(shí)間，二是對(duì)于氮化家材料，長期以來由于襯底單晶沒有解決，異質(zhì)外延缺陷密度相當(dāng)高，因?yàn)榈@極性大大，難以通過高樓雜來獲得較好的金·半導(dǎo)體的歐姆接觸，工藝制造較復(fù)雜;三是氨化家產(chǎn)業(yè)鏈尚未完全形成。

　　GaN材料及其制備工藝

　　在理論上，GaN 材料的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度（約3×106V/cm）與SiC 材料接近，但受半導(dǎo)體工藝、材料晶格失配等因素影響，GaN 器件的電壓耐受能力通常在1000V 左右，安全使用電壓通常在650V 以下。隨著各項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)的攻克和先進(jìn)工藝的開發(fā)，GaN 必將作為新一代高效電源器件的制備材料。

　　（一）GaN 材料結(jié)構(gòu)及特性

　　GaN 是Ⅲ-V 族直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體，室溫下纖鋅礦結(jié)構(gòu)的禁帶寬度為3.26eV。GaN 有3 種晶體結(jié)構(gòu)形式，分別為纖鋅礦結(jié)構(gòu)、閃鋅礦結(jié)構(gòu)和巖鹽礦（Rocksalt）結(jié)構(gòu)。其中，纖鋅礦結(jié)構(gòu)是Ⅲ族氮化物中最穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，閃鋅礦結(jié)構(gòu)以亞穩(wěn)相形式存在，而巖鹽礦結(jié)構(gòu)是在高壓條件下產(chǎn)生的。纖鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN 材料具有其他半導(dǎo)體所不具備的優(yōu)異物理性能，如耐化學(xué)穩(wěn)定性、超強(qiáng)硬度、超高熔點(diǎn)等，所以，GaN 基半導(dǎo)體器件具有優(yōu)異的耐壓、耐熱、耐腐蝕特性。圖4 為GaN 的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)和GaN 單晶。

　　（二）GaN 晶體的制備

　　GaN 的共價(jià)鍵鍵能較大（E=876.9kJ/mol），在2500℃熔點(diǎn)下，分解壓大約為4.5GPa， 當(dāng)分解壓低于4.5GPa 時(shí)，GaN 不熔化直接分解。所以一些典型的平衡方法（如提拉法和布里奇曼定向凝固法等），不再適用于GaN 單晶的生長。

　　目前，只能采用一些特殊的方法來制備單晶，主要包括升華法、高溫高壓法、熔融結(jié)晶法和氫化物氣相外延法。其中，前3 種方法對(duì)設(shè)備和工藝都有嚴(yán)格要求，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的單晶生產(chǎn)，不能滿足商業(yè)化的要求，而氫化物氣相外延（Hydride Vapor-phaseEpitaxy，HVPE）方法是目前研究的主流。

　　大多數(shù)可以商業(yè)化方式提供GaN 的均勻襯底都是通過這種方法生產(chǎn)的。該技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、發(fā)展速度快等優(yōu)點(diǎn)。利用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀（metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）技術(shù)可以生長出均勻、大尺寸的厚膜作為襯底。目前，該技術(shù)已經(jīng)成為制備外延厚膜最有效的方法，并且生長的厚膜可以通過拋光或激光剝離襯底，作為同質(zhì)外延生長器件結(jié)構(gòu)的襯底。

　　氫化物氣相外延層的位錯(cuò)密度隨外延層厚度的增加而減小，因此，只要外延層的厚度達(dá)到一定值，就可以提高晶體質(zhì)量。通過HVPE 和空隙輔助分離法（Void-assisted Separation，VAS）可以制備具有高晶體質(zhì)量和良好再現(xiàn)性的大直徑獨(dú)立GaN 晶片，如圖5所示。采用表面覆蓋氮化鈦（TiN ）納米網(wǎng)的多孔GaN 模板，通過HVPE 生長了厚GaN 層，在 HVPE 生長過程中，這種生長技術(shù)在 GaN層和模板之間產(chǎn)生了許多小空隙，當(dāng)GaN層在生長以后容易與模板分開，并且獲得獨(dú)立的GaN 晶片，這些晶片直徑較大，表面呈鏡面狀，無裂縫，位錯(cuò)密度低。

　　此外，可以采用MOCVD-GaN / 藍(lán)寶石襯底預(yù)處理工藝來制備GaN 厚膜。主要過程為采用等離子體化學(xué)氣相沉積法在MOCVD-GaN/ 藍(lán)寶石襯底上沉積一層厚度約500nm 的SiO2，然后用電子蒸氣機(jī)在襯底上蒸鍍和鍛造一層厚度約20nm 的Ti。退火后在SiO2 表面形成自組裝的Ni 納米團(tuán)簇，作為光刻掩模。光刻后，將基體置于熱HNO3 和氧化腐蝕劑中。去除Ti 和SiO2 后，通過反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)沉積一層SiO2，去除表面的SiO2，形成一層SiO2 包裹在邊緣的GaN 納米柱。最后用HVPE 法在表面生長GaN，在冷卻過程中，GaN 發(fā)生自剝離。圖6 為HVPE 和納米簇自剝離技術(shù)制備GaN 單晶的過程示意圖。

　　上述方法不僅可以實(shí)現(xiàn)襯底的自剝離，而且可以形成一種特殊的結(jié)構(gòu)，可以緩沖晶體的生長速度，從而提高晶體的質(zhì)量，減少內(nèi)部缺陷。但這些預(yù)處理方法相對(duì)復(fù)雜，會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間，并且增加GaN 單晶的成本。

　　（三）GaN 異質(zhì)襯底外延技術(shù)

　　由于GaN 在高溫生長時(shí)N 的離解壓很高，很難得到大尺寸的GaN 單晶材料，因此，制備異質(zhì)襯底上的外延GaN 膜已成為研究GaN 材料和器件的主要手段。目前，GaN的外延生長方法有：HVPE、分子束外延（MBE）、原子束外延（ALE）和MOCVD。其中，MOCVD 是最廣泛使用的方法之一。

　　當(dāng)前，大多數(shù)商業(yè)器件是基于異質(zhì)外延的，主要襯底是藍(lán)寶石、AlN、SiC 和Si。但是，這些基板和材料之間的晶格失配和熱失配非常大。因此，外延材料中存在較大的應(yīng)力和較高的位錯(cuò)密度，不利于器件性能的提高。圖7 為襯底材料的晶格失配和熱失配關(guān)系示意圖。