氮化鎵工藝發(fā)展現狀

　　氮化鎵是當前發(fā)展最成款的競禁帶半導體材料，世界各國對氮化鎵的研究重視，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，但其應用范圍卻超過一般的磨料。例如，它所具有的耐高溫性、導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，氮化鎵材料還可應用于功能倒、火材料、冶金原料等應用領域，氮化鎵器件的發(fā)展難題不是設計難題，而是實現芯片結構的制作工藝，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，碳化建生產的另一個問題是環(huán)保，由于氮化鎵在治煉過程中會產生一氧化碳、二氧化硫等有害氣體，同時粉塵顆粒如果處理不當，污染非常嚴重，氮化稼是研制微電子器件、光電子器件的新型半導體材料，在光電子、激光器、高溫大功率器件和高頻微波器件應用方面有著廣的前景，氮化材料的發(fā)展難題有三個，一是如何獲得高質量、大天寸的Ga籽晶，因為直接采用復熱方法培育一個兩英寸的好晶需要幾年時間，二是對于氮化家材料，長期以來由于襯底單晶沒有解決，異質外延缺陷密度相當高，因為氮化驚極性大大，難以通過高樓雜來獲得較好的金·半導體的歐姆接觸，工藝制造較復雜;三是氨化家產業(yè)鏈尚未完全形成。

　　GaN材料及其制備工藝

　　在理論上，GaN 材料的擊穿電場強度（約3×106V/cm）與SiC 材料接近，但受半導體工藝、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。隨著各項技術難點的攻克和先進工藝的開發(fā)，GaN 必將作為新一代高效電源器件的制備材料。

　　（一）GaN 材料結構及特性

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

　?。ǘ〨aN 晶體的制備

　　GaN 的共價鍵鍵能較大（E=876.9kJ/mol），在2500℃熔點下，分解壓大約為4.5GPa， 當分解壓低于4.5GPa 時，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、熔融結晶法和氫化物氣相外延法。其中，前3 種方法對設備和工藝都有嚴格要求，難以實現大規(guī)模的單晶生產，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的。該技術具有設備簡單、成本低、發(fā)展速度快等優(yōu)點。利用金屬有機化合物化學氣相沉淀（metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）技術可以生長出均勻、大尺寸的厚膜作為襯底。目前，該技術已經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，作為同質外延生長器件結構的襯底。

　　氫化物氣相外延層的位錯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到一定值，就可以提高晶體質量。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量和良好再現性的大直徑獨立GaN 晶片，如圖5所示。采用表面覆蓋氮化鈦（TiN ）納米網的多孔GaN 模板，通過HVPE 生長了厚GaN 層，在 HVPE 生長過程中，這種生長技術在 GaN層和模板之間產生了許多小空隙，當GaN層在生長以后容易與模板分開，并且獲得獨立的GaN 晶片，這些晶片直徑較大，表面呈鏡面狀，無裂縫，位錯密度低。

　　此外，可以采用MOCVD-GaN / 藍寶石襯底預處理工藝來制備GaN 厚膜。主要過程為采用等離子體化學氣相沉積法在MOCVD-GaN/ 藍寶石襯底上沉積一層厚度約500nm 的SiO2，然后用電子蒸氣機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，通過反應離子刻蝕技術沉積一層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制備GaN 單晶的過程示意圖。

　　上述方法不僅可以實現襯底的自剝離，而且可以形成一種特殊的結構，可以緩沖晶體的生長速度，從而提高晶體的質量，減少內部缺陷。但這些預處理方法相對復雜，會浪費大量時間，并且增加GaN 單晶的成本。

　?。ㄈ〨aN 異質襯底外延技術

　　由于GaN 在高溫生長時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。

　　當前，大多數商業(yè)器件是基于異質外延的，主要襯底是藍寶石、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力和較高的位錯密度，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系示意圖。