氮化镓工艺发展现状
氮化镓工艺发展现状
氮化镓是当前发展最成款的竞禁带半导体材料，世界各国对氮化镓的研究重视，美欧日等不仅从国家层面上制定了相应的研究规划。氮化镓因具有很大的硬度而成为一种重要的磨料，但其应用范围却超过一般的磨料。例如，它所具有的耐高温性、导热性而成为隧道窑或梭式窑的首选窑具材料之一，它所具有的导电性使其成为一种重要的电加热元件等，除此之外，氮化镓材料还可应用于功能倒、火材料、冶金原料等应用领域，氮化镓器件的发展难题不是设计难题，而是实现芯片结构的制作工艺，如氮化镓晶片的微管我陷密度、外延工艺效率低、拨杂工艺的特殊要求 直凑材料的温等，碳化建生产的另一个问题是环保，由于氮化镓在治炼过程中会产生一氧化碳、二氧化硫等有害气体，同时粉尘颗粒如果处理不当，污染非常严重，氮化稼是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，在光电子、激光器、高温大功率器件和高频微波器件应用方面有着广的前景，氮化材料的发展难题有三个，一是如何获得高质量、大天寸的ga籽晶，因为直接采用复热方法培育一个两英寸的好晶需要几年时间，二是对于氮化家材料，长期以来由于衬底单晶没有解决，异质外延缺陷密度相当高，因为氮化惊极性大大，难以通过高楼杂来获得较好的金·半导体的欧姆接触，工艺制造较复杂;三是氨化家产业链尚未完全形成。
gan材料及其制备工艺
在理论上，gan 材料的击穿电场强度（约3×106v/cm）与sic 材料接近，但受半导体工艺、材料晶格失配等因素影响，gan 器件的电压耐受能力通常在1000v 左右，安全使用电压通常在650v 以下。随着各项技术难点的攻克和先进工艺的开发，gan 必将作为新一代高效电源器件的制备材料。
（一）gan 材料结构及特性
gan 是ⅲ-v 族直接带隙宽禁带半导体，室温下纤锌矿结构的禁带宽度为3.26ev。gan 有3 种晶体结构形式，分别为纤锌矿结构、闪锌矿结构和岩盐矿（rocksalt）结构。其中，纤锌矿结构是ⅲ族氮化物中最稳定的晶体结构，闪锌矿结构以亚稳相形式存在，而岩盐矿结构是在高压条件下产生的。纤锌矿结构的gan 材料具有其他半导体所不具备的优异物理性能，如耐化学稳定性、超强硬度、超高熔点等，所以，gan 基半导体器件具有优异的耐压、耐热、耐腐蚀特性。图4 为gan 的六方纤锌矿结构和gan 单晶。
（二）gan 晶体的制备
gan 的共价键键能较大（e=876.9kj/mol），在2500℃熔点下，分解压大约为4.5gpa， 当分解压低于4.5gpa 时，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），不再适用于gan 单晶的生长。
目前，只能采用一些特殊的方法来制备单晶，主要包括升华法、高温高压法、熔融结晶法和氢化物气相外延法。其中，前3 种方法对设备和工艺都有严格要求，难以实现大规模的单晶生产，不能满足商业化的要求，而氢化物气相外延（hydride vapor-phaseepitaxy，hvpe）方法是目前研究的主流。
大多数可以商业化方式提供gan 的均匀衬底都是通过这种方法生产的。该技术具有设备简单、成本低、发展速度快等优点。利用金属有机化合物化学气相沉淀（metal-organic chemical vapor deposition，mocvd）技术可以生长出均匀、大尺寸的厚膜作为衬底。目前，该技术已经成为制备外延厚膜最有效的方法，并且生长的厚膜可以通过抛光或激光剥离衬底，作为同质外延生长器件结构的衬底。
氢化物气相外延层的位错密度随外延层厚度的增加而减小，因此，只要外延层的厚度达到一定值，就可以提高晶体质量。通过hvpe 和空隙辅助分离法（void-assisted separation，vas）可以制备具有高晶体质量和良好再现性的大直径独立gan 晶片，如图5所示。采用表面覆盖氮化钛（tin ）纳米网的多孔gan 模板，通过hvpe 生长了厚gan 层，在 hvpe 生长过程中，这种生长技术在 gan层和模板之间产生了许多小空隙，当gan层在生长以后容易与模板分开，并且获得独立的gan 晶片，这些晶片直径较大，表面呈镜面状，无裂缝，位错密度低。
此外，可以采用mocvd-gan / 蓝宝石衬底预处理工艺来制备gan 厚膜。主要过程为采用等离子体化学气相沉积法在mocvd-gan/ 蓝宝石衬底上沉积一层厚度约500nm 的sio2，然后用电子蒸气机在衬底上蒸镀和锻造一层厚度约20nm 的ti。退火后在sio2 表面形成自组装的ni 纳米团簇，作为光刻掩模。光刻后，将基体置于热hno3 和氧化腐蚀剂中。去除ti 和sio2 后，通过反应离子刻蚀技术沉积一层sio2，去除表面的sio2，形成一层sio2 包裹在边缘的gan 纳米柱。最后用hvpe 法在表面生长gan，在冷却过程中，gan 发生自剥离。图6 为hvpe 和纳米簇自剥离技术制备gan 单晶的过程示意图。
上述方法不仅可以实现衬底的自剥离，而且可以形成一种特殊的结构，可以缓冲晶体的生长速度，从而提高晶体的质量，减少内部缺陷。但这些预处理方法相对复杂，会浪费大量时间，并且增加gan 单晶的成本。
（三）gan 异质衬底外延技术
由于gan 在高温生长时n 的离解压很高，很难得到大尺寸的gan 单晶材料，因此，制备异质衬底上的外延gan 膜已成为研究gan 材料和器件的主要手段。目前，gan的外延生长方法有：hvpe、分子束外延（mbe）、原子束外延（ale）和mocvd。其中，mocvd 是最广泛使用的方法之一。
当前，大多数商业器件是基于异质外延的，主要衬底是蓝宝石、aln、sic 和si。但是，这些基板和材料之间的晶格失配和热失配非常大。因此，外延材料中存在较大的应力和较高的位错密度，不利于器件性能的提高。图7 为衬底材料的晶格失配和热失配关系示意图。
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gan 是ⅲ-v 族直接带隙宽禁带半导体，室温下纤锌矿结构的禁带宽度为3.26ev。gan 有3 种晶体结构形式，分别为纤锌矿结构、闪锌矿结构和岩盐矿（rocksalt）结构。其中，纤锌矿结构是ⅲ族氮化物中最稳定的晶体结构，闪锌矿结构以亚稳相形式存在，而岩盐矿结构是在高压条件下产生的。纤锌矿结构的gan 材料具有其他半导体所不具备的优异物理性能，如耐化学稳定性、超强硬度、超高熔点等，所以，gan 基半导体器件具有优异的耐压、耐热、耐腐蚀特性。图4 为gan 的六方纤锌矿结构和gan 单晶。
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gan 的共价键键能较大（e=876.9kj/mol），在2500℃熔点下，分解压大约为4.5gpa， 当分解压低于4.5gpa 时，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），不再适用于gan 单晶的生长。
目前，只能采用一些特殊的方法来制备单晶，主要包括升华法、高温高压法、熔融结晶法和氢化物气相外延法。其中，前3 种方法对设备和工艺都有严格要求，难以实现大规模的单晶生产，不能满足商业化的要求，而氢化物气相外延（hydride vapor-phaseepitaxy，hvpe）方法是目前研究的主流。
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