氮化鎵襯底及其生產(chǎn)技術(shù)(完整版)
【正文】 光被襯底吸收??； ? [7]機械性能好，器件容易加工，包括減薄、拋光和切割等； ? [8]價格低廉； ? [9]大尺寸，一般要求直徑不小于 2 英吋。今后研發(fā)的重點是尋找合適的生長方法。 Si 片作為 GaN材料的襯底有許多優(yōu)點，如晶體質(zhì)量高，尺寸大，成本低，易加工，良好的導電性、導熱性和熱穩(wěn)定性等。 國內(nèi)外 Al2O3 襯底今后的研發(fā)任務是生長大直徑的 Al2O3 單晶，向 46 英吋方向發(fā)展，以及降低雜質(zhì)污染和提高表面拋光質(zhì)量。與高壓提拉法相比， HVPE 方法更有望生產(chǎn)出可實用化的氮化鎵襯底。這樣獲得的氮化鎵厚膜優(yōu)點非常明顯，即以它為襯底外延的氮化鎵薄膜的位錯密度，比在 Al2O SiC 上外延的氮化鎵薄膜的位 錯密度要明顯低；但價格昂貴。因而氮化鎵厚膜作為半導體照明的襯底之用受到限制。不過國際上目前還沒有商品化的設備出售。 3） SiC 襯底 除了 Al2O3 襯底外，目前用于氮化鎵生長襯底就是 SiC，它在市場上的占有 率位居第二，目前還未有第三種襯底用于氮化鎵 LED 的商業(yè)化生產(chǎn)。然而，由于 GaN 外延層與 Si 襯底之間存在巨大的晶格失配和熱失配，以及在 GaN 的生長過程中容易形成非晶氮化硅，所以在 Si 襯底上很難得到無龜裂及器件級質(zhì)量的 GaN 材料。 但是， ZnO 本身是一種有潛力的發(fā)光材料。 襯底的選擇要同時滿足以上九個方面是非常困難的。 因有抽氣裝置，反應室中氣體流速快，對于異質(zhì)外延時，反應氣體切換很快，可以得到陡峭的界面。 這些公司生產(chǎn) MOCVD 設備都有較長的歷史，但對氮化鎵基材料而言，由于材料本身研究時間不長，對材料生長的一些物理化學過程還有待認識，因此目前對適合氮化鎵基材料的 MOCVD 設備還在完善和發(fā)展之中。這些設備一般只能一次生產(chǎn) 1 片2 英寸外延片，但其外延片質(zhì)量很高。對于 InGaAlP 薄膜材料生長，所選用的 III 族元素流量通常為 (15) 105 克分子， V 族元素的流量為（ 12） 103 克分子。 AlN 能與 GaN 較好匹配，而和藍寶石襯底匹配不好，但由于它很薄，低溫 沉積 的無定型性質(zhì)，會在高溫生長 GaN 外延層時成為結(jié)晶體。 3）其它新型外延材料 ZnO 本身是一種有潛力的發(fā)光材料。其技術(shù)是先在ZnSe 單晶基底上生長一層 CdZnSe 薄膜， 通電后該薄膜發(fā)出的藍光與基板 ZnSe作用發(fā)出互補的黃光，從而形成白光光源。首先在合適的襯底上 (藍寶石或碳化硅 )沉積 一層 GaN，再在其上 沉積 一層多晶態(tài)的 SiO 掩膜層，然后利用光刻和刻蝕技術(shù)，形成 GaN 窗口和掩膜層條。 ――研發(fā)波長短的 UV LED 外延材料 這項工作意義重大，它為發(fā)展 UV 三基色熒光粉白光 LED 奠定扎實基礎。目前 LED 外延片生長技術(shù)主要采用有機金屬化學 氣相沉積 方法。 歷史上，外延片是由 Si 片制造商生產(chǎn)并自用，在 IC 中用量不大，它需要在單晶 Si 片表面上 沉積 一薄的單晶 Si 層。掩埋層半導體利用雙極晶體管元件 內(nèi)重摻雜區(qū)進行 物理 隔離，這也是在外延加工中 沉積 的。 2020 年，包括掩埋層在內(nèi)，用于邏輯器件的 CMOS 占所有外延片的 69%， DRAM 占 11%，分立器件占 20%。 外延 沉積 既可（同時）一次加工多片，也可加工單片。良品的外延片就 要開始做電極（ P 極， N 極），接下來就用激光切割外延片，然后百分百分撿，根據(jù)不同的電壓，波長，亮度進行全自動化分檢，也就是形成 LED 晶片（方片）。 ――開發(fā)多量子阱型芯片技術(shù) 多量子阱型是在芯片發(fā)光層的生長過程中，摻雜不同的雜質(zhì)以制造結(jié)構(gòu)不同的量子阱，通過不同量子阱發(fā)出的多種光子復合直接發(fā)出白光。 ――懸空外延技術(shù) (Pendeoepitaxy) 采用這種方法可以大大減少由于襯底和外延層之間晶格失配和熱失配引發(fā)的外延層中大量的晶格缺陷，從而進一步提高 GaN 外延層的晶體質(zhì)量。 4）外延技術(shù)發(fā)展趨勢： ――改進兩步法生長工藝 目前商業(yè)化生產(chǎn)采用的是兩步生長工藝，但一次可裝入襯底數(shù)有限， 6片機比較成熟， 20 片左右的機臺還在成熟中，片數(shù)較多后導致外延片均勻性不夠。這是因為， ZnO 的激子束縛能高達 60meV，比其他半導體材料高得多（ GaN為 26meV），因而具有比其他材料更高的發(fā)光效率。 為了得到高質(zhì)量的外延層，已經(jīng)提出很多改進的方法，主要如下： ①常規(guī) LEO 法 LEO 是一種 SAE(selective area epitaxy)方法，可追溯到 Nishinaga于 1988 年對 LPE(liquid phase epitaxy)的深入研究， LEO 常用 SiO2 或 SiNx
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