面向氮化鎵光電器件應(yīng)用的氮化鎵單晶襯底制備技術(shù)研發(fā)進展

以氮化鎵（GaN）為代表的一系列具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的氮化物半導(dǎo)體是直接帶隙半導(dǎo)體材料，其組成的二元混晶或三元混晶在室溫下禁帶寬度從0.7 eV到6.28 eV連續(xù)可調(diào)，是制備藍綠光波段光電器件的優(yōu)選材料。基于氮化鎵異質(zhì)外延制備的HEMT器件和LED器件已廣泛應(yīng)用于3C消費電子、照明和顯示面板等領(lǐng)域。

氮化鎵單晶襯底材料制備工藝復(fù)雜，成本偏高，晶圓尺寸偏小，基于氮化鎵單晶襯底的氮化鎵垂直功率器件經(jīng)過多年發(fā)展已在商業(yè)推廣階段，而基于氮化鎵同質(zhì)外延的氮化鎵藍綠光激光器也在近兩年開始逐漸國產(chǎn)化。

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近日，“2023功率與光電半導(dǎo)體器件設(shè)計及集成應(yīng)用論壇”于西安召開。論壇由第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（CASA）指導(dǎo)，西安交通大學(xué)、極智半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)（www.casmita.com）、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)主辦，西安電子科技大學(xué)、中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟人才發(fā)展委員會、全國半導(dǎo)體應(yīng)用產(chǎn)教融合（東莞）職業(yè)教育集團聯(lián)合組織、西安和其光電股份有限公司等單位協(xié)辦。

期間，“平行論壇2：光電子器件及應(yīng)用”上，東莞市中鎵半導(dǎo)體科技有限公司研發(fā)處處長劉強帶來了“面向氮化鎵同質(zhì)外延功率/光電器件應(yīng)用的氮化鎵單晶襯底制備技術(shù)研發(fā)進展”的主題報告。

報告分享了中鎵半導(dǎo)體針對氮化鎵同質(zhì)外延的功率器件和光電器件的應(yīng)用需求開展的針對低錯密度和大尺寸氮化鎵單晶襯底的研發(fā)工作成果，并期望助力下游應(yīng)用客戶一同開展新型氮化鎵同質(zhì)外延光功率/光電器件的研發(fā)。研究顯示，300K相同載流子濃度時，GaN遷移率更高，因此體電阻率更小。

GaN和SiC晶體熱導(dǎo)率受摻雜濃度、位錯密度等因素影響，300K相同施主摻雜濃度時，SiC熱導(dǎo)率比GaN熱導(dǎo)率高約35%。GaN-on-GaN JFET器件易實現(xiàn)常關(guān)型器件，采用JTE技術(shù)并有雪崩能力可靠性高，單片襯底出芯數(shù)高成本低，無動態(tài)電阻問題，且同質(zhì)外延無應(yīng)力匹配問題可隨GaN單晶襯底擴徑而迅速擴徑。

GaN-on-GaN藍綠光激光器市場相對成熟，新式應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，市場仍在增長；國外廠商高度壟斷，國產(chǎn)替代進行中。

目前，中鎵半導(dǎo)體設(shè)計了大尺寸HVPE設(shè)備，以降低生產(chǎn)成本和實現(xiàn)大尺寸單晶襯底生長。中鎵半導(dǎo)體使用低溫GaN層調(diào)控生產(chǎn)制程中的應(yīng)力，以獲得晶向偏角均勻性較好的GaN單晶襯底。單晶襯底尺寸增大，熱失配產(chǎn)生的軸向應(yīng)力增大，同時非線性應(yīng)變項也同時增大，需套用新的應(yīng)力模型。

中鎵半導(dǎo)體通過改善生長工藝，新一代產(chǎn)品體電阻率可降至0.01Ω·cm以下，位錯密度可均勻降至4×105 cm-2量級，表面粗糙度小于0.1nm，TTV、BOW在20μm以內(nèi)。中鎵半導(dǎo)體2寸產(chǎn)品已量產(chǎn)，4寸產(chǎn)品小規(guī)模研發(fā)生產(chǎn)中，6寸產(chǎn)品工藝路線探索中，此外還提供小方片用于實驗。

審核編輯：劉清