GaN新技术:单晶生长仅需1小时,位错低于1%

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6月15日,日本举办了一场“新技术说明会”,其中介绍了一种高质量GaN晶体生长方法”

据介绍,该技术有几个关键好处:

解决溶液生长法所存在的“夹杂物”问题,可将GaN晶体位错缺陷降低至1%以下,从而获得高质量晶体。

✔ 加快晶体生长时间,1小时就可以得到高质量的氮化镓衬底。

✔ 可用溅射法生产价格低廉、大尺寸GaN晶体。

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传统生长法:

存在夹杂物、生长速度慢

目前,业界已经开发出一些GaN单晶生长技术,比如氨热法和Na flux(钠助溶剂)法,这2种溶液生长法都能够将位错密度等缺陷最小化。

Na flux为例,在LPE生长几百微米后,籽晶的位错密度可以从108 cm-2数量级减少到104 cm-2数量级。

不过,溶液生长法也存在2个问题:

一是晶体中会残留溶液成分,后期会对GaN器件造成损坏。因此,要实现高质量的GaN单晶,不仅要降低位错缺陷,还必须克服夹杂物的问题。

另一个问题是生长速度慢。研究发现,当氮压力增加到阈值压力以上,以提高LPE-GaN的生长速率时,坩埚中籽晶周边会多晶GaN,多晶生长会把氮消耗掉,从而导致外延层的生长受到抑制,生长速度降低。

而且在传统的Na flux法中,需要数十个小时才能使 GaN生长的氮浓度达到饱和。

日本新方法:

位错低至1%,衬底生长仅1小时

为解决上述问题,日本国立材料科学研究所、东京工业大学联合开发了一项新技术——助溶剂膜涂层液相外延法(FFC-LPE)。

东京工业大学表示,FFC-LPE不仅解决了GaN晶体生长时存在的夹杂物问题,将位错缺陷降低到1/100,而且也提高了生长速率,“由于这种方法的工艺非常简单,1小时左右的工艺就可以得到高质量的氮化镓衬底”。

据介绍,FFC-LPE有两个关键:一是将液态Ga-Na膜涂覆在GaN表面,用于合成 GaN 晶体;二是添加少量的II族元素(Ca和 Sr)添加剂。

通过添加Ca和Sr添加剂进行FFC-LPE生长,大大提高了晶种和助熔剂的润湿性,从而实现了单分子阶梯生长模式,能够去除夹杂物。

根据测量结果,FFC-LPE法生长10 µm厚度后,籽晶—GaN之间的位错密度降低到2.5 × 106 cm-2

东京工业大学表示,目前,他们正在生长小尺寸晶体以确认该方法的有效性。未来,他们将采用溅射法生产廉价、大尺寸的高质量氮化镓衬底,还会开发大型晶体生长装置,进行大尺寸结晶的示范实验和实用技术开发。

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2021-06-29 19:54

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