首页历史故事卤化物气相外延生长GaN晶体技术

卤化物气相外延生长GaN晶体技术

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：GaCl气体输送至晶片，在此处与NH3混合，就得到了GaN，化学反应式为外部的炉子同时加热生长室和装有液态镓的舟皿。由此，用MOVPE法生长的2in GaN晶片被用作生长的原始料。图2-33说明了随着用HVPE法在蓝宝石上沉积的GaN层厚度增加，位错密度将减少。形成大块GaN衬底时，必须将GaN层从其衬底上分离。GaAs的优点是与GaN的CTE匹配比蓝宝石的更好。随后这一技术转让给了LUMILOG，进行使用HVPE的GaN厚层生长。

该技术出现于20世纪60年代，目前是大表面生长的最佳技术。方法是使HCl气体在装满液态金属镓的杯子上流动，从而合成了卤化物GaCl。GaCl气体输送至晶片，在此处与NH₃混合，就得到了GaN，化学反应式为

外部的炉子同时加热生长室和装有液态镓的舟皿。温度和压力条件与MOVPE生长的相同，即温度为500～1100℃、压力为10⁴～10⁵ Pa。这种方法的生长率可达100μm/h。

在蓝宝石衬底上的直接生长是可能的，但第一个成核步骤要用MOVPE进行最佳控制。由此，用MOVPE法生长的2in GaN晶片被用作生长的原始料。

由于层变得更厚，大大降低了位错密度。而且生长期间，一些螺旋位错转向且相遇，相互抵消并形成环形。即使位错线通常与生长方向平行，但高速生长时小面在生长方向出现，使位错线的方向发生偏离，这一点ELO 2S技术相同。

图2-33说明了随着用HVPE法在蓝宝石上沉积的GaN层厚度增加，位错密度将减少。这种方法的效率随着层厚的增加而降低，因为位错间的距离增加。为了使位错密度约为10⁷/cm²，层厚需为300μm。

HVPE无可争议的优点是具备在2in衬底上生长厚层的能力，而且能降低位错密度。然而，随着厚度的增加，冷却时所有因外延生长造成的应力问题也越来越严重。采用直接沉积于衬底上的金属镓薄膜可以降低蓝宝石上GaN的张应力[DAM06]。利用这种技术可获得生长于2in衬底上的、没有裂缝的厚层。然而，冷却时衬底会因热应力而出现凸起翘曲。

形成大块GaN衬底时，必须将GaN层从其衬底上分离。由于蓝宝石不易化学溶解，因此过去几年几种分离工序被提出。激光剥离技术用波长为258nm的KrF准分子激光通过蓝宝石衬底照射交界层[KEL 99]。该波长的光可穿透蓝宝石，而交界层吸收辐射能并按照下面的反应时发生热溶解：

激光束在2in晶面上扫描，确保GaN层从衬底上完全分离。韩国的Sam-sung-Corning公司使用了这种技术并出售这种衬底，给出的位错密度非常低（约10⁶/cm²）

日本Sumitomo公司也出售位错密度小于10⁶/cm²的大块GaN[MOT 02]（ht-tp：//www.sei.co.jp）。这些衬底是用ELO HVPE在（111）GaAs衬底上的外延获得的。GaAs的优点是与GaN的CTE匹配比蓝宝石的更好。GaAs衬底利用化学溶解法进行分离。

图2-33 用HVPE法在蓝宝石上生长的GaN螺旋位错密度与厚度的关系，图片摘自文献[MAT 01]

两种情况下，GaN与其衬底的分离都在生长和冷却步骤之后。这两步十分关键，因为晶片内的机械应力在生长和冷却时非常高，导致相当数量的晶片破裂。

采用激光剥离技术时，热溶解会释放出氮气，氮气会产生局部应力，使层在从衬底上完全分离前发生破裂。

异质外延研究中心（CRHEA-CNRS，法国）[FEL 04]最近提出了一种使用牺牲层的新技术，当厚度达到指定值时，牺牲层逐渐地均匀地升华。生长期间分离在外延容器中发生。CRHEA优化了这一工序，将牺牲层沉积于蓝宝石或SiC上，并且用MOVPE使GaN在牺牲层上再生长。随后这一技术转让给了LUMILOG，进行使用HVPE的GaN厚层生长。LUMILOG（http://www.lumilog.com）使用以上工序制造出2in的大块GaN衬底，位错密度为5×10⁶/cm²。