厉害了！氮化镓生长速度提高300%，缺陷降低80%，怎么做到的？

第三代半导体风向 · 2021-03-22

根据大阳日酸官网消息，该公司开发了一种新的晶圆制造设备，能够将GaN晶圆生长速度提升3倍，同时将位错缺陷降低80%，高速、高质量生长，一举两得。

据“三代半风向”了解，大阳日酸是用一种三卤化物气相生长法来替代传统的HVPE方法，它可以在高温环境（最高1600℃）下，生长4英寸GaN晶圆，而且石英管不会劣化、生长面积不会缩小，也不会生长阻碍晶体生长的多余多晶。

目前，这项技术的开发成果已经获得了日本科学技术振兴机构（JST）的批准，批量生产廉价和高质量的块状GaN晶圆将成为可能。

传统HVPE设备缺陷：

难以生产实用GaN晶圆

与当前主流的硅晶圆相比，氮化镓（GaN）晶圆具有很大的优势，但在高频器件和功率器件的应用方面却没有取得太大进展。

原因之一是难以制造GaN晶圆衬底。通常，为了制造晶圆衬底，硅晶圆可以用熔融拉制法制造，这是获得高纯度厚块状晶圆的晶圆生长方法。一旦形成块状晶圆，就可以切片并大量生产。

但是，这种方法没有被用于GaN晶圆生长，过去是使用氢化物气相沉积法（HVPE），但采用这种方法会存在一些问题。

一方面，由于有大量多晶附着在晶圆周围，最终会引起晶圆翘曲，甚至出现裂缝，从而很难继续生长晶圆，晶圆厚度难以增加。

另一方面，而且GaN晶圆要在小于1mm的异质籽晶衬底上制备，然后将异质衬底进行剥离并抛光。因此GaN与异质衬底之间的分离成为获得GaN单晶衬底的一个重大挑战。目前使GaN与异质衬底分离最常用的方法是机械研磨和激光剥离，另外还可以通过在衬底上做结构，使GaN在生长结束后从异质衬底上自剥离，但是这些方法一般都比较复杂，晶圆生产过程中的预处理和炉子清理等环节也费时费力，会增加制造成本。

所以从成本和质量方面来看，HVPE无法生产出实用的GaN晶圆。

新技术：

速度提升300%

缺陷下降80%

日本的大阳日酸公司开发了一种可实现高速、高质量和持续生长GaN晶圆的制造设备。

据“三代半风向”了解，该设备采用了东京农业技术大学的专利技术，是一种基于三卤化物气相生长法（THVPE方法）的设备，主要是使用了三氯化镓-氨反应系统（图1）。

图1 ：THVPE和HVPE的GaN生长反应式。

THVPE进一步改善了传统的HVPE方法，并能够在更高的温度下（大约1200至1400℃）生长晶体，如图2所示。

图2：THVPE和HVPE之间的晶圆生长速度对比。

在相同的气相浓度下，THVPE反应系统（蓝色）的生长速度快于传统反应系统（红色）。而大阳日酸的设备把相关条件进行优化，使得生长速度进一步提高。

据大阳日酸介绍，他们所开发的THVPE设备配备了晶圆生长炉，可在石英反应管的耐热温度达到1300℃以上的高温环境（最高1600℃）下，生长直径最大为4英寸的GaN晶圆（图3）。

图3：晶圆生长炉的外观和横截面结构。

而且，该设备具备了能够有效地将作为原料的液态金属Ga供给到反应系统，并可靠地将其气化成三氯化镓的机制。从而能够保持原料气体的均匀流动，并抑制气相中GaN核的形成。

另外，由于把GaN晶圆的N极面用作籽晶，所以为了防止籽晶背面（Ga极面）被热分解，还对保护膜进行了优化。结果，晶圆生长速度高达0.32mm/h，是传统方法的三倍以上。位错缺陷低至每立方厘米1 x106个以下，这是传统方法的五分之一，成功兼顾了晶圆的快速和高质量生长（图4）。

图4：GaN晶圆生长的生长速率和结晶℃。

通过THVPE方法进行晶圆生长，实现了高生长速度（横轴）和高质量（纵轴）。晶圆质量相同的情况下，生长温度越高，晶圆的生长速率越高。纵轴上的XRC-FWHM越小，晶面的取向越均匀，晶圆的质量也越高。

同时，该设备可生长的最大衬底尺寸为直径为2英寸，最大晶圆厚度为1.8 mm（图5）。

图5：直径为2英寸的GaN晶圆。

该设备可获得直径为2英寸的透明晶圆，并且可防止籽晶背面热分解，并保持平坦的镜面。背面虽然有稀薄的金属Ga灰尘，但可以轻松擦去。

相比传统的方法，该设备还有很多可降低成本的优点，比如石英管不会劣化（图6），生长面积不会减小，不会生长阻碍晶体生长的多余多晶（图7）等。

图6：THVPE反应管。

使用3年后，仅通过水洗就可恢复透明度，石英管也不会劣化。

图7：晶圆生长后基座（晶圆支架）情况。

用作籽晶的GaN薄膜基板被夹在基座内部的背板之间进行固定。GaN晶体在暴露的籽晶上生长。晶体生长后，由于背板和基座周围几乎没有多晶的粘附，因此几乎没有出现抑制晶体生长的不必要的多晶体。