氮化镓(GaN) 获得新突破！

氮化镓(GaN)是一种很有吸引力的理想材料，它作为第三代宽禁带半导体核心材料之一，具有高击穿场强、高饱和电子漂移速率、抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优良特性，可应用于高性能光电器件和电子功率器件。

氮化镓的过人之处很多，但遗憾的是GaN单晶的生长进程缓慢，晶体尺寸小且成本高。

正因目前同质单晶GaN衬底的尺寸、产能和生产成本的限制，现在大多数GaN基器件都是在异质衬底(如Si、Sic和蓝宝石等)上制备的，这样生产的GaN会有较高的位错密度等结构性问题，会严重影响GaN基器件性能的发挥。GaN器件也由此达到了发展的瓶颈。

目前这个长不大的氮化镓的市场售价不菲，一片2英寸的氮化镓晶片，在国际市场上的售价高达10万日元一一20万日元（约人民币5220元一一10440元），而且一片难求。

氮化镓GaN晶圆面临的问题

氮化镓晶片存在以上问题都归源于晶体的生长方式。目前生长GaN体单晶衬底的主要方法有氢化物气相外延法(HVPE)、氨热法以及助熔剂法(NaFlux)。

HVPE生长技术具有常压生长，生长速度快、易实现大尺寸生长等优点，是目前商业化生产GaN单晶衬底的主流方法。HVPE反应器主要包括两个反应区，在低温区，将液相Ga金属转变成气相的转变成气相的GaCl，从而通过载气输运到衬底衬底区域。在高温区域，GaCl与NH3反应在衬底上实现GaN单晶的生长(如图所示)。使用“HVPE”，在1000℃温度下形成晶体，在常温条件下，晶片会发生弯曲，并产生倾斜角度。

HVPE设备示意图

氨热法是一种在高温高压(400~750℃，1000~6000个大气压)从过饱和临界氨中培养晶体的方法，这种方法与水热法生长水晶的技术类似:晶体的培养是在高压釜中进行的。不过，使用氨热法，在结晶生长过程中，一旦出现稳定的表面，就会停止生长。

助熔剂法（貌似也称为钠流法）是一种通过向Ga熔体中加入Na来提高N的溶解度，从而可以在相对低的温度(～800℃)和压力(＜5MPa)下实现GaN的生长的方法。通过对生长条件的精确控制，可获得连续有效的晶体生长。可是仅靠该方法，虽然可以依靠一个小点形成完美的结晶，却无法形成大尺寸结晶。

为了解决以上问题，日本大阪大学、丰田合成株式会社合作研发了一项新技术。利用在蓝宝石基板上大量设置微小籽晶的多点种子，通过Na助熔剂法培育GaN晶体。这种技术在完成培育后温度恢复为室温时，GaN晶体会与蓝宝石基板自然分离，因此可以培育出曲翘度极低的大尺寸GaN晶体。研究团队利用该技术，全球首次制作出了低翘曲度的高品质6英寸大口径GaN晶体。

新技术培育的研磨前的6英寸GaN晶体

研究团队利用通过Na Flux（钠助溶）法制作的GaN晶体可以将市售的常规GaN晶体只有33％的晶体管成品率大幅提高至72％。可以看出，使用由“Na Flux（钠助溶）法”和“Point Seed（点籽晶）法”制成的氮化镓衬底，让氮化镓元件的性能、良率普遍得到提高。

利用多点种子，通过Na助熔剂法培育GaN晶体的新技术

森勇介教授表示：“如果用新方法制作的GaN晶体作为籽晶，利用其他方法（HVPE法、氨热法、OVPE法）等培育块状GaN晶体来制作GaN晶圆，那么高品质的大口径GaN晶圆就能以低成本大规模生产。有了这个GaN晶圆，就可以制作此前无法实现的高性能功率器件和雷达等，我们希望为节能和5G/6G等做出贡献。”

此外，研究人员已经开始采用OVPE法（Oxide Vapor Phase Epitaxy，氧化物气相外延）生产出低电阻率的晶圆。

在OVPE中，氧化镓和氨反应生成GaN；水和氢是副产品。气态氧化镓是通过氧化镓颗粒形成的。为了生产体GaN，氧化镓和氨被引导到GaN籽晶，籽晶被放置在生长区中，并用电阻加热系统加热。

功率半导体的性能和晶圆特性的关系