創(chuàng )新GaN工藝：有望實(shí)現低成本、大規模生產(chǎn)

5月26日，日本東北大學(xué)對作為GaN（氮化鎵）襯底的量產(chǎn)法而開(kāi)發(fā)的“低壓酸性單熱（LPAAT）法”的實(shí)際應用進(jìn)行了研究，明確了所使用的種子襯底的質(zhì)量對生長(cháng)后的晶體質(zhì)量的影響，以及通過(guò)使用高品質(zhì)的種子，生長(cháng)后的結晶度也變好， 宣布在室溫下的光致發(fā)光光譜也證實(shí)，通過(guò)自由激子重組產(chǎn)生的帶端發(fā)光純度變高。

這一成果由聯(lián)合研究小組完成，該研究小組由東北大學(xué)多元材料科學(xué)研究所的奇奇布·希格希德教授、石谷泰三博士和助理教授Tsubira Tsubaki組成，他們來(lái)自日本鋼鐵廠(chǎng)新業(yè)務(wù)推進(jìn)總部光子事業(yè)部氮化鎵Gr和三菱化學(xué)技術(shù)總部筑波工廠(chǎng)的Garin夜騎技術(shù)中心的研究人員。

為了在環(huán)境保護和可持續社會(huì )活動(dòng)中取得平衡，需要降低功耗和提高功耗效率。業(yè)界正在研發(fā)下一代GaN功率半導體材料，以滿(mǎn)足這些需求。如負責功率控制的高頻功率晶體管，許多GaN單晶襯底的質(zhì)量存在問(wèn)題，這些襯底作為電子器件（GaN-on-GaN器件）在獨立的GaN襯底上制造，其潛力尚未充分發(fā)揮。

LPAAT方法由奇奇布教授及其同事、日本鋼鐵廠(chǎng)和三菱化學(xué)株式會(huì )社聯(lián)合開(kāi)發(fā)，是一種大直徑的GaN單晶襯底，有望以低廉的價(jià)格大規模生產(chǎn)。已經(jīng)投入實(shí)際應用，與使用高壓超臨界流體氨的酸性氨（AAT）方法相比，晶體生長(cháng)壓力為一半，由于設備配置和操作原因，它適合大規模生產(chǎn)。因此，研究人員決定進(jìn)一步研究LPAAT方法的實(shí)際應用。

實(shí)際上，在LPAAT法實(shí)驗爐中，根據生長(cháng)中使用的種子種類(lèi)（HVPE制、SCAAT制）的不同，從生長(cháng)后的外觀(guān)和結晶性等質(zhì)量分析中確認了較大的差異，此外，根據本次聯(lián)合研究框架的成果，使用三菱化學(xué)注冊為SCAAT制的高品質(zhì)GaN種子，通過(guò)LPAAT法生長(cháng)的結晶 ，外觀(guān)是透明和平坦的，低晶體馬賽克（對稱(chēng)平面和非對稱(chēng)表面的X射線(xiàn)搖擺曲線(xiàn)半寬在20秒內）得到確認。

圖1：使用 LPAAT 方法在高質(zhì)量的 SCAAT 種子上生長(cháng)的 GaN 單晶的外觀(guān)、晶體結構特性和光致發(fā)光光譜

光致發(fā)光光譜，帶端****強度約3位高，由于在12K高純度半導體中觀(guān)察到的束縛激發(fā)子的重組，與深水平****相比，在室溫下，由于自由激子的重組，帶端****占主導地位，也證實(shí)了高純度GaN晶體。

根據這一結果，研究人員希望，如果采用LPAAT方法的高質(zhì)量GaN單晶襯底得到廣泛應用，將促進(jìn)以高可靠性GaN垂直功率晶體管為代表的GaN-on-GaN器件的研究，并有望盡早投入實(shí)際應用。

圖2：使用GaN的垂直功率晶體管的示意圖

今后，在大規模生產(chǎn)用大型高壓釜應用中，以L(fǎng)PAAT法實(shí)現高品質(zhì)且大口徑的GaN襯底的批量生產(chǎn)技術(shù)的實(shí)際應用為目標，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化生長(cháng)溫度、由此制作的GaN的輻射·非輻射再結合速率、空孔型缺陷濃度等進(jìn)行定量， LPAAT方法進(jìn)一步提高了GaN單晶的光學(xué)和電氣特性。