氮化鎵外延片制造流程是什么？

一、核心概念鋪墊：襯底與外延層的關(guān)系

二、完整制造流程：四大階段詳解

階段 1：襯底準(zhǔn)備（基礎(chǔ)保障，決定外延層缺陷密度）

1.1 襯底選擇（關(guān)鍵決策：平衡性能與成本）

1.2 襯底預(yù)處理（3 步清潔 + 優(yōu)化，確?；踪|(zhì)量）

1. 化學(xué)清洗：采用 “RCA 清洗法”（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)），通過多步化學(xué)溶液浸泡去除襯底表面的有機污染物、無機雜質(zhì)（如金屬離子）和氧化層：

   • 第一步：氨水（NH?OH）+ 雙氧水（H?O?）+ 去離子水，去除有機物和顆粒；

   • 第二步：鹽酸（HCl）+ 雙氧水 + 去離子水，去除金屬離子；

   • 第三步：氫氟酸（HF），去除襯底表面的自然氧化層（如 Si 襯底的 SiO?、SiC 襯底的 SiO?）。

   
   

2. 表面拋光：通過 “化學(xué)機械拋光（CMP）” 進一步降低襯底表面粗糙度（需控制在納米級，如 Ra<0.5nm），避免表面凹凸導(dǎo)致外延層生長不均勻。

3. 預(yù)處理優(yōu)化（針對異質(zhì)襯底）：

   • 藍寶石襯底：需在高溫（≈1100℃）下通入 NH?進行 “氮化處理”，在表面形成一層薄 AlN 層，減少后續(xù) GaN 生長的晶格失配；

   • 硅襯底：需先生長一層 AlN 緩沖層，再生長 GaN，避免 Si 與 GaN 在高溫下反應(yīng)生成 Si?N?（導(dǎo)致外延層剝離）。

   
   

階段 2：外延生長（核心環(huán)節(jié)，決定外延層性能）

2.1 主流技術(shù)：MOCVD 的工作原理

1. 設(shè)備準(zhǔn)備：將預(yù)處理后的襯底固定在 “石墨托盤” 上，放入 MOCVD 反應(yīng)室，抽真空至低壓（10-100Torr），并升溫至目標(biāo)溫度（900-1100℃，根據(jù)生長層不同調(diào)整）。

2. 源材料通入：通過精密質(zhì)量流量計（MFC）控制源材料的流量，通入反應(yīng)室：

   • 金屬源：采用金屬有機化合物（如 TMGa 三甲基鎵、TMA 三甲基鋁、TMIn 三甲基銦），提供 Ga、Al、In 等金屬元素；

   • 氮源：采用氨氣（NH?），提供 N 元素（NH?在高溫下分解為 N 原子）；

   • 摻雜源：根據(jù)需要通入摻雜氣體（如 n 型摻雜用 SiH?硅烷，p 型摻雜用 Cp?Mg 二茂鎂），調(diào)節(jié)外延層的電學(xué)性能。

   
   

3. 化學(xué)反應(yīng)與生長：金屬源與 NH?在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（如 TMGa + NH? → GaN + 3CH?），生成的 GaN 原子按襯底的晶格方向 “定向排列”，逐漸生長成單晶薄膜。

4. 結(jié)構(gòu)設(shè)計與分層生長：根據(jù)器件需求，外延層需設(shè)計特定的多層結(jié)構(gòu)（以 LED 為例，典型結(jié)構(gòu)如下），需通過 “分步通入不同源材料” 實現(xiàn)：

   • 第一步：生長AlN 緩沖層（50-200nm），減少襯底與 GaN 的晶格失配；

   • 第二步：生長n 型 GaN 層（2-5μm），摻雜 Si，提供電子傳輸通道；

   • 第三步：生長InGaN/GaN 量子阱（MQW）（5-10 個周期），每個周期含 InGaN 阱層（2-3nm）和 GaN 壘層（5-10nm），是 LED 的 “發(fā)光核心區(qū)”；

   • 第四步：生長p 型 GaN 層（100-200nm），摻雜 Mg，提供空穴傳輸通道；

   • 第五步：生長p 型 AlGaN 層（可選），作為電流擴展層，改善電流均勻性。

   
   

2.2 其他外延技術(shù)（補充場景）

• MBE（分子束外延）：在超高真空（10?1?Torr）下，通過 “分子束”（如 Ga 分子束、N 原子束）直接沉積在襯底上，優(yōu)點是生長溫度低（500-800℃）、薄膜純度高，缺點是生長速率慢（不適合量產(chǎn)），多用于科研（如量子阱結(jié)構(gòu)優(yōu)化）；

• HVPE（氫化物氣相外延）：以 GaCl（氯化鎵）為 Ga 源、NH?為 N 源，生長速率快（可達 10μm/h），適合制備厚 GaN 外延層（如功率器件的漂移區(qū)），但薄膜均勻性較差。

階段 3：外延后處理（優(yōu)化性能，適配器件制造）

1. 退火處理（關(guān)鍵：激活 p 型摻雜）：

   • p 型 GaN 摻雜 Mg 后，Mg 原子易形成 “氫 - 受主復(fù)合物”（Mg-H），導(dǎo)致空穴濃度低、導(dǎo)電性差；

   • 需在高溫（700-900℃）、惰性氣體（N?或 Ar）氛圍下退火，打破 Mg-H 鍵，釋放空穴，激活 p 型導(dǎo)電性（退火后空穴濃度可提升 1-2 個數(shù)量級）。

   
   

2. 表面清潔與鈍化：

   • 外延片從 MOCVD 反應(yīng)室取出后，表面可能殘留源材料雜質(zhì)（如碳、氧），需再次通過等離子清洗（如 Ar 等離子）去除；

   • 部分器件（如射頻器件）需生長一層 SiO?或 Al?O?鈍化層，保護外延層表面，減少表面態(tài)對電學(xué)性能的影響。

   
   

3. 圖形化（可選，針對特定器件）：

   • 對于功率器件（如 HEMT 高電子遷移率晶體管），需通過光刻、刻蝕（干法刻蝕如 ICP-RIE）在外延層表面形成特定圖形（如源漏電極凹槽），為后續(xù)電極制備做準(zhǔn)備。

   
   

階段 4：質(zhì)量檢測（篩選合格產(chǎn)品，保障器件可靠性）

三、核心挑戰(zhàn)與技術(shù)難點

1. 晶格失配與熱膨脹系數(shù)失配：異質(zhì)襯底（如藍寶石、硅）與 GaN 的晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)差異大，易導(dǎo)致外延層產(chǎn)生位錯和裂紋，需通過優(yōu)化緩沖層（如 AlN 層厚度）、調(diào)整 MOCVD 生長參數(shù)（如降溫速率）緩解；

2. 源材料純度控制：MOCVD 的金屬有機源（如 TMGa）純度需達到 99.9999%（6N）以上，若含微量雜質(zhì)（如 O、C），會導(dǎo)致外延層缺陷增加（如碳摻雜會降低載流子遷移率），需嚴(yán)格控制源材料純度和反應(yīng)室潔凈度。

四、總結(jié)