氮化鎵外延片制造工藝是什么？

氮化鎵（GaN）外延片的制造工藝是其產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節(jié)，技術(shù)壁壘極高。它直接決定了外延片的質(zhì)量和最終器件的性能。

目前，主流的商業(yè)化生產(chǎn)方法是 金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD - Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）。

以下是基于MOCVD方法的氮化鎵外延片制造工藝流程的詳細(xì)解析：

核心設(shè)備：MOCVD反應(yīng)爐

MOCVD設(shè)備是一種大型、精密的真空沉積系統(tǒng)，核心部件是反應(yīng)腔室。其工作原理是：

• 金屬有機(jī)源 (MO Source)： 作為Ⅲ族元素（如Ga）的來(lái)源，例如三甲基鎵 (TMGa)。

• 氮源 (N Source)： 作為Ⅴ族元素的來(lái)源，通常是氨氣 (NH?)。

• 載氣 (Carrier Gas)： 高純度氫氣 (H?) 或氮?dú)?(N?)，用于將金屬有機(jī)源蒸汽攜帶至反應(yīng)腔室。

這些反應(yīng)前驅(qū)體被精確控制流量并注入到高溫加熱的反應(yīng)腔室中，在加熱的襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沉積形成氮化鎵晶體薄膜。

制造工藝流程詳解

第一步：襯底準(zhǔn)備 (Substrate Preparation)

• 襯底選擇： 根據(jù)應(yīng)用選擇不同的襯底，如藍(lán)寶石、硅(Si)、碳化硅(SiC) 等。硅襯底因成本和大尺寸優(yōu)勢(shì)成為功率電子的主流選擇。

• 清潔處理： 襯底(Wafer)在放入反應(yīng)腔前必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的清洗流程，去除顆粒、有機(jī)物和金屬離子等污染物，確保外延生長(zhǎng)的起點(diǎn)絕對(duì)潔凈。

第二步：襯底裝載與預(yù)熱 (Loading & Heating)

• 將清洗干凈的襯底放入MOCVD設(shè)備的石墨基座( susceptor )上。

• 反應(yīng)腔室關(guān)閉并抽真空，排除氧氣和水分。

• 通入載氣，并將襯底加熱到一定的預(yù)熱溫度，為外延生長(zhǎng)做準(zhǔn)備。

第三步：成核層生長(zhǎng) (Nucleation Layer Growth)

• 這是最關(guān)鍵、技術(shù)難度最高的步驟之一，尤其是在異質(zhì)襯底（如硅）上生長(zhǎng)時(shí)。

• 挑戰(zhàn)： GaN與硅的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)差異巨大，直接生長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致高密度缺陷甚至龜裂。

• 解決方案： 首先在較低溫度（500-600°C）下生長(zhǎng)一層很薄的氮化鋁(AlN)或富鋁的氮化鋁鎵(AlGaN)成核層。這層材料作為緩沖過(guò)渡，能有效阻止硅襯底與GaN之間的反應(yīng)，并為后續(xù)GaN的生長(zhǎng)提供成核點(diǎn)。

第四步：應(yīng)力控制與緩沖層生長(zhǎng) (Stress Management & Buffer Layer Growth)

• 目的： 釋放因熱失配和晶格失配產(chǎn)生的巨大應(yīng)力，防止外延片翹曲或破裂，并降低穿透位錯(cuò)密度。

• 工藝： 在成核層之上，生長(zhǎng)一層幾微米厚的高阻GaN或AlGaN緩沖層。這通常是一個(gè)復(fù)雜的超晶格結(jié)構(gòu)（如交替生長(zhǎng)AlN/GaN或不同Al組分的AlGaN層），通過(guò)多層結(jié)構(gòu)來(lái)彎曲和終止位錯(cuò)線，從而大幅降低延伸到有源區(qū)的缺陷密度。

• 對(duì)于硅襯底，這一步是實(shí)現(xiàn)高性能、無(wú)裂紋外延片的核心技術(shù)。

第五步：高質(zhì)量GaN溝道層生長(zhǎng) (GaN Channel Layer Growth)

• 在緩沖層之上，在較高溫度（1000-1100°C）下生長(zhǎng)高質(zhì)量的本征非摻雜GaN(i-GaN)層。

• 這個(gè)層是晶體質(zhì)量最高的區(qū)域，將成為器件中電子傳輸?shù)臏系馈?/p>

第六步：勢(shì)壘層生長(zhǎng) (Barrier Layer Growth)

• 在GaN溝道層上生長(zhǎng)一層很薄的AlGaN層（通常Al組分在20%-30%）。

• 能帶工程： 由于GaN和AlGaN的禁帶寬度不同，且存在壓電極化效應(yīng)，在兩者的界面處會(huì)形成強(qiáng)大的壓電極化場(chǎng)，從而誘導(dǎo)產(chǎn)生一個(gè)高濃度、高遷移率的二維電子氣（2DEG）。

• 這個(gè)2DEG區(qū)域就是HEMT器件中電子流動(dòng)的溝道，無(wú)需摻雜即可獲得極高的電子濃度和遷移率，這是GaN器件高性能的物理基礎(chǔ)。

第七步：蓋帽層生長(zhǎng) (Cap Layer Growth - 可選)

• 為了進(jìn)一步優(yōu)化器件性能，有時(shí)會(huì)在最上層生長(zhǎng)一個(gè)很薄的n型摻雜GaN(n-GaN) 蓋帽層。

• 作用： 保護(hù)AlGaN表面、降低歐姆接觸電阻、提升器件線性度等。

第八步：冷卻與取出 (Cooling & Unloading)

• 生長(zhǎng)完成后，按照嚴(yán)格控制的速度降溫冷卻，避免因熱應(yīng)力導(dǎo)致材料損壞或性能下降。

• 冷卻至安全溫度后，向反應(yīng)腔充入惰性氣體，取出生長(zhǎng)完成的外延片。

第九步：原位監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制 (In-situ Monitoring & QC)

• 在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中，先進(jìn)的MOCVD設(shè)備會(huì)集成原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（如激光干涉儀、光學(xué)高溫計(jì)等），實(shí)時(shí)監(jiān)控生長(zhǎng)速率、厚度、溫度和曲率變化，確保工藝的精確性和重復(fù)性。

第十步：出廠測(cè)試 (Ex-situ Testing)

• 外延片取出后，需要進(jìn)行全面的檢測(cè)，包括：

  • X射線衍射 (XRD)： 檢測(cè)晶體質(zhì)量、應(yīng)力、組分和厚度。

  • 原子力顯微鏡 (AFM)： 檢測(cè)表面粗糙度。

  • 霍爾測(cè)試 (Hall Measurement)： 測(cè)量2DEG的載流子濃度、遷移率和方塊電阻。

  • CV測(cè)試： 分析載流子濃度分布。

  • 光致發(fā)光 (PL)： 評(píng)估光學(xué)質(zhì)量（尤其對(duì)光電器件）。

  • 拉曼光譜： 測(cè)量應(yīng)力。

技術(shù)挑戰(zhàn)與核心要點(diǎn)

1. 裂紋控制： 尤其在硅襯底上，如何通過(guò)復(fù)雜的緩沖層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)釋放應(yīng)力是核心技術(shù)。

2. 缺陷控制： 如何將位錯(cuò)密度降到最低，是提升器件擊穿電壓和可靠性的關(guān)鍵。

3. 均勻性與一致性： 保證同一片wafer和不同批次wafer之間的性能高度一致，是量產(chǎn)化的生命線。

4. 摻雜控制： 實(shí)現(xiàn)p型摻雜（通常用鎂Mg）和精確的n型摻雜（通常用硅Si）是制造PN結(jié)和增強(qiáng)型器件的基礎(chǔ)。

5. 碳雜質(zhì)控制： 在MOCVD生長(zhǎng)中，反應(yīng)副產(chǎn)品會(huì)引入碳雜質(zhì)，碳會(huì)補(bǔ)償摻雜，導(dǎo)致緩沖層漏電。精確控制生長(zhǎng)條件（如V/III比、壓力、溫度）以管理碳濃度是制造高性能功率器件的另一大挑戰(zhàn)。

總而言之，氮化鎵外延片的制造是一個(gè)極其精細(xì)的“烹飪”過(guò)程，需要對(duì)材料科學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)和化學(xué)有深刻的理解，并通過(guò)無(wú)數(shù)次的工藝實(shí)驗(yàn)來(lái)優(yōu)化每一個(gè)參數(shù)，最終才能在非天然的襯底上“種”出高質(zhì)量、可用于制造高性能器件的GaN晶體薄膜。