创新GaN工艺:有望实现低成本、大规模生产

创新GaN工艺:有望实现低成本、大规模生产

5月26日,日本东北大学对作为GaN(氮化镓)衬底的量产法而开发的“低压酸性单热(LPAAT)法”的实际应用进行了研究,明确了所使用的种子衬底的质量对生长后的晶体质量的影响,以及通过使用高品质的种子,生长后的结晶度也变好, 宣布在室温下的光致发光光谱也证实,通过自由激子重组产生的带端发光纯度变高。

这一成果由联合研究小组完成,该研究小组由东北大学多元材料科学研究所的奇奇布·希格希德教授、石谷泰三博士和助理教授Tsubira Tsubaki组成,他们来自日本钢铁厂新业务推进总部光子事业部氮化镓Gr和三菱化学技术总部筑波工厂的Garin夜骑技术中心的研究人员。

为了在环境保护和可持续社会活动中取得平衡,需要降低功耗和提高功耗效率。业界正在研发下一代GaN功率半导体材料,以满足这些需求。如负责功率控制的高频功率晶体管,许多GaN单晶衬底的质量存在问题,这些衬底作为电子器件(GaN-on-GaN器件)在独立的GaN衬底上制造,其潜力尚未充分发挥。

LPAAT方法由奇奇布教授及其同事、日本钢铁厂和三菱化学株式会社联合开发,是一种大直径的GaN单晶衬底,有望以低廉的价格大规模生产。已经投入实际应用,与使用高压超临界流体氨的酸性氨(AAT)方法相比,晶体生长压力为一半,由于设备配置和操作原因,它适合大规模生产。因此,研究人员决定进一步研究LPAAT方法的实际应用。

实际上,在LPAAT法实验炉中,根据生长中使用的种子种类(HVPE制、SCAAT制)的不同,从生长后的外观和结晶性等质量分析中确认了较大的差异,此外,根据本次联合研究框架的成果,使用三菱化学注册为SCAAT制的高品质GaN种子,通过LPAAT法生长的结晶 ,外观是透明和平坦的,低晶体马赛克(对称平面和非对称表面的X射线摇摆曲线半宽在20秒内)得到确认。

图1:使用 LPAAT 方法在高质量的 SCAAT 种子上生长的 GaN 单晶的外观、晶体结构特性和光致发光光谱

光致发光光谱,带端发射强度约3位高,由于在12K高纯度半导体中观察到的束缚激发子的重组,与深水平发射相比,在室温下,由于自由激子的重组,带端发射占主导地位,也证实了高纯度GaN晶体。

根据这一结果,研究人员希望,如果采用LPAAT方法的高质量GaN单晶衬底得到广泛应用,将促进以高可靠性GaN垂直功率晶体管为代表的GaN-on-GaN器件的研究,并有望尽早投入实际应用。


图2:使用GaN的垂直功率晶体管的示意图

今后,在大规模生产用大型高压釜应用中,以LPAAT法实现高品质且大口径的GaN衬底的批量生产技术的实际应用为目标,通过进一步优化生长温度、由此制作的GaN的辐射·非辐射再结合速率、空孔型缺陷浓度等进行定量, LPAAT方法进一步提高了GaN单晶的光学和电气特性。


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