STMicroelectronics制造出GaN/Si(001)HEMT

STMicroelectronics公司的S.Joblet和法国国家科学研究中心研究所的同行们在Si(001)衬底上生长出GaNHEMT。他们声称,这种Si(001)衬底比GaN/SiHEMT制造商Picogiga和Nitronex所使用的Si(111)衬底更适合于主流硅产业。Si(001)衬底用来制造GaNHEMT具有成本低、热导率高的优势,从这方面来说,是和业已用来制造晶体管的Si(111)衬底相同的。但是,由于Si(001)衬底广泛用于硅产业,因此,用这种材料制造的晶体管更适合与主流微电子电路集成。不过,在Si(001)衬底上生长GaN层有一些难处。Si与GaN之间晶格失配大(-16.2%),热膨涨之差为113%,…     

SiNx插入层对Si衬底上生长GaN薄膜晶体质量和表面形貌的影响

在Si(111)衬底上采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)技术外延生长GaN薄膜,对外延生长所得GaN薄膜的晶体结构和表面形貌进行表征,并研究SiNx插入层对GaN薄膜的晶体质量和表面形貌的影响.结果表明,在Si衬底上生长GaN薄膜过程中引入SiNx插入层可使GaN薄膜的(10-12)面的X-射线回摆曲线的半峰宽(FWHM)值从974.01减小到602.01arcsec;表面凹坑等缺陷减少、表面平整度提高.可见,SiNx插入层对在Si衬底上外延生长GaN薄膜的晶体质量和表面形貌有着重要的影响.     

AlN缓冲层厚度对脉冲激光沉积技术生长的GaN薄膜性能的影响

在蓝宝石(Al2O3)衬底上应用脉冲激光沉积技术(PLD)生长不同厚度的AlN缓冲层后进行GaN薄膜外延生长。采用高分辨X射线衍射仪(HRXRD)和扫描电子显微镜(SEM)对外延生长所得GaN薄膜的晶体质量和表面形貌进行了表征。测试结果表明: 相比直接在Al2O3衬底上生长的GaN薄膜, 通过生长AlN缓冲层的GaN薄膜虽然晶体质量较差, 但表面较平整; 而且随着AlN缓冲层厚度的增加, GaN薄膜的晶体质量和表面平整度均逐渐提高。可见, AlN缓冲层厚度对在Al2O3衬底上外延生长GaN薄膜的晶体质量和表面形貌有着重要的影响。     

AlN缓冲层厚度对脉冲激光沉积技术生长的GaN薄膜性能的影响

在蓝宝石(Al2O3)衬底上应用脉冲激光沉积技术(PLD)生长不同厚度的AlN缓冲层后进行GaN薄膜外延生长。采用高分辨X射线衍射仪(HRXRD)和扫描电子显微镜(SEM)对外延生长所得GaN薄膜的晶体质量和表面形貌进行了表征。测试结果表明:相比直接在Al2O3衬底上生长的GaN薄膜,通过生长AlN缓冲层的GaN薄膜虽然晶体质量较差,但表面较平整;而且随着AlN缓冲层厚度的增加,GaN薄膜的晶体质量和表面平整度均逐渐提高。可见,AlN缓冲层厚度对在Al2O3衬底上外延生长GaN薄膜的晶体质量和表面形貌有着重要的影响。     

玻璃衬底上制备GaN薄膜的研究进展

近年来,GaN基发光二极管(LED)的发展异常迅速,以玻璃为衬底的LED具有成本低、可大面积化生产等优点而引起了国内外许多科研机构的广泛研究兴趣.但由于普通玻璃较低的软化温度(500～ 600℃)以及与GaN之间存在较大的晶格失配问题,一直阻碍其发展.重点综述了玻璃衬底上生长GaN薄膜的方法以及改善外延层晶体质量的技术.分别介绍了两种在普通玻璃上生长GaN的方法,即低温生长和局部加热生长,同时详述了采用缓冲层和横向外延过生长(ELO)技术对外延GaN晶体质量的影响.对局部加热、ELO等技术在玻璃衬底LED方面的应用进行了分析和预测,认为以玻璃为衬底的LED终会取得快速地发展.     

MOCVD外延生长GaN材料的技术进展

第三代半导体材料GaN由于具有优良性质使其在微电子和光电子领域有广阔的应用前景,目前制备GaN的方法主要有分子束(MBE)、氯化物气相外延(HVPE)、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)。其中HVPE技术制备GaN的速度最快,适合制备衬底材料;MBE技术制备GaN的速度最慢;而MOCVD制备速度适中。因而MOCVD在外延生长GaN材料方面得到广泛应用。介绍了MOCVD法外延生长GaN材料的基本理论、发展概况、利用MOCVD法外延生长GaN材料的技术进展。认为应结合相关技术发展大面积、高质量GaN衬底的制备技术,不断完善缓冲层技术,改进和发展横向外延技术,加快我国具有国际先进水平的MOCVD设备的研发速度,逐步打破进口设备的垄断。     

100mm直径硅衬底上MOCVD外延生长无裂纹GaN

为实现在100 mm直径硅衬底上金属有机物化学气相外延(MOCVD)生长无裂纹GaN,系统研究了预铺铝时间参数对AlN成核质量的影响、不同厚度条件下AlN层对GaN生长的影响以及Al组分渐变的AlGaN缓冲层对GaN裂纹抑制的效果。实验结果表明,适当的预铺铝时间可以显著提高AlN成核层晶体质量,合理的AlN层厚度有助于上层GaN的生长,AlN与GaN之间AlGaN缓冲层的引入可以有效抑制GaN裂纹的产生。最后,采用高分辨率X射线衍射(HRXRD)测试了MOCVD外延生长的无裂纹GaN材料,得到AlN(002)面、GaN(002)面和GaN(102)面的衍射峰半峰宽(FWHM)分别为1 382,550和746 arcsec。     

利用混合极性制备多孔缓冲层及其在GaN厚膜外延中的应用

使用分子束外延(MBE)技术在(0001)面蓝宝石衬底上生长混合极性的氮化镓(GaN)薄膜,利用不同极性面的GaN薄膜在强碱溶液中腐蚀特性的差异,混和极性样品经腐蚀处理后,得到了一层具有多孔结构的GaN层.以多孔结构的GaN作为缓冲层,用卤化物气相外延(HVPE)方法生长GaN厚膜.X射线双晶衍射和光致发光等测试结果表明,多孔结构的GaN缓冲层可以有效地释放GaN厚膜和衬底之间因热膨胀系数失配产生的应力,使GaN厚膜晶体的质量得到很大提高.     

利用混合极性制备多孔缓冲层及其在GaN厚膜外延中的应用

使用分子束外延(MBE)技术在(0001)面蓝宝石衬底上生长混合极性的氮化镓(GaN)薄膜,利用不同极性面的GaN薄膜在强碱溶液中腐蚀特性的差异,混和极性样品经腐蚀处理后,得到了一层具有多孔结构的GaN层.以多孔结构的GaN作为缓冲层,用卤化物气相外延(HVPE)方法生长GaN厚膜.X射线双晶衍射和光致发光等测试结果表明,多孔结构的GaN缓冲层可以有效地释放GaN厚膜和衬底之间因热膨胀系数失配产生的应力,使GaN厚膜晶体的质量得到很大提高.     

IC封装

晶能光电硅衬底LED技术实现产业化位于南昌高新开发区的晶能光电(江西)有限公司(Lattice Power),在GaN基半导体发光材料     

GaN基材料及其外延生长技术研究

介绍了GaN基材料的基本特性、三种主要外延生长技术(MOCVD、MBE、HVPE)、衬底材料的选择及缓冲层技术;分析得出目前存在的GaN体单晶技术不完善、外延成本高、衬底缺陷及接触电阻大等主要问题制约了研究的进一步发展;指出今后的研究重点是完善GaN体单晶材料的生长工艺,以利于深入研究GaN的物理特性及有效地解决衬底问题,研究缓冲层的材料、厚度、组分等以提高GaN薄膜质量。     

Si衬底和Si-SiO_2-Si柔性衬底上的GaN生长

使用MBE方法在Si(111)衬底和Si SiO2 Si柔性衬底上生长了GaN外延层 ,并对在两种衬底上生长的样品进行了对比分析 .在柔性衬底上获得了无裂纹的外延层 ,其表面粗糙度为 0 6nm .研究了GaN外延层中的应力及其光学性质 ,光致发光测试结果表明柔性衬底上生长的外延层中应力和杂质浓度明显低于直接生长在Si衬底上的样品的值 .研究结果显示了所用柔性衬底有助于改善GaN外延膜的质量     

Si衬底和Si-SiO2-Si柔性衬底上的GaN生长

使用MBE方法在Si(111)衬底和Si-SiO2-Si柔性衬底上生长了GaN外延层,并对在两种衬底上生长的样品进行了对比分析.在柔性衬底上获得了无裂纹的外延层,其表面粗糙度为0.6nm.研究了GaN外延层中的应力及其光学性质,光致发光测试结果表明柔性衬底上生长的外延层中应力和杂质浓度明显低于直接生长在Si衬底上的样品的值.研究结果显示了所用柔性衬底有助于改善GaN外延膜的质量.     

Si衬底GaN外延材料六角形缺陷分析

通过改变AlN形核层的生长温度分别在Si(111)衬底上生长了两个GaN样品,并对GaN外延材料表面的六角形缺陷进行了分析研究。通过显微镜和扫描电镜(SEM)观测发现,AlN形核层在高温下生长时,GaN材料表面会产生大量六角形缺陷。通过电子能谱(EDS)分析得出GaN六角形缺陷中含有大量的Si元素以及少量的Ga和Al元素,其中Si元素从Si衬底中高温扩散而来。在降低AlN形核层的生长温度后,GaN材料表面的六角形缺陷随之消失。表明AlN形核层在较低的温度下生长时可以有效地抑制Si衬底表面Si原子的扩散,减少外延层中由于衬底Si反扩散引起的缺陷。     

材料制备工艺

通过分子束外延生长Ⅲ-Ⅴ半导体过程中形态的反馈控制(见0103366)Si(Ⅲ)衬底上 A1GaN/GaN 高电子迁移率晶体管的微波性能(见0102006)硅基 PZT 铁电薄膜的界面和表面研究(见0101847)CSD 法制备 PZT/Bi_2Ti_2O_7薄膜的研究(见0101846)     

GaN在Si(001)上的ECR等离子体增强MOCVD直接生长研究

研究了用电子回旋共振(ECR)等离子体增强金属有机物化学气相沉积(PEMOCVD)技术在Si(001)衬底上,低温(620～720℃)下GaN薄膜的直接外延生长及晶相结构.高分辨透射电镜(HRTEM)和X射线衍射(XRD)结果表明:在Si(001)衬底上外延出了高度c轴取向纤锌矿结构的GaN膜,但在GaN/Si(001)界面处自然形成了一层非晶层,其两个表面平坦而陡峭,厚度均匀(≈2nm).分析认为,在初始成核阶段N与Si之间反应所产生的这层SixNy非晶层使GaN的β相没有形成.XRD和原子力显微镜(AFM)结果表明,衬底表面的原位氢等离子体清洗,GaN初始成核及后续生长条件对GaN膜的晶体质量非常重要.     

GaN在Si(001)上的ECR等离子体增强MOCVD直接生长研究

研究了用电子回旋共振(ECR)等离子体增强金属有机物化学气相沉积(PEMOCVD)技术在Si(001)衬底上,低温(620～720℃)下GaN薄膜的直接外延生长及晶相结构.高分辨透射电镜(HRTEM)和X射线衍射(XRD)结果表明:在Si(001)衬底上外延出了高度c轴取向纤锌矿结构的GaN膜,但在GaN/Si(001)界面处自然形成了一层非晶层,其两个表面平坦而陡峭,厚度均匀(≈2nm).分析认为,在初始成核阶段N与Si之间反应所产生的这层SixNy非晶层使GaN的β相没有形成.XRD和原子力显微镜(AFM)结果表明,衬底表面的原位氢等离子体清洗,GaN初始成核及后续生长条件对GaN膜的晶体质量非常重要.     

大尺寸HVPE反应室生长GaN的数值模拟

利用有限元法对单片6英寸(1英寸=2.54 cm)GaN衬底用氢化物气相外延(HVPE)生长系统的工艺参数进行了数值模拟和优化.通过建立反应室二维几何模型,依次改变HVPE系统中的GaCl,NH3和分隔气(N2)流速等主要参数进行数值模拟,研究分析了反应室内各反应物的浓度分布和衬底上GaN的生长速率变化,同时考虑了涡旋分布以及GaCl出口管壁上寄生沉积等对衬底上GaN生长的影响,并给出了HVPE系统高速率均匀生长GaN的优化参数.模拟分析还表明,适当降低HVPE反应室内的压强可以改善衬底上GaN生长的均匀性.     

石墨烯上生长GaN纳米线的研究

在常压条件下采用化学气相淀积(CVD)技术在有石墨烯插入层的衬底上生长GaN纳米线,研究了生长温度、石墨烯插入层、催化剂等因素对GaN纳米线的形貌、光学特性以及结构的影响.通过扫描电子显微镜(SEM)、光致发光(PL)谱、拉曼(Raman)谱和透射电子显微镜(TEM)等表征手段对GaN纳米线的形貌、光学特性以及结构进行表征.结果表明,在1 100℃条件下,同时有石墨烯插层和催化剂的衬底表面能够获得低应力单晶GaN纳米线.石墨烯、催化剂对于获得低应力单晶GaN纳米线有重要的作用.     

Si衬底上侧向外延生长GaN的研究

采用条形Al掩模在Si(111)衬底上进行了GaN薄膜侧向外延的研究.结果显示,当掩模条垂直于Si衬底[11-2]方向,也即GaN[10-10]方向时,GaN无法通过侧向生长合并得到表面平整的薄膜;当掩模条平行于Si衬底[11-2]方向,也即GaN[10-10]方向时,GaN侧向外延速度较快,有利于合并得到平整的薄膜.同时,研究表明,升高温度和降低生长气压都有利于侧向生长.通过优化生长工艺,在条形Al掩模Si(111)衬底上得到了连续完整的GaN薄膜.原子力显微镜测试显示,窗口区域生长的GaN薄膜位错密度约为1×109/cm2,而侧向生长的GaN薄膜位错密度降低到了5×107/cm2以下.