CN109411329A - 氮化镓单结晶晶片的制造方法 - Google Patents
氮化镓单结晶晶片的制造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109411329A CN109411329A CN201811108987.3A CN201811108987A CN109411329A CN 109411329 A CN109411329 A CN 109411329A CN 201811108987 A CN201811108987 A CN 201811108987A CN 109411329 A CN109411329 A CN 109411329A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gan
- gallium nitride
- manufacturing
- substrate
- nitride single
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 110
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 49
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 44
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 35
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 63
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 48
- 230000012010 growth Effects 0.000 claims abstract description 45
- 238000002248 hydride vapour-phase epitaxy Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims abstract description 3
- SNAAJJQQZSMGQD-UHFFFAOYSA-N aluminum magnesium Chemical compound [Mg].[Al] SNAAJJQQZSMGQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N scandium atom Chemical compound [Sc] SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 15
- 238000000407 epitaxy Methods 0.000 claims description 3
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical group [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- NWAIGJYBQQYSPW-UHFFFAOYSA-N azanylidyneindigane Chemical compound [In]#N NWAIGJYBQQYSPW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000004645 scanning capacitance microscopy Methods 0.000 abstract description 33
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 abstract description 18
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 abstract description 18
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 40
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 15
- UPWPDUACHOATKO-UHFFFAOYSA-K gallium trichloride Chemical compound Cl[Ga](Cl)Cl UPWPDUACHOATKO-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 description 12
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 11
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 230000008676 import Effects 0.000 description 9
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 9
- 229910000069 nitrogen hydride Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 6
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000013067 intermediate product Substances 0.000 description 5
- NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N novaluron Chemical compound C1=C(Cl)C(OC(F)(F)C(OC(F)(F)F)F)=CC=C1NC(=O)NC(=O)C1=C(F)C=CC=C1F NJPPVKZQTLUDBO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- IBEFSUTVZWZJEL-UHFFFAOYSA-N trimethylindium Chemical compound C[In](C)C IBEFSUTVZWZJEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000047 product Substances 0.000 description 4
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 description 4
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 3
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 241001025261 Neoraja caerulea Species 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 241000287828 Gallus gallus Species 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 1
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000007792 gaseous phase Substances 0.000 description 1
- IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N hcl hcl Chemical compound Cl.Cl IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001534 heteroepitaxy Methods 0.000 description 1
- 150000004678 hydrides Chemical class 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 238000009738 saturating Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000004575 stone Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02367—Substrates
- H01L21/0237—Materials
- H01L21/0242—Crystalline insulating materials
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02436—Intermediate layers between substrates and deposited layers
- H01L21/02439—Materials
- H01L21/02455—Group 13/15 materials
- H01L21/02458—Nitrides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02518—Deposited layers
- H01L21/02521—Materials
- H01L21/02538—Group 13/15 materials
- H01L21/0254—Nitrides
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02612—Formation types
- H01L21/02617—Deposition types
- H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/02104—Forming layers
- H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
- H01L21/02612—Formation types
- H01L21/02617—Deposition types
- H01L21/02634—Homoepitaxy
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/20—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy
- H01L21/2003—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy characterised by the substrate
- H01L21/2011—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy characterised by the substrate the substrate being of crystalline insulating material, e.g. sapphire
-
- H01L21/2056—
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
本发明属于制造方法，具体涉及一种氮化镓单结晶晶片的制造方法。一种氮化镓单结晶晶片的制造方法，包括下述步骤：通过运用HVPE二段生长法让氮化镓结晶在铝镁酸钪(ScAlMgO4)基板上生长。本发明的显著效果是：本发明中的GaN结晶的最大特征体现在其结晶品质和晶片大小上。在本发明中,因为GaN基板的晶格常数和热膨胀系数和SCAM基板基本一致,所以可以实现无位错、无结晶缺陷的高品质GaN结晶的制造。
Description
技术领域
本发明属于制造方法，具体涉及一种氮化镓单结晶晶片的制造方法。
背景技术
半导体激光二极管、发光二极管、晶体三极管等半导体原件,是在基板上根据晶格的整合条件层积而成的高品质薄膜结晶层内完成制造的。换而言之,薄膜结晶层和基板间的晶格整合技术,决定了是否可是实现结晶缺陷少的高品质结晶的制造。而在2014年的诺贝尔奖中大放异彩的GaN蓝光LED的制造,因为当时还没有高品质的GaN基板,所以是在蓝宝石基板上进行制造的。由于蓝宝石基板和GaN层之间的晶格并不能实现整合,使得被称为穿透位错的结晶缺陷密度达到了108/cm2以上。这比本来的期望数值足足高出了5个数量级。
这一情况目前虽然已经得到了部分改善,但是,在非GaN材质的异种材料, 如蓝宝石(αAl2O3)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)、氧化锌(ZnO)等材质制造的基板上,通过氢化物气相外延(HVPE)法制得由GaN层层叠而成的复合基板, 或者将层叠而成的GaN层从异种材料的基板上剥离或者切片后,作为GaN独立基板使用。这些都无法避免结晶缺陷的发生,相比之下情况并没有得到显著的改善。
GaN蓝光LED和LD已经进入实用化阶段,最尖端的研究对象也开始渐渐从发光原件向电子原件转移。尤其是电力转换用晶体三极管的研究目前正处于十分兴盛的阶段。电力转换用晶体三极管,作为开关原件组成变频器等电源电路的一部分,变频器可以通过改变交流电的频率实现对电动机的控制,是电动机节能控制设备的最佳选择,同时也在节能空调、节能电磁炉及其它电磁加热型厨房家电、工业用电动机以及电动汽车、电气列车等运输设备中有着广泛的应用。目前最为常用的是Si系绝缘栅型双极性晶体管(bipolartransistor)。其中一部分为SiC电力转换用晶体三极管。GaN电力转换用晶体三极管比起SiC电力转换用晶体三极管拥有更高的临界击穿电压,因而被作为替代SiC的次时代电力转换用晶体三极管备受期待。
现在可以购得的GaN基板基本都是2英寸基板。其原因在于存在前文记述的结晶缺陷,因而导致无法制作更大直径的GaN基板。所以尺寸在2英寸以上的大型基板并未在一般市场上流通。而价格却是SiC基板的数十倍,基板中的穿透位错密度达到了105～107cm-2之巨。用氨热法(ammonothermalmethod)等方法制得的锭状GaN单晶基板和使用异质外延成长层法制得的GaN基板相比,穿透位错的密度要小上3～4个数量级。该工艺为电力转换用晶体三极管(GaN系)的实现创造了可能性。但是此时制得的基板价格为SiC基板价格的数百倍。如上所述,GaN电力转换用晶体三极管用基板的制造,最佳的选择为由同一材料(GaN)制造的GaN 单晶基板。但是GaN基板的品质提升和大直径化仍是一个重要的课题。
表1是GaN结晶生长的基板后补材料:GaN、αAl2O3、SiC、Si、GaAs、ZnO以及 ScAlMgO4的晶格常数和热膨胀系数。该表中,a和c表示材料的结晶轴。从表1中可以看出,GaN的晶格常数为a＝3.18,c＝5.17。如果将GaN的晶格常数视作1 的话,αAl2O3的晶格常数为GaN的1.50倍,SiC为0.97倍、Si为1.71倍、GaAs 为1.78倍、ZnO为1.04倍。另一方面,GaN的热膨胀系数(×10-6/℃)为a＝5.6、 c＝3.2。如果将GaN的热膨胀系数视作1的话,αAl2O3的热膨胀系数为GaN的0.77 倍,SiC为0.75倍、Si为0.43倍、GaAs为1.02倍、ZnO为0.57倍。无论从晶格常数还是从热膨胀系数来看,都没有和GaN一致的材料。因此,当在以这些材料制成的基板上生长GaN结晶时,因为生长的结晶和基板间的晶格常数和热膨胀系数的差异,导致成长的GaN内部产生应力,导致结晶缺陷甚至断裂。而受到GaN 内部残留应力的影响,晶片整体会产生变形翘起,这也是不可避免的一个问题。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供一种氮化镓单结晶晶片的制造方法。
本发明是这样实现的：一种氮化镓单结晶晶片的制造方法，包括下述步骤：通过运用HVPE二段生长法让氮化镓结晶在铝镁酸钪(ScAlMgO4)基板上生长。
如上所述的一种氮化镓单结晶晶片的制造方法，其中，所述的二段生长法包括，第一阶段的氮化镓缓冲层为低温生长而成,第二阶段的氮化镓单结晶为高温生长而成。
如上所述的一种氮化镓单结晶晶片的制造方法，其中，所述的二段生长法第一阶段为氮化铟镓(GaInN)层的生长,第二阶段为氮化镓单结晶的生长。
如上所述的一种氮化镓单结晶晶片的制造方法，其中，所述的氮化铟镓的分子构成满足InxGa1-xN(x＝0.17)。
如上所述的一种氮化镓单结晶晶片的制造方法，其中，氮化镓单结晶通过劈开或切片得到成品。
本发明的显著效果是：本发明中的GaN结晶的最大特征体现在其结晶品质和晶片大小上。在本发明中,因为GaN基板的晶格常数和热膨胀系数和SCAM基板基本一致,所以可以实现无位错、无结晶缺陷的高品质GaN结晶的制造。
附图说明
图1为用HVPE法生产GaN结晶所用的结晶生长装置的截面粗略示意图。
图2为基于本发明方法实施的实例1的制造工序示意图(单枚GaN晶片的制作)
图3为基于本发明方法实施的制造工序示意图(GaN晶锭和多枚晶片的制作)
图中：1、反应炉；2、加热设备；3、原料气体导入管；4、原料气体导入管；5、载气导入管；6、Ga存储槽；7、基板；8、排气；21、SCAM基板；22、缓冲GaN层；23、GaN层结晶层；24、GaN晶片；25、InxGa1-xN层；26、多枚 GaN晶片。
具体实施方式
我们选用ScAlMgO4(SCAM)作为基板的材质。SCAM本来是由美国的贝尔实验室在1995年为制造高亮度GaNLED而开发的结晶基板。但是由于其结晶制造工艺极其困难,所以相关研究并没有得到进一步的发展。而最近该新型结晶已经实现了直径为2英寸的晶片制作。
如表1中显示的那样,SCAM的晶格常数为a＝3.24,c＝2.52,和GaN的晶格不吻合度在GaN(0001)面内只有约1.8％。热膨胀系数(×10-6/℃)为a＝6.2、c＝3.9, 和GaN相比,在GaN(0001)面内为GaN的1.1倍,在垂直方向上为GaN的1.2倍, 数值基本一致。可以有效抑制晶格弯曲和热膨胀弯曲导致的结晶缺陷或晶片变形。有利于制造更大直径的GaN基板。但是,因为SCAM的晶格常数和热膨胀系数并非和GaN完全一致,所以对采用HVPE法的晶体生长工序有更高的要求。
在本发明中,使用HVPE二段生长法进行制造。在第一阶段中,低温下使用 HVPE法促成GaN缓冲层在SCAM基板上的生长。在第二阶段中,高温下在生长完成的GaN缓冲层上促成GaN单结晶层的外延生长。之后撤去SCAM基板完成GaN 单结晶基板的制造。以上便是1枚GaN单结晶基板的主要制造方法。
另外,还有一种制造方法:在第一阶段中,使用HVPE法促成晶格整合的 InxGa1-xN层在SCAM基板上的生长。在第二阶段中,在已经生长完成的InxGa1-xN层上促成GaN单结晶层的外延生长。之后撤去SCAM基板完成GaN单结晶基板的制造(参照申请项目3、4中的记载)。以上主要阐述了GaN单结晶锭的制造方法。该方法至少可以制造厚度在10mm以上的GaN结晶锭,可以将该结晶锭切开或劈开, 从而得到数枚GaN基板。
有关HVPE法的说明如图1所示。在热壁型反反应炉1的周围设置有加热装置2。因为要将原料气体导入反应炉1中,所以要在反应炉1上设置原料导入管道3、4以及载气导入管5。在反应炉1的内部空间中,设置Ga存储槽6,原料金属 Ga则被收纳在Ga存储槽6中。导入由氢气(H2)和盐酸(HCl)气体组成的混合气体。气体导入管3的开口在Ga存储槽6的下游位置,且开口朝向基板7。接下来导入H2和氨气(NH3)组成的混合气体。在反应炉1的内部空间中有可以任意旋转、升降的基座(图中没有画出)。基座由转轴支撑。在基座的上方放置SCAM基板7, 加热器2开始对其加热。H2和HCl气体组成的混合气体由导入管4向内供给,并吹向Ga存储槽6,经化学反应产生气态中间产物——氯化镓(GaCl)。GaCl在被加热的SCAM基板7附近与从导入管3导入的氨气接触,GaCl和NH3发生化学反应, 在SCAM基板7上合成GaN结晶。未能参与结晶成长的气体则从反应炉1下游一侧排气8,排出炉体。
在本发明中,首先在相对较低的温度450摄氏度～500摄氏度的反应环境中完成数十纳米～100nm厚度的GaN薄膜缓冲层的生长。接着在800摄氏度～1050 摄氏度的高温反应环境中完成GaN外延层的生长。此时之前的缓冲层已经完成结晶化,在该缓冲层上可以承载的GaN外延层可以达到约1mm的厚度。经过上述结晶生长过程后,从SCAM基板上剥离GAN外延层,便可制得一枚晶片。为了获得平坦通透的结晶生长表面,还要经过研磨工序处理。
实例1(HVPE法配合二段生长法制作单枚GaN晶片)
图2展示了基于本发明方法实施的实例1的制造工序示意图(单枚GaN晶片的制作)及其工艺流程(结晶生长准备阶段——结晶生长工序——结晶切片工序——研磨·洗净工序)。在完成各种结晶成长前的准备工作后(在此忍痛略去详细步骤),运用HVPE法配合二段生长法在SCAM基板21上完成GaN缓冲层22和GaN 外延层23的生长。从SCAM基板上剥离GaN层,将剥离的GaN层研磨、洗净后得到 GaN单晶基板24成品。
(1)GaN缓冲层的结晶生长工序
将直径2英寸的SCAM基板放置到反应炉1(HVPE装置)中的基座(图中没有画出)上。将反应炉抽成真空并把SCAM基板加热至大约500摄氏度。另一方面,将Ga存储槽6加热至850摄氏度使Ga融化为液态。从原料气体导入管4 通入H2和HCl气体组成的混合气体,并吹向Ga存储槽6。这一步的目的是合成中间产物GaCl。流动的氢气作为一种载气,导入GaCl气体的下方。从原料气体导入管3通入H2和NH3组成的混合气体,在被加热到500摄氏度的SCAM基板上发生如下化学反应:
GaCl+NH3→GaN
从而在SCAM基板上堆叠形成GaN结晶层。经过该步骤后,在SCAM基板上形成一层厚度约100nm的GaN缓冲层。
(2)GaN外延层的结晶生长工序
停止从原料气体导入管4向炉内导入H2和HCl气体组成的混合气体,将基板温度从500摄氏度继续加热提升至1000摄氏度。接着继续通入H2和HCl气体组成的混合气体,并吹向Ga存储槽6。和上一道工序一样,让Ga和HCl反应生成GaCl中间产物。流动的氢气则作为一种载气,导入GaCl气体的下方。GaCl 和NH3在被加热的基板上反应得到GaN。这样一来,在GaN缓冲层上开始外延层的生长,高品质的GaN不断堆积形成结晶。生长速度为50μm/H。直至GaN外延层的厚度生长至约500μm。
(3)SCAM基板的剥离工序
如图2所示,SCAM基板因为具有可分离特性,可以轻易实现从GaN生长层的完全剥离。只留下GaN结晶层呈现出一整片晶片的形状。对该晶片进行两面研磨后得到GaN单晶基板24成品。
实例2(HVPE法配合二段生长法制作GaN晶锭和多枚晶片)
图3展示了基于本发明方法实施的制造工序示意图(GaN晶锭和多枚晶片的制作)。完成事前的一系列准备工作后(在此忍痛略去详细步骤),使用HVPE 法结合二段生长法,在SCAM基板21上完成InxGa1-xN(x＝0.17)层25和GaN外延层23的制造。将GaN晶锭从SCAM基板上剥离下来,经过切片工序、研磨工序、洗净工序后得到数枚GaN晶片26。
(1)InxGa1-xN(x＝0.17)层的结晶生长工序
将直径2英寸的SCAM基板7放置到反应炉1(HVPE装置)中的基座(图中没有画出)上。将反应炉抽成真空并把SCAM基板加热至大约850摄氏度。另一方面,将Ga存储槽6加热至850摄氏度使Ga融化为液态。从原料气体导入管4 通入H2和HCl气体组成的混合气体,并吹向Ga存储槽6。这一步的目的是合成中间产物GaCl。流动的氢气作为一种载气,导入GaCl气体的下方。从原料气体导入管3通入H2和NH3组成的混合气体,从原料气体导入管5导入H2和三甲基铟(TMI)组成的混合气体,在被加热到850摄氏度的SCAM基板上发生如下化学反应:
TMI+GaCl+NH3→InGaN
从而在SCAM基板上堆叠形成InGaN结晶层。具体的结晶生长条件在此忍痛省去,总之通过成分控制拘束,在SCAM基板上生长出一层厚度约100nm的 InxGa1-xN(x＝0.17)层。因为InxGa1-xN(x＝0.17)层的晶格常数和SCAM基板一致,所以完全观察不到任何结晶缺陷。
在本发明的实例2中,在SCAM基板上生长晶格整合InxGa1-xN层时选用的方法是向HVPE装置中导入TMI。此处也可使用金属有机化合物化学气相沉淀 (MOCVD)法实现结晶的生长。
(2)GaN外延层的加厚生长工序
停止从原料气体导入管5向内导入H2和TMI组成的混合气体,以及停止从原料气体导入管4向内导入H2和HCl气体组成的混合气体,将基板温度从850 摄氏度继续加热提升至1000摄氏度。接着从原料气体导入管4向内继续通入 H2和HCl气体组成的混合气体,并吹向Ga存储槽6。Ga和HCl反应生成GaCl 中间产物。流动的氢气则作为一种载气,导入GaCl气体的下方。GaCl和从气体导入管3导入的NH3在被加热的基板上反应得到GaN。这样一来,在InxGa1-xN(x＝0.17)层上开始外延层的生长,高品质的GaN不断堆积形成结晶。直至圆柱状GaN晶锭的高度生长至约5cm左右。
(3)用内刃式薄片切割机分割出晶片
使用内刃式薄片切割机,切割方向垂直晶锭的中轴线方向,分割出500μm 厚度晶片。可以得到约100枚切割晶片。
(4)研磨
切好的晶片(详细的条件此处省略)经过化学鸡血的研磨后,再进行收尾研磨。最终制得GaN单晶晶片的成品。
(5)电气特性的测定
通过对晶片进行电气特性测定,得到的结果如下:n型GaN,电子移动速度为300cm2/Vs,电阻系数0.05Ωcm。
【表1】制造GaN结晶生长基板的各种候补材料的结晶常数和热膨胀系数。
| 材料名 | 晶格常数() | 热膨胀系数(×10<sup>-6</sup>/℃) |
| GaN | a＝3.18,c＝5.17 | a＝5.6,c＝3.2 |
| αAl<sub>2</sub>O<sub>3</sub> | a＝4.76,c＝12.9 | a＝4.3,c＝3.9 |
| SiC | a＝3.08,c＝15.1 | a＝4.2,c＝4.7 |
| Si | a＝5.43,c＝5.43 | a＝2.4,c＝2.4 |
| GaAs | a＝5.65,c＝5.65 | a＝5.7,c＝5.7 |
| ZnO | a＝3.32,c＝5.19 | a＝3.2,c＝3.9 |
| ScAlMgO<sub>4</sub> | a＝3.24,c＝2.52 | a＝6.2,c＝3.9 |
Claims (5)
1.一种氮化镓单结晶晶片的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：通过运用HVPE二段生长法让氮化镓结晶在铝镁酸钪(ScAlMgO4)基板上生长。
2.如权利要求1所述的一种氮化镓单结晶晶片的制造方法，其特征在于：所述的二段生长法包括，第一阶段的氮化镓缓冲层为低温生长而成,第二阶段的氮化镓单结晶为高温生长而成。
3.如权利要求1所述的一种氮化镓单结晶晶片的制造方法，其特征在于：所述的二段生长法第一阶段为氮化铟镓(GaInN)层的生长,第二阶段为氮化镓单结晶的生长。
4.如权利要求3所述的一种氮化镓单结晶晶片的制造方法，其特征在于：所述的氮化铟镓的分子构成满足InxGa1-xN(x＝0.17)。
5.如权利要求1～4中任意一个权利要求所述的一种氮化镓单结晶晶片的制造方法，其特征在于：氮化镓单结晶通过劈开或切片得到成品。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811108987.3A CN109411329A (zh) | 2018-09-21 | 2018-09-21 | 氮化镓单结晶晶片的制造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811108987.3A CN109411329A (zh) | 2018-09-21 | 2018-09-21 | 氮化镓单结晶晶片的制造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109411329A true CN109411329A (zh) | 2019-03-01 |
Family
ID=65465213
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811108987.3A Pending CN109411329A (zh) | 2018-09-21 | 2018-09-21 | 氮化镓单结晶晶片的制造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109411329A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111607824A (zh) * | 2020-06-02 | 2020-09-01 | 无锡吴越半导体有限公司 | 基于ScAlMgO4衬底的氮化镓单晶及其制备方法 |
| CN113035689A (zh) * | 2021-02-26 | 2021-06-25 | 无锡吴越半导体有限公司 | 一种氮化镓单结晶基板的制造方法 |
| CN113161226A (zh) * | 2021-03-10 | 2021-07-23 | 无锡吴越半导体有限公司 | 一种基于等离子体cvd的氮化镓单结晶基板制造方法 |
| CN115087766A (zh) * | 2020-02-14 | 2022-09-20 | 国立大学法人东海国立大学机构 | 氮化镓的气相生长装置及制造方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1174401A (zh) * | 1997-07-24 | 1998-02-25 | 北京大学 | GaN/Al2O3复合材料在Ⅲ－V族氮化物外延生长中做衬底的方法 |
| US20050009221A1 (en) * | 2003-06-23 | 2005-01-13 | Ngk Insulators, Ltd. | Method for manufacturing nitride film including high-resistivity GaN layer and epitaxial substrate manufactured by the method |
| US20050042789A1 (en) * | 2003-06-27 | 2005-02-24 | Hitachi Cable, Ltd. | Method for producing nitride semiconductor, semiconductor wafer and semiconductor device |
| CN101657569A (zh) * | 2007-03-02 | 2010-02-24 | 弗赖贝格化合物原料有限公司 | 通过气相外延法制备半导体化合物材料的方法及装置 |
| US8163651B2 (en) * | 2007-09-14 | 2012-04-24 | Sino-American Silicon Products Inc. | Method of fabricating semiconductor substrate by use of heterogeneous substrate and recycling heterogeneous substrate during fabrication thereof |
| CN103021946A (zh) * | 2012-12-05 | 2013-04-03 | 北京大学 | 一种通过机械去除法制备氮化镓单晶衬底的方法 |
| CN106653968A (zh) * | 2016-12-12 | 2017-05-10 | 上海芯元基半导体科技有限公司 | Iii‑v族氮化物生长用复合衬底、器件结构及制备方法 |
-
2018
- 2018-09-21 CN CN201811108987.3A patent/CN109411329A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1174401A (zh) * | 1997-07-24 | 1998-02-25 | 北京大学 | GaN/Al2O3复合材料在Ⅲ－V族氮化物外延生长中做衬底的方法 |
| US20050009221A1 (en) * | 2003-06-23 | 2005-01-13 | Ngk Insulators, Ltd. | Method for manufacturing nitride film including high-resistivity GaN layer and epitaxial substrate manufactured by the method |
| US20050042789A1 (en) * | 2003-06-27 | 2005-02-24 | Hitachi Cable, Ltd. | Method for producing nitride semiconductor, semiconductor wafer and semiconductor device |
| CN101657569A (zh) * | 2007-03-02 | 2010-02-24 | 弗赖贝格化合物原料有限公司 | 通过气相外延法制备半导体化合物材料的方法及装置 |
| US8163651B2 (en) * | 2007-09-14 | 2012-04-24 | Sino-American Silicon Products Inc. | Method of fabricating semiconductor substrate by use of heterogeneous substrate and recycling heterogeneous substrate during fabrication thereof |
| CN103021946A (zh) * | 2012-12-05 | 2013-04-03 | 北京大学 | 一种通过机械去除法制备氮化镓单晶衬底的方法 |
| CN106653968A (zh) * | 2016-12-12 | 2017-05-10 | 上海芯元基半导体科技有限公司 | Iii‑v族氮化物生长用复合衬底、器件结构及制备方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| E. S. HELLMAN ET AL.: "ScAlMgO4: an Oxide Substrate for GaN Epitaxy", 《MRS INTERNET JOURNAL OF NITRIDE SEMICONDUCTOR RESEARCH》 * |
| 唐慧丽等: "晶格匹配氮化镓和氧化锌基外延薄膜衬底材料ScAlMgO4晶体生长研究", 《人工晶体学报》 * |
| 董永军等: "《GaN和ZnO基外延薄膜用新型晶格匹配铝镁酸钪（ScAlMgO4）单晶衬底的制备及性能研究》", 《《硅酸盐学报》创刊50周年暨中国硅酸盐学会2007年学术年会论文摘要集》 * |
| 邢艳辉等: "引入n型InGaN/GaN超晶格层提高量子阱特性研究", 《物理学报》 * |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115087766A (zh) * | 2020-02-14 | 2022-09-20 | 国立大学法人东海国立大学机构 | 氮化镓的气相生长装置及制造方法 |
| US11869767B2 (en) | 2020-02-14 | 2024-01-09 | National University Corporation Tokai National Higher Education And Research System | Gallium nitride vapor phase epitaxy apparatus used in vapor phase epitaxy not using organic metal as a gallium raw material and manufacturing method therefor |
| CN115087766B (zh) * | 2020-02-14 | 2024-04-30 | 国立大学法人东海国立大学机构 | 氮化镓的气相生长装置及制造方法 |
| CN111607824A (zh) * | 2020-06-02 | 2020-09-01 | 无锡吴越半导体有限公司 | 基于ScAlMgO4衬底的氮化镓单晶及其制备方法 |
| WO2021244188A1 (zh) * | 2020-06-02 | 2021-12-09 | 无锡吴越半导体有限公司 | 基于ScAlMgO4衬底的氮化镓单晶及其制备方法 |
| JP2022552024A (ja) * | 2020-06-02 | 2022-12-14 | 無錫呉越半導体有限公司 | ＳｃＡｌＭｇＯ４基板に基づく窒化ガリウム単結晶及びその製造方法 |
| JP7412808B2 (ja) | 2020-06-02 | 2024-01-15 | 無錫呉越半導体有限公司 | ＳｃＡｌＭｇＯ４基板に基づく窒化ガリウム単結晶及びその製造方法 |
| CN113035689A (zh) * | 2021-02-26 | 2021-06-25 | 无锡吴越半导体有限公司 | 一种氮化镓单结晶基板的制造方法 |
| CN113161226A (zh) * | 2021-03-10 | 2021-07-23 | 无锡吴越半导体有限公司 | 一种基于等离子体cvd的氮化镓单结晶基板制造方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN109411329A (zh) | 氮化镓单结晶晶片的制造方法 | |
| US7794542B2 (en) | Bulk single crystal gallium nitride and method of making same | |
| JP4647525B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物結晶の製造方法 | |
| CN101410950B (zh) | 使用纳米结构柔性层和hvpe制造高质量化合物半导体材料的生长方法 | |
| CN105655238A (zh) | 基于石墨烯与磁控溅射氮化铝的硅基氮化镓生长方法 | |
| JP2005303246A (ja) | 新規なＳｉ基板上への高品質ＺｎＳｅエピタキシー層の成長方法 | |
| US20140054609A1 (en) | Large high-quality epitaxial wafers | |
| JP2007246331A (ja) | Ｉｉｉ−ｖ族窒化物系半導体基板及びその製造方法 | |
| CN101680114A (zh) | GaN系氮化物半导体自立基板的制作方法 | |
| JP2022552024A (ja) | ＳｃＡｌＭｇＯ４基板に基づく窒化ガリウム単結晶及びその製造方法 | |
| US20150017790A1 (en) | Method for manufacturing semiconductor device | |
| KR100450781B1 (ko) | Gan단결정제조방법 | |
| JP2007142003A (ja) | Ｉｉｉ族窒化物結晶の作製方法、エピタキシャル基板における反り低減方法、エピタキシャル基板、および半導体素子 | |
| JP3785566B2 (ja) | ＧａＮ系化合物半導体結晶の製造方法 | |
| KR20080037606A (ko) | ＧａｘＩｎ１―ｘＮ(0≤ｘ≤1) 결정의 제조 방법,ＧａｘＩｎ１―ｘＮ(0≤ｘ≤1) 결정 기판, ＧａＮ 결정의제조 방법, ＧａＮ 결정 기판 및 제품 | |
| US8853064B2 (en) | Method of manufacturing substrate | |
| JP2005001928A (ja) | 自立基板およびその製造方法 | |
| KR101335937B1 (ko) | Ｌｌｏ 방식을 이용한 질화갈륨 웨이퍼 제조 방법 | |
| EP2230334A1 (en) | MULTILAYER SUBSTRATE INCLUDING GaN LAYER, METHOD FOR MANUFACTURING THE MULTILAYER SUBSTRATE INCLUDING GAN LAYER, AND DEVICE | |
| TW202323576A (zh) | 異質磊晶晶圓的製造方法 | |
| JP2004165564A (ja) | 窒化ガリウム結晶基板の製造方法と窒化ガリウム結晶基板及びそれを備えた窒化ガリウム系半導体素子 | |
| JP5430467B2 (ja) | Ｉｉｉ族窒化物半導体成長用基板、ｉｉｉ族窒化物半導体自立基板、ｉｉｉ族窒化物半導体素子、ならびに、これらの製造方法 | |
| JP2005343704A (ja) | ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ結晶の製造方法 | |
| JP2003037069A (ja) | Ｉｉｉ族窒化物系化合物半導体の製造方法 | |
| JP2000044399A (ja) | 窒化ガリウム系化合物半導体のバルク結晶製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20190626 Address after: 214000 No. 11 Lijiang Road, Xinwu District, Wuxi City, Jiangsu Province Applicant after: Wuxi Wuyue Semiconductor Co.,Ltd. Address before: 214101 Shengli Xincun 61-7 201, Binhu District, Wuxi City, Jiangsu Province Applicant before: Zhang Haitao |
|
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190301 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |