創(chuàng)新GaN工藝：有望實現(xiàn)低成本、大規(guī)模生產(chǎn)

5月26日，日本東北大學對作為GaN（氮化鎵）襯底的量產(chǎn)法而開發(fā)的“低壓酸性單熱（LPAAT）法”的實際應用進行了研究，明確了所使用的種子襯底的質(zhì)量對生長后的晶體質(zhì)量的影響，以及通過使用高品質(zhì)的種子，生長后的結晶度也變好， 宣布在室溫下的光致發(fā)光光譜也證實，通過自由激子重組產(chǎn)生的帶端發(fā)光純度變高。

這一成果由聯(lián)合研究小組完成，該研究小組由東北大學多元材料科學研究所的奇奇布·希格希德教授、石谷泰三博士和助理教授Tsubira Tsubaki組成，他們來自日本鋼鐵廠新業(yè)務推進總部光子事業(yè)部氮化鎵Gr和三菱化學技術總部筑波工廠的Garin夜騎技術中心的研究人員。

為了在環(huán)境保護和可持續(xù)社會活動中取得平衡，需要降低功耗和提高功耗效率。業(yè)界正在研發(fā)下一代GaN功率半導體材料，以滿足這些需求。如負責功率控制的高頻功率晶體管，許多GaN單晶襯底的質(zhì)量存在問題，這些襯底作為電子器件（GaN-on-GaN器件）在獨立的GaN襯底上制造，其潛力尚未充分發(fā)揮。

LPAAT方法由奇奇布教授及其同事、日本鋼鐵廠和三菱化學株式會社聯(lián)合開發(fā)，是一種大直徑的GaN單晶襯底，有望以低廉的價格大規(guī)模生產(chǎn)。已經(jīng)投入實際應用，與使用高壓超臨界流體氨的酸性氨（AAT）方法相比，晶體生長壓力為一半，由于設備配置和操作原因，它適合大規(guī)模生產(chǎn)。因此，研究人員決定進一步研究LPAAT方法的實際應用。

實際上，在LPAAT法實驗爐中，根據(jù)生長中使用的種子種類（HVPE制、SCAAT制）的不同，從生長后的外觀和結晶性等質(zhì)量分析中確認了較大的差異，此外，根據(jù)本次聯(lián)合研究框架的成果，使用三菱化學注冊為SCAAT制的高品質(zhì)GaN種子，通過LPAAT法生長的結晶 ，外觀是透明和平坦的，低晶體馬賽克（對稱平面和非對稱表面的X射線搖擺曲線半寬在20秒內(nèi)）得到確認。

圖1：使用 LPAAT 方法在高質(zhì)量的 SCAAT 種子上生長的 GaN 單晶的外觀、晶體結構特性和光致發(fā)光光譜

光致發(fā)光光譜，帶端****強度約3位高，由于在12K高純度半導體中觀察到的束縛激發(fā)子的重組，與深水平****相比，在室溫下，由于自由激子的重組，帶端****占主導地位，也證實了高純度GaN晶體。

根據(jù)這一結果，研究人員希望，如果采用LPAAT方法的高質(zhì)量GaN單晶襯底得到廣泛應用，將促進以高可靠性GaN垂直功率晶體管為代表的GaN-on-GaN器件的研究，并有望盡早投入實際應用。

圖2：使用GaN的垂直功率晶體管的示意圖

今后，在大規(guī)模生產(chǎn)用大型高壓釜應用中，以LPAAT法實現(xiàn)高品質(zhì)且大口徑的GaN襯底的批量生產(chǎn)技術的實際應用為目標，通過進一步優(yōu)化生長溫度、由此制作的GaN的輻射·非輻射再結合速率、空孔型缺陷濃度等進行定量， LPAAT方法進一步提高了GaN單晶的光學和電氣特性。