住友推出孔隙辅助自支撑GaN

日本住友化学工业株式会社开发了一种孔隙辅助分离（PAS）法，用于制造自支撑氮化镓（GaN）衬底 [Masafumi Yokoyama et al Appl. Phys. Express, v17, p055502, 2024]。

研究人员评论道：“我们预计，所提出的方法将为实现具有良好生产率的更大尺寸自支撑GaN衬底开辟一条道路。”

住友认为，要想应对人类活动对全球气候的不良影响，提高电气系统的功率转换效率是其中一个关键因素。基于GaN的器件正是为此目的而开发，因为与硅等传统电子材料相比，这种宽禁带材料能够承受更大的电压和功率密度。

研究人员评论道：“事实上，以同质外延方式在自支撑GaN衬底上制造的垂直型GaN功率器件表现出了卓越的电压阻断能力和较低的导通电阻，基于GaN的特性，这一点不出所料。”

生产自支撑GaN的方法多种多样。关键步骤是在合适的衬底（如蓝宝石）上生长一层厚厚的GaN，然后将GaN与初始衬底分离。

目前，住友使用空隙辅助分离（VAS）氢化物气相外延（HVPE）生长工艺来生产2-4英寸的商用自支撑GaN衬底。住友认为，其VAS法能生产出更优质的衬底。研究人员担忧道：“然而，如果使用VAS法将GaN衬底的尺寸进一步扩大到4英寸（100mm）以上，空隙形成的工艺不均匀性可能会变得严重。”

特别的是，VAS法有一个高温退火步骤，对均匀性的要求高于直径大于100mm的晶圆所能实现的。因此，研究团队开发了一种PAS法，可以在室温下形成孔隙。

图1：工艺流程：（a）GaN模板，（b）电化学蚀刻造成的孔化，（c）通过HVPE再生长厚GaN层，（d）HVPE生长后冷却过程中自支撑GaN衬底的分离。

研究人员首先利用金属有机气相外延（MOVPE）或HVPE制备了自支撑GaN材料的模板（图1）。研究人员评论道：“制作多孔GaN模板时，MOVPE和HVPE GaN模板没有明显差异。”

模板由未掺杂基底（1μm或以上）、重掺杂n+-GaN（1-3μm）和轻掺杂n--GaN层（100-200nm）组成。外层GaN的载流子密度为0-0.5×1018/cm3或更低，而n+-GaN的载流子密度为0.5×1018-1×1018/cm3或更高。

中间的n+-GaN层是在室温下通过电化学蚀刻工艺孔化的。电解液包含草酸。正负极分别为GaN薄覆盖层和铂（Pt）。

研究团队报告称：“尽管孔化前原生GaN模板呈现为高度透明的镜面，多孔GaN模板却呈现为半透明状态，表面仍为镜面，表明GaN层内部成功形成了多孔结构。”

GaN模板上正极周围区域需要额外的蚀刻步骤来孔化。根据原子力显微镜（AFM）在5μmx5μm视野上的观察，表面粗糙度仅从0.36nm略增至0.45nm。平均孔隙的高度和宽度可由施加电压控制。

据解释，孔隙形成是通过齐纳和/或雪崩击穿的空穴注入氧化所致。研究人员使用的外加电压在10-20V范围内，不足以诱导n−-GaN层的击穿，但足以诱导位错核心的击穿，从而形成通往n+-GaN层的管道，以实现齐纳和/或雪崩击穿，并在n+-GaN层造成孔隙形成。

高压电化学蚀刻的孔隙更大。在10V至20V之间呈近似线性变化，宽度在50-150nm之间，高度在50-200nm之间。

在~1000°C和大气压下，通过HVPE再生长自支撑GaN衬底的材料。自支撑材料在冷却过程中发生分离，因为GaN和蓝宝石的热膨胀系数不同，从而在多孔层中产生应力，使再生材料脱离。

图2：（a）在多孔GaN模板上生长的800μm厚GaN层的照片。（b）在20V多孔GaN模板上生长的200μm厚GaN的平面阴极发光图像。（c）在20V多孔GaN模板上生长的800μm厚GaN的平面CL图像。（d）层厚度与穿透位错密度值的相对关系，比较PAS分离和VAS分离。

在孔隙较大的20V多孔材料上进行HVPE生长会导致自支撑衬底与模板完全分离（图2）。研究人员报告称：“相比之下，孔隙尺寸较小的多孔GaN模板则导致多孔GaN模板与蓝宝石衬底一样破裂，且无法分离GaN层。”

研究团队注意到，自支撑晶圆的背面有Ga残留，照片上显示为灰色区域。研究人员评论道：“在初始开发阶段，我们并不担心沉积GaN厚层时GaN晶圆对晶圆托盘的附着会受到抑制。”

通过阴极发光（CL）测量，200μm和800μm自支撑衬底的穿透位错密度（TDD）分别为1.4x107/cm2和2.7x107/cm2。这与使用VAS法所取得的结果性质相似。

研究人员尝试将PAS法用于生产3英寸GaN自支撑衬底。研究团队“几乎”成功完成了这项工作，“尽管不规则部分仍存在晶体固定造成的裂纹”。研究人员希望通过改进HVPE晶圆托盘设计，在今后的工作中避免此类附着物。

来源：雅时化合物半导体

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