氮化鎵外延片制造工藝是什么？

氮化鎵（GaN）外延片的制造工藝是其產業鏈的核心環節，技術壁壘極高。它直接決定了外延片的質量和最終器件的性能。

目前，主流的商業化生產方法是 金屬有機化學氣相沉積（MOCVD - Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）。

以下是基于MOCVD方法的氮化鎵外延片制造工藝流程的詳細解析：

核心設備：MOCVD反應爐

MOCVD設備是一種大型、精密的真空沉積系統，核心部件是反應腔室。其工作原理是：

• 金屬有機源 (MO Source)： 作為Ⅲ族元素（如Ga）的來源，例如三甲基鎵 (TMGa)。

• 氮源 (N Source)： 作為Ⅴ族元素的來源，通常是氨氣 (NH?)。

• 載氣 (Carrier Gas)： 高純度氫氣 (H?) 或氮氣 (N?)，用于將金屬有機源蒸汽攜帶至反應腔室。

這些反應前驅體被精確控制流量并注入到高溫加熱的反應腔室中，在加熱的襯底表面發生化學反應，沉積形成氮化鎵晶體薄膜。

制造工藝流程詳解

第一步：襯底準備 (Substrate Preparation)

• 襯底選擇： 根據應用選擇不同的襯底，如藍寶石、硅(Si)、碳化硅(SiC) 等。硅襯底因成本和大尺寸優勢成為功率電子的主流選擇。

• 清潔處理： 襯底(Wafer)在放入反應腔前必須經過嚴格的清洗流程，去除顆粒、有機物和金屬離子等污染物，確保外延生長的起點絕對潔凈。

第二步：襯底裝載與預熱 (Loading & Heating)

• 將清洗干凈的襯底放入MOCVD設備的石墨基座( susceptor )上。

• 反應腔室關閉并抽真空，排除氧氣和水分。

• 通入載氣，并將襯底加熱到一定的預熱溫度，為外延生長做準備。

第三步：成核層生長 (Nucleation Layer Growth)

• 這是最關鍵、技術難度最高的步驟之一，尤其是在異質襯底（如硅）上生長時。

• 挑戰： GaN與硅的晶格常數和熱膨脹系數差異巨大，直接生長會導致高密度缺陷甚至龜裂。

• 解決方案： 首先在較低溫度（500-600°C）下生長一層很薄的氮化鋁(AlN)或富鋁的氮化鋁鎵(AlGaN)成核層。這層材料作為緩沖過渡，能有效阻止硅襯底與GaN之間的反應，并為后續GaN的生長提供成核點。

第四步：應力控制與緩沖層生長 (Stress Management & Buffer Layer Growth)

• 目的： 釋放因熱失配和晶格失配產生的巨大應力，防止外延片翹曲或破裂，并降低穿透位錯密度。

• 工藝： 在成核層之上，生長一層幾微米厚的高阻GaN或AlGaN緩沖層。這通常是一個復雜的超晶格結構（如交替生長AlN/GaN或不同Al組分的AlGaN層），通過多層結構來彎曲和終止位錯線，從而大幅降低延伸到有源區的缺陷密度。

• 對于硅襯底，這一步是實現高性能、無裂紋外延片的核心技術。

第五步：高質量GaN溝道層生長 (GaN Channel Layer Growth)

• 在緩沖層之上，在較高溫度（1000-1100°C）下生長高質量的本征非摻雜GaN(i-GaN)層。

• 這個層是晶體質量最高的區域，將成為器件中電子傳輸的溝道。

第六步：勢壘層生長 (Barrier Layer Growth)

• 在GaN溝道層上生長一層很薄的AlGaN層（通常Al組分在20%-30%）。

• 能帶工程： 由于GaN和AlGaN的禁帶寬度不同，且存在壓電極化效應，在兩者的界面處會形成強大的壓電極化場，從而誘導產生一個高濃度、高遷移率的二維電子氣（2DEG）。

• 這個2DEG區域就是HEMT器件中電子流動的溝道，無需摻雜即可獲得極高的電子濃度和遷移率，這是GaN器件高性能的物理基礎。

第七步：蓋帽層生長 (Cap Layer Growth - 可選)

• 為了進一步優化器件性能，有時會在最上層生長一個很薄的n型摻雜GaN(n-GaN) 蓋帽層。

• 作用： 保護AlGaN表面、降低歐姆接觸電阻、提升器件線性度等。

第八步：冷卻與取出 (Cooling & Unloading)

• 生長完成后，按照嚴格控制的速度降溫冷卻，避免因熱應力導致材料損壞或性能下降。

• 冷卻至安全溫度后，向反應腔充入惰性氣體，取出生長完成的外延片。

第九步：原位監測與質量控制 (In-situ Monitoring & QC)

• 在整個生長過程中，先進的MOCVD設備會集成原位監測系統（如激光干涉儀、光學高溫計等），實時監控生長速率、厚度、溫度和曲率變化，確保工藝的精確性和重復性。

第十步：出廠測試 (Ex-situ Testing)

• 外延片取出后，需要進行全面的檢測，包括：

  • X射線衍射 (XRD)： 檢測晶體質量、應力、組分和厚度。

  • 原子力顯微鏡 (AFM)： 檢測表面粗糙度。

  • 霍爾測試 (Hall Measurement)： 測量2DEG的載流子濃度、遷移率和方塊電阻。

  • CV測試： 分析載流子濃度分布。

  • 光致發光 (PL)： 評估光學質量（尤其對光電器件）。

  • 拉曼光譜： 測量應力。

技術挑戰與核心要點

1. 裂紋控制： 尤其在硅襯底上，如何通過復雜的緩沖層結構設計釋放應力是核心技術。

2. 缺陷控制： 如何將位錯密度降到最低，是提升器件擊穿電壓和可靠性的關鍵。

3. 均勻性與一致性： 保證同一片wafer和不同批次wafer之間的性能高度一致，是量產化的生命線。

4. 摻雜控制： 實現p型摻雜（通常用鎂Mg）和精確的n型摻雜（通常用硅Si）是制造PN結和增強型器件的基礎。

5. 碳雜質控制： 在MOCVD生長中，反應副產品會引入碳雜質，碳會補償摻雜，導致緩沖層漏電。精確控制生長條件（如V/III比、壓力、溫度）以管理碳濃度是制造高性能功率器件的另一大挑戰。

總而言之，氮化鎵外延片的制造是一個極其精細的“烹飪”過程，需要對材料科學、流體力學、熱力學和化學有深刻的理解，并通過無數次的工藝實驗來優化每一個參數，最終才能在非天然的襯底上“種”出高質量、可用于制造高性能器件的GaN晶體薄膜。