氮化镓(GaN)半导体晶圆制造工艺指南_衬底_外延

采取氮化镓(GaN)材料的半导体晶片比硅晶片制造出更节能的电子元件，这是未来智能节能电动汽车和5g网络的关键技能。
在本文中，您将逐步理解GaN半导体晶圆的制造过程。

大多数电子产品，如智好手机、电脑和汽车，都包含由半导体晶圆制成的电子元器件。
顾名思义，半导体既不是导体也不是绝缘体，而是介于两者之间的东西。
它们传导多少电流是可控的，因此它们可以适应每个单独的运用。

硅是利用最广泛的半导体材料，险些可以在所有电子产品中找到。
虽然硅善于办理大多数任务，但有时须要氮化镓(GaN)等其他半导体材料的帮助，例如在高温或高频下的运用中。
虽然新材料在某些情形下正在取代硅，但硅仍旧是本钱最低的紧张半导体根本材料。
由于这个缘故原由，硅晶片常常被用作下一代半导体材料的根本载体材料。

硅因此长原木或圆柱形“锭”的形式制造的，然后被切成非常薄的、常日不到一毫米的圆形半导体圆盘，也称为晶圆。
在这样的半导体晶圆上，电子电路可以被定义或用作涂有其它半导体材料如GaN的根本衬底。

GaN晶圆的分步制造：

第一步、MOCVD成长前衬底的洗濯

第二步、扫描电镜制模与表征

第三步、用MOCVD外延成长

第四步、用扫描电镜进一步表征

第五步、部件制造和特性测试

硅基GaN半导体晶圆

涂覆的方法叫做外延成长。
在该过程中，气体和金属在良好掌握的条件和高温下与基底材料反应。
这样，GaN的薄层或纳米线可以在晶片上“成长”。
下一代半导体晶片具有GaN材料的元件。

然后将完成的晶片切割成邮票大小的小块进行封装。
在日常措辞中，封装的半导体被称为微芯片或仅仅是芯片。
这些可谓是让电子产品事情的大脑和内存。
该芯片包含数百万个晶体管。
常日一个器件的晶体管越多，它实行任务的速率就越快。

GaN是一种具有宽带隙的半导体材料，这是其成功背后的秘密。
与硅比较，宽带隙许可GaN在明显更高的温度和更高的电压下利用，同时保持功能。
例如，采取GaN半导体的电子设备可以设计得更小更轻，同时更节能，这意味着电池寿命更长。

GaN半导体晶圆

在GaN半导体的实验开拓中，可以用蓝宝石代替硅。
下面描述的制造步骤对付两种衬底来说基本相同。
然而，GaN在硅上的培养或成长更加困难，由于圆盘随意马虎由于机器应力而分裂，除非成长特定的层来抵消压力，例如不同的层可以由GaN、AlGaN或InGaN组合制成。
“配方”是使GaN半导体独一无二的缘故原由之一。
配方对付材料成长和掌握气体身分以及温度和压力分布至关主要。

在化学实验室，一名实验室工程师在透风柜里检讨和清洁衬底基板。
在这里，他为图案成长或金属有机化学气相沉积做准备。
ProNano的MOCVD反应器的大容量，它在一轮可以外延成长七个50毫米的圆盘，或者一轮可以外延成长一个150毫米的圆盘。
当较小的圆盘的直径增长时，并不总是利用全部容量，七个位置仅利用一到两个圆盘。
例如，这可以用于工艺开拓的实验目的或成长反应器工艺参数的校准，如温度、压力或气流等参数。
对付均匀的成长条件，空的位置须要用相同尺寸和衬底材料的圆盘添补，不才面的示例显示蓝宝石衬底的情形。

将一个50毫米的蓝宝石圆盘放入固定器中，在氢氧化钾中洗濯

从可持续发展的角度来看，为了管理资源，蓝宝石圆盘被重复利用。
这是通过用加热的氢氧化钾(KOH)从蓝宝石盘的顶面蚀刻或清洁去除所有氮化镓(GaN)来实现的。
蓝宝石圆盘被放在一个支架上，浸在堕落剂中。

将25个蓝宝石盘浸入氢氧化钾洗濯液中

由于须要加热蚀刻剂来实现蓝宝石盘的快速有效洗濯，以是将盘浸入掌握温度和体积的加热水浴中。

为了达到蚀刻剂的精确温度，水浴中必须利用精确体积的水

一旦洗濯过程完成，蓝宝石盘在过滤的去离子水中漂洗并用加压氮气干燥。
然而，这会在表面留下一层薄薄的水，可通过在100℃以上的烘箱中加热圆盘来去除

洗濯后，蓝宝石切片用氮气枪吹干

在可以成长纳米构造之前，干净的圆盘在清洁室中经受许多工艺过程，例如沉积、旋转和蚀刻。
这在磁盘的全体表面上形成了纳米尺度的空腔图案。
空腔的存在决定了纳米构造将在哪里产生或不产生。
关键工艺参数质量，如大小、分布和纯度，可以用扫描电子显微镜有效地丈量。
图案的尺寸影响外延成长的输入参数，因此是制造高质量半导体材料的必要步骤。

ProNano的外延成长反应器是MOCVD类型的。
晶体成长的事理是不同类型的气体流入反应室中并对压力、温度和气体条件进行严格掌握，这导致气体在作为起始材料的衬底表面上分解。

衬底的图案和晶面勾引成长呈现特定方向，使得高质量的膜或纳米构造可以成长在衬底的顶部。
衬底的所有操作都在受控的氮气环境中进行，氮气是一种惰性气体，在晶体成长前后不会影响衬底的表面。
带动手套将衬底移向充氮室。
圆盘紧密地放置在一起，以在外延晶体成长过程中得到同等的温度、压力和气体条件。

衬底是直径为50毫米的蓝宝石晶圆，由手套搬运至充氮室

在这种情形下，衬底是直径为50毫米的蓝宝石晶圆，用手套搬运至充氮室。
50毫米的圆盘紧密地放置在一起，以在外延晶体成长过程中得到同等的温度、压力和气体条件。

在步骤二中利用的扫描电子显微镜(SEM)在该步骤中用于研究GaN在衬底上外延成长后纳米构造的形状。
利用SEM设备，可以准确快速地研究纳米构造并验证外延成长的半导体材料的质量。

在外延晶体成长中，材料中会产生毛病，也称为位错。
半导体晶片中的位错越多，电转换过程中摧残浪费蹂躏的能量就越多，能量效率就变得越低。
RISE专家与客户互助实现非常规的成长方法，如纳米线的聚结，这些方法在GaN材料中实现更低的毛病密度方面显示出了有希望的结果。

SEM设备可用于检讨和确定半导体材料中的毛病密度。
显微镜方法基于电子被推向待研究的样品，例如蓝宝石盘。
薄的外延半导体材料用金属夹靠着接地的支架放置，使得显微镜中的电子束不会产生模糊的显微镜图像。
电子之间的相互浸染导致电子或伦琴射线从样品中散射出来。
这些旗子暗记可以被探测器捕获，可以看到分辨率小于一纳米的图像。

用扫描电子显微镜检讨外延半导体材料。
薄的外延样品用金属夹固定在接地的支架上，这样显微镜中的电子束就不会产生模糊的显微镜图像。

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用扫描电子显微镜检讨外延半导体材料

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用扫描电子显微镜检讨外延半导体材料

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用扫描电子显微镜检讨外延半导体材料

第五步、部件制造和特性测试

在用SEM剖析GaN晶体后，RISE专家用半导体材料制造电子元件，如肖特基二极管或p-n二极管。
进行表征测试是为了测试材料的导电性、元素的身分和表面光滑度。
在清洁室中，利用平版印刷方法、蚀刻和沉积在培养材料顶部的金属打仗光降盆组件。
然后，专家丈量元件的电容，如电流和电容，并根据击穿电压和泄露电流等参数评估其性能。

电子元件由外延半导体材料制成。
这些元件是半导体上的正方形图案，它们是利用平版印刷方法、蚀刻以及沉积在培养材料顶部的金属触点制造的。