氮化镓（GaN）半导体晶圆制造工艺指南

氮化镓（GaN）半导体晶圆制造工艺指南
氮化镓(GaN)半导体晶圆
采用氮化镓(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网络的关键技术。

在本文中，您将逐步了解GaN半导体晶圆的制造过程。

从硅半导体晶片到下一代氮化镓晶片
大多数电子产品，如智能手机、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应用。

硅是使用最广泛的半导体材料，几乎可以在所有电子产品中找到。

虽然硅擅长解决大多数任务，但有时需要氮化镓(GaN)等其他半导体材料的帮助，例如在高温或高频下的应用中。

虽然新材料在某些情况下正在取代硅，但硅仍然是成本最低的主要半导体基础材料。

由于这个原因，硅晶片经常被用作下一代半导体材料的基础载体材料。

硅是以长原木或圆柱形“锭”的形式制造的，然后被切成非常薄的、通常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的基础衬底。

从硅到GaN半导体晶圆
GaN晶圆的分步制造：
第一步、MOCVD生长前衬底的清洗
第二步、扫描电镜制模与表征
第三步、用MOCVD外延生长
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生长。

在该过程中，气体和金属在良好控制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“生长”。

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。

在日常语言中，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工作的大脑和内存。

该芯片包含数百万个晶体管。

通常一个器件的晶体管越多，它执行任务的速度就越快。

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。

与硅相比，宽带隙允许GaN在明显更高的温度和更高的电压下使用，同时保持功能。

例如，采用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材料半导体晶片的分步制造
GaN半导体晶圆
在GaN半导体的实验开发中，可以用蓝宝石代替硅。

下面描述的制造步骤对于两种衬底来说基本相同。

然而，GaN在硅上的培养或生长更加困难，因为圆盘容易由于机械应力而破裂，除非生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半导体独一无二的原因之一。

配方对于材料生长和控制气体成分以及温度和压力分布至关重要。

第一步、MOCVD生长前衬底的清洗
在化学实验室，一名实验室工程师在通风柜里检查和清洁衬底基板。

在这里，他为图案生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，它在一轮可以外延生长七个50毫米的圆盘，或者一轮可以外延生长一个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，七个位置仅使用一到两个圆盘。

例如，这可以用于工艺开发的实验目的或生长反应器工艺参数的校准，如温度、压力或气流等参数。

对于均匀的生长条件，空的位置需要用相同尺寸和衬底材料的圆盘填充，在下面的示例显示蓝宝石衬底的情况。

将一个50毫米的蓝宝石圆盘放入固定器中，在氢氧化钾中清洗
从可持续发展的角度来看，为了管理资源，蓝宝石圆盘被重复使
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，浸在腐蚀剂中。

将25个蓝宝石盘浸入氢氧化钾清洗液中
因为需要加热蚀刻剂来实现蓝宝石盘的快速有效清洗，所以将盘浸入控制温度和体积的加热水浴中。

为了达到蚀刻剂的正确温度，水浴中必须使用正确体积的水
一旦清洗过程完成，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
清洗后，蓝宝石切片用氮气枪吹干
第二步、用扫描电子显微镜进行图案制作和表征
在可以生长纳米结构之前，干净的圆盘在洁净室中经受许多工艺过程，例如沉积、旋转和蚀刻。

这在磁盘的整个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结构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测量。

图案的尺寸影响外延生长的输入参数，因此是制造高质量半导体材料的必要步骤。

第三步、用MOCVD外延生长半导体晶片
ProNano的外延生长反应器是MOCVD类型的。

晶体生长的原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控制，这导致气体在作为起始材料的衬底表面上分解。

衬底的图案和晶面引导生长呈现特定方向，使得高质量的膜或纳米结构可以生长在衬底的顶部。

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，在晶体生长前后不会影响衬底的表面。

带着手套将衬底移向充氮室。

圆盘紧密地放置在一起，以在外延晶体生长过程中获得一致的温度、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
在这种情况下，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，以在外延晶体生长过程中获得一致的温度、压力和气体条件。

第四步、用扫描电子显微镜(SEM)进一步表征半导体晶片在步骤二中使用的扫描电子显微镜(SEM)在该步骤中用于研究GaN在衬底上外延生长后纳米结构的形状。

使用SEM设备，可以准确快速地研究纳米结构并验证外延生长的半导体材料的质量。

在外延晶体生长中，材料中会产生缺陷，也称为位错。

半导体晶片中的位错越多，电转换过程中浪费的能量就越多，能量效率就变得越低。

RISE专家与客户合作实现非常规的生长方法，如纳米线的聚结，这些方法在GaN材料中实现更低的缺陷密度方面显示出了有希望的结果。

SEM设备可用于检查和确定半导体材料中的缺陷密度。

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。

电子之间的相互作用导致电子或伦琴射线从样品中散射出来。

这些信号可以被探测器捕获，可以看到分辨率小于一纳米的图像。

用扫描电子显微镜检查外延半导体材料。

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查外延半导体材料
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用扫描电子显微镜检查外延半导体材料
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用扫描电子显微镜检查外延半导体材料
第五步、部件制造和特性测试
在用SEM分析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、元素的成分和表面光滑度。

在洁净室中，使用平版印刷方法、蚀刻和沉积在培养材料顶部的金属接触来生产组件。

然后，专家测量元件的电容，如电流和电容，并根据击穿电压和泄漏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，它们是使用平版印刷方法、蚀刻以及沉积在培养材料顶部的金属触点制造的。