优选外延片的制造工艺
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• 纯的氧化铝单晶体就是通常所说的蓝宝石。其实它并不是蓝颜色的宝石,它是无色透明的, 所以也有叫白宝石的。真正的蓝宝石是掺钛的。
• 坩埚底部正中央放着一块蓝宝石籽晶,坩埚和热交换器都放在真空石墨加热 炉中。当原 料熔化后,通过缓慢降低炉温和控制氦气的流量,就能在籽晶上 长成大块的蓝宝石单晶 体。使用这种方法可以得到质量很好的直径达 30 厘 米,厚度为 12 厘米的蓝宝石单晶 体。
外延片的制造工艺
2)、 衬底材料的选用
Al2O3衬底
目前用于氮化镓生长的最普遍的衬底是Al2O3
优点:化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟;机械强度 高,易于处理和清洗 缺点:(1)晶格失配和热应力失配
(2)绝缘体常温下的电阻率大于1011Ω·cm,无法制作垂直结构的器件; (3)在上表面制作两个电极,造成了有效发光面积减少,增加制造中的光刻 和刻蚀工艺过程,材料利用率降低、金属透明电极一般要吸收约30%~40%的光. (4)导热性能不是很好(在100℃约为25W/(m·K)) (5)不容易对其进行刻蚀,刻蚀过程中需要较好的设备,增加生产成本。
硅衬底对光的吸收严重,LED出光效率低。
但是能用于生产的衬底目前只有二种,即蓝宝石Al2O3和碳化硅SiC衬底。
氮化镓衬底
1.制备氮化镓体单晶材料非常困难
2.氮化镓生长的最理想的衬底自然是氮化镓单晶材料 3.通过剥离技术实现衬底和氮化镓厚膜的分离,分离后的氮化镓厚膜可 作为外延用的衬底。
4.可以大大提高晶圆膜的晶体质量,降低位错密度,提高器件工作寿命, 提高发光效率,提高器件工作电流密度。
所需原料:籽晶,高纯氧化铝粉; 设备:单晶炉 流程:坩埚热处理——装炉——抽真空——熔料——恒温——充气——
引晶——放肩——等径——收尾——降温——出炉
晶棒
外延片的制造工艺百度文库
• 高纯氧化铝粉料压制成直径略小于坩埚内径的圆柱状料块,在1273度以上烧结;碎晶料应 利用超声波仔细清洗,置于坩埚内。整个系统密封后抽真空至10-3Pa,升温至熔点温度。
2inch衬底售 价1万美金
备难,一片
L型电极
2inch衬底售
价1万美金
GaAs a、g、i
f
电极 V型电极 类型
L型电极
外延片的制造工艺
2、衬底的制备工艺(以Al2O3衬底为例)
流程图
单晶生长 晶棒加工
切片 研磨
所需设备: 单晶炉 切片机 研磨机
抛光机
抛光
外延片的制造工艺
(1)单晶生长(直拉法)
优选外延片的制造工艺
外延片的制造工艺
• 外延片的结构以及制造流程
1、Al2O3-GaN外延片结构 2、外延片制造的基本流程
外延片的制造工艺
1、Al2O3-GaN外延片结构
•超晶格(异质结)就是将两种晶 格常数不同的材料交替生长而 成的多层薄膜结构,超晶格材 料是两种不同组元以几个纳米 到几十个纳米的薄层交替生长 并保持严格周期性的多层膜, 事实上就是特定形式的层状精 细复合材料。
SiC衬底(碳化硅衬底) 化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光、价格
太高、晶体质量难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差。芯片电 极为L型,两个电极分布在器件的表面和底部,所产生的热量可以通过电极 直接导出;
目前用于氮化镓生长衬底就是SiC,
Si衬底
Si片作为GaN材料的衬底有许多优点,如晶体质量高,尺寸大,成本 低,易加工,良好的导电性、导热性和热稳定性等。 GaN外延层与Si衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配,以及在GaN的 生长过程中容易形成非晶氮化硅, 采用两种接触方式,分别是L接触(Laterial-contact ,水平接触)和V接触 (Vertical-contact,垂直接触) 热的良导体,所以器件的导热性能可以明显改善,从而延长了器件的寿 命。
•由于GaN与衬底晶格失配为15 .4%,因此要生长平坦而没有 裂纹的高质量GaN外延层非常困 难。Amano提出利用低温生长 AlN或GaN作为缓冲再与高温 (1000℃)生长GaN的二段生长法 得到表面平坦如镜,低剩余载 流子浓度,高电子迁移率的高
Al2O3衬底
外延片的制造工艺
2、外延片制造的基本流程
• 2323度以上进行化料,保温2-5小时,以确保原料完全熔化,熔体内的气泡完全驱除。温 场稳定后,下降籽晶使其末端与液面接触,通过一定的工艺措施控制晶体生长的引晶、放 肩、等径、收尾和退火及冷却过程,实现晶体生长。 待晶体直径长到所需尺寸,通过一定的工艺控制晶体开始等径生长,晶体进入等径生长阶 段后,主要是通过降低加热温度(加热系统所能提供的坩埚外壁温度)促使晶体生长。
ZnO衬底
ZnO作为GaN晶圆的候选衬底 ,两者晶体结构相同、晶格 失配度非常小,禁带宽度接近(能带不连续值小 ),致命的弱点
是在GaN外延生长的温度和气氛中容易分解和被腐蚀。ZnO半导体材料 尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件,主要是材料质量达不到器 件水平和P型掺杂问题没有真正解决。
几种常见的衬底材料 比较
• 用来制作工业用的晶体的技术之一,是从熔液中生长。籽晶可用来促进单晶体的形成。在 这个工序里,籽晶降落到装有熔融物质的容器中。籽晶周围的熔液冷却,它的分子就依附 在籽晶上。这些新的晶体分子承接籽晶的取向,形成了一个大的单晶体。
衬底制备
MOCVD 生长外延
Carrier MO源
光刻
离子 注入
检测
外延片的制造工艺
衬底的制备
1、衬底材料
1)、理想的衬底
(a)、结构特性好,晶圆材料与衬底的晶体结构 相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、 缺陷密度小。 (b)、接口特性好,有利于晶圆料成核且黏附性 强。 (c)、化学稳定性好,在晶圆生长的温度和气氛 中不容易分解和腐蚀。 (d)、热学性能好,包括导热性好和热失配度小。 (e)、导电性好,能制成上下结构。 (f)、光学性能好,制作的器件所发出的光被衬 底吸收小。 (g)、机械性能好,器件容易加工,包括减薄、 抛光和切割等。 (h)、大尺寸,一般要求直径不小于2英吋。 (i)、价格低廉。
材料
Al2O3
优点
c、f、h 材料
优点
Al2O3 c、f、h
缺点
缺a点、da、、d、e、e、g g
电极 类型
V型电极
SiC
Si
GaN
aa、、c、ScidC、、e、d、de、、e、Sgdi、、h、ei 、a g、GahN、
GaAs
a a、g、i
ff
i
gg、、i i
a
a
单晶衬底制备 难,一片
单f 晶衬底制
• 坩埚底部正中央放着一块蓝宝石籽晶,坩埚和热交换器都放在真空石墨加热 炉中。当原 料熔化后,通过缓慢降低炉温和控制氦气的流量,就能在籽晶上 长成大块的蓝宝石单晶 体。使用这种方法可以得到质量很好的直径达 30 厘 米,厚度为 12 厘米的蓝宝石单晶 体。
外延片的制造工艺
2)、 衬底材料的选用
Al2O3衬底
目前用于氮化镓生长的最普遍的衬底是Al2O3
优点:化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟;机械强度 高,易于处理和清洗 缺点:(1)晶格失配和热应力失配
(2)绝缘体常温下的电阻率大于1011Ω·cm,无法制作垂直结构的器件; (3)在上表面制作两个电极,造成了有效发光面积减少,增加制造中的光刻 和刻蚀工艺过程,材料利用率降低、金属透明电极一般要吸收约30%~40%的光. (4)导热性能不是很好(在100℃约为25W/(m·K)) (5)不容易对其进行刻蚀,刻蚀过程中需要较好的设备,增加生产成本。
硅衬底对光的吸收严重,LED出光效率低。
但是能用于生产的衬底目前只有二种,即蓝宝石Al2O3和碳化硅SiC衬底。
氮化镓衬底
1.制备氮化镓体单晶材料非常困难
2.氮化镓生长的最理想的衬底自然是氮化镓单晶材料 3.通过剥离技术实现衬底和氮化镓厚膜的分离,分离后的氮化镓厚膜可 作为外延用的衬底。
4.可以大大提高晶圆膜的晶体质量,降低位错密度,提高器件工作寿命, 提高发光效率,提高器件工作电流密度。
所需原料:籽晶,高纯氧化铝粉; 设备:单晶炉 流程:坩埚热处理——装炉——抽真空——熔料——恒温——充气——
引晶——放肩——等径——收尾——降温——出炉
晶棒
外延片的制造工艺百度文库
• 高纯氧化铝粉料压制成直径略小于坩埚内径的圆柱状料块,在1273度以上烧结;碎晶料应 利用超声波仔细清洗,置于坩埚内。整个系统密封后抽真空至10-3Pa,升温至熔点温度。
2inch衬底售 价1万美金
备难,一片
L型电极
2inch衬底售
价1万美金
GaAs a、g、i
f
电极 V型电极 类型
L型电极
外延片的制造工艺
2、衬底的制备工艺(以Al2O3衬底为例)
流程图
单晶生长 晶棒加工
切片 研磨
所需设备: 单晶炉 切片机 研磨机
抛光机
抛光
外延片的制造工艺
(1)单晶生长(直拉法)
优选外延片的制造工艺
外延片的制造工艺
• 外延片的结构以及制造流程
1、Al2O3-GaN外延片结构 2、外延片制造的基本流程
外延片的制造工艺
1、Al2O3-GaN外延片结构
•超晶格(异质结)就是将两种晶 格常数不同的材料交替生长而 成的多层薄膜结构,超晶格材 料是两种不同组元以几个纳米 到几十个纳米的薄层交替生长 并保持严格周期性的多层膜, 事实上就是特定形式的层状精 细复合材料。
SiC衬底(碳化硅衬底) 化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光、价格
太高、晶体质量难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差。芯片电 极为L型,两个电极分布在器件的表面和底部,所产生的热量可以通过电极 直接导出;
目前用于氮化镓生长衬底就是SiC,
Si衬底
Si片作为GaN材料的衬底有许多优点,如晶体质量高,尺寸大,成本 低,易加工,良好的导电性、导热性和热稳定性等。 GaN外延层与Si衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配,以及在GaN的 生长过程中容易形成非晶氮化硅, 采用两种接触方式,分别是L接触(Laterial-contact ,水平接触)和V接触 (Vertical-contact,垂直接触) 热的良导体,所以器件的导热性能可以明显改善,从而延长了器件的寿 命。
•由于GaN与衬底晶格失配为15 .4%,因此要生长平坦而没有 裂纹的高质量GaN外延层非常困 难。Amano提出利用低温生长 AlN或GaN作为缓冲再与高温 (1000℃)生长GaN的二段生长法 得到表面平坦如镜,低剩余载 流子浓度,高电子迁移率的高
Al2O3衬底
外延片的制造工艺
2、外延片制造的基本流程
• 2323度以上进行化料,保温2-5小时,以确保原料完全熔化,熔体内的气泡完全驱除。温 场稳定后,下降籽晶使其末端与液面接触,通过一定的工艺措施控制晶体生长的引晶、放 肩、等径、收尾和退火及冷却过程,实现晶体生长。 待晶体直径长到所需尺寸,通过一定的工艺控制晶体开始等径生长,晶体进入等径生长阶 段后,主要是通过降低加热温度(加热系统所能提供的坩埚外壁温度)促使晶体生长。
ZnO衬底
ZnO作为GaN晶圆的候选衬底 ,两者晶体结构相同、晶格 失配度非常小,禁带宽度接近(能带不连续值小 ),致命的弱点
是在GaN外延生长的温度和气氛中容易分解和被腐蚀。ZnO半导体材料 尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件,主要是材料质量达不到器 件水平和P型掺杂问题没有真正解决。
几种常见的衬底材料 比较
• 用来制作工业用的晶体的技术之一,是从熔液中生长。籽晶可用来促进单晶体的形成。在 这个工序里,籽晶降落到装有熔融物质的容器中。籽晶周围的熔液冷却,它的分子就依附 在籽晶上。这些新的晶体分子承接籽晶的取向,形成了一个大的单晶体。
衬底制备
MOCVD 生长外延
Carrier MO源
光刻
离子 注入
检测
外延片的制造工艺
衬底的制备
1、衬底材料
1)、理想的衬底
(a)、结构特性好,晶圆材料与衬底的晶体结构 相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、 缺陷密度小。 (b)、接口特性好,有利于晶圆料成核且黏附性 强。 (c)、化学稳定性好,在晶圆生长的温度和气氛 中不容易分解和腐蚀。 (d)、热学性能好,包括导热性好和热失配度小。 (e)、导电性好,能制成上下结构。 (f)、光学性能好,制作的器件所发出的光被衬 底吸收小。 (g)、机械性能好,器件容易加工,包括减薄、 抛光和切割等。 (h)、大尺寸,一般要求直径不小于2英吋。 (i)、价格低廉。
材料
Al2O3
优点
c、f、h 材料
优点
Al2O3 c、f、h
缺点
缺a点、da、、d、e、e、g g
电极 类型
V型电极
SiC
Si
GaN
aa、、c、ScidC、、e、d、de、、e、Sgdi、、h、ei 、a g、GahN、
GaAs
a a、g、i
ff
i
gg、、i i
a
a
单晶衬底制备 难,一片
单f 晶衬底制