成功產(chǎn)出高質(zhì)量GaN外延片，首臺(tái)聯(lián)合研發(fā)國(guó)產(chǎn)化MOCVD成功投用

  近日，據(jù)江蘇第三代半導(dǎo)體研究院官微消息，在材料生長(zhǎng)與裝備平臺(tái)的超凈實(shí)驗(yàn)室里，國(guó)家第三代半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新中心(蘇州)科研人員經(jīng)過(guò)三個(gè)多小時(shí)實(shí)驗(yàn)，采用與國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)備廠家聯(lián)合研發(fā)的首臺(tái)國(guó)產(chǎn)MOCVD設(shè)備，首爐試生長(zhǎng)成功產(chǎn)出了高質(zhì)量GaN外延片。生長(zhǎng)的GaN外延材料的測(cè)試結(jié)果：AFM表面Ra<0.5nm，XRD搖擺曲線 (0002)<300arcsec，(10-12)<400arcsec，載流子遷移率>600cm2/V-s。首爐高質(zhì)量GaN外延片的成功出爐，標(biāo)志著國(guó)創(chuàng)中心(蘇州)的公共研發(fā)平臺(tái)在協(xié)助產(chǎn)業(yè)界研發(fā)新設(shè)備、開發(fā)新技術(shù)的支撐服務(wù)能力方面，又邁進(jìn)了堅(jiān)實(shí)的一步，具有重要的里程碑意義！

  圖1 采用聯(lián)合研發(fā)國(guó)產(chǎn)化MOCVD生長(zhǎng)的高質(zhì)量GaN外延片

  國(guó)創(chuàng)中心(蘇州)圍繞第三代半導(dǎo)體核心共性技術(shù)，建設(shè)開放共享的公共研發(fā)平臺(tái)，致力于為產(chǎn)業(yè)鏈提供支撐服務(wù)，協(xié)助企業(yè)高效研發(fā)，促進(jìn)科技型領(lǐng)軍企業(yè)和中小微企業(yè)的快速成長(zhǎng)。建設(shè)以來(lái)，通過(guò)開放創(chuàng)新、合作共贏的網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同模式，與科研院所、高校、企業(yè)緊密合作，不斷補(bǔ)鏈強(qiáng)鏈。在本次首爐生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)中，采用的MOCVD設(shè)備是國(guó)創(chuàng)中心(蘇州)助力企業(yè)研發(fā)的新型國(guó)產(chǎn)設(shè)備。該臺(tái)設(shè)備的成功投用(如圖2)，也是國(guó)創(chuàng)中心(蘇州)開放式建設(shè)創(chuàng)新研發(fā)平臺(tái)的成功探索實(shí)踐。

  圖2 科研人員在操作首臺(tái)聯(lián)合研發(fā)的MOCVD設(shè)備

  該設(shè)備進(jìn)一步提高了腔體的環(huán)境穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)核心部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得比傳統(tǒng)商用設(shè)備更高的氣流可調(diào)性和溫度一致性(圖3所示)?？梢詽M足對(duì)外延要求更高的氮化物材料與器件(GaN基Micro-LED等)的外延生長(zhǎng)和器件開發(fā)。

  圖3 新型MOCVD設(shè)備反應(yīng)腔模擬(a)流場(chǎng)均勻性模擬;(b)量子阱生長(zhǎng)階段的溫場(chǎng)模擬

  科研人員在該設(shè)備上開展試生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，采用兩步生長(zhǎng)技術(shù)獲得GaN單晶材料外延層。第一步在襯底上生長(zhǎng)低溫緩沖層，第二步對(duì)緩沖層進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，然后進(jìn)行三維粗化和三維轉(zhuǎn)二維的合并，最終實(shí)現(xiàn)低位錯(cuò)GaN材料的平坦化生長(zhǎng)。生長(zhǎng)的外延層厚度控制在約2μm，不進(jìn)行任何摻雜，同時(shí)驗(yàn)證設(shè)備運(yùn)行的各項(xiàng)性能(如圖4所示)。

  圖4 首爐生長(zhǎng)的調(diào)試場(chǎng)景和原位監(jiān)控曲線

  生長(zhǎng)結(jié)束后，取出的GaN外延片光亮如鏡，在顯微鏡下表面平整，缺陷較少。經(jīng)原子力(AFM)測(cè)試，其表面呈現(xiàn)出臺(tái)階流形貌，原子臺(tái)階清晰可見，粗糙度值Ra為0.33nm(如圖5所示)。

  圖5 首片GaN外延片及其表面形貌圖

  對(duì)該外延片進(jìn)行晶體質(zhì)量和電學(xué)性質(zhì)的檢測(cè)，X射線衍射(XRD)顯示，(0002)晶面的半高寬為290弧秒，(10-12)晶面的半高寬為379弧秒，Hall測(cè)試結(jié)果顯示該非摻GaN的載流子遷移率為676cm2/V-s(如圖6所示)。

  圖6 晶體質(zhì)量和電學(xué)性質(zhì)的測(cè)試結(jié)果

  國(guó)創(chuàng)中心(蘇州)的創(chuàng)新平臺(tái)將繼續(xù)與科研界、企業(yè)界攜手，密切合作，架接基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)化的橋梁，不斷創(chuàng)新突破，助力企業(yè)高效研發(fā)，促進(jìn)科技成果高質(zhì)量轉(zhuǎn)化，推動(dòng)我國(guó)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新可持續(xù)發(fā)展，提升國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體裝備和關(guān)鍵核心技術(shù)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。