关键词：氮化镓，衬底制造，工程衬底，宽带隙半导体

摘要

本文总结了在直径150毫米的QST®晶种上采用氢化物气相外延(HVPE)技术生长厚晶GaN，随后去除晶种以制备直径100毫米的独立GaN衬底的最新进展。本文还提出了从300毫米QST®晶种制造200毫米独立GaN的路线图，以支持在直径200毫米的大批量晶圆厂生产GaN器件。

引言

实现经济高效的高质量大直径GaN衬底是大批量GaN器件行业的一个重要目标。大直径的GaN器件需要插入到器件制造商的晶圆厂中，而目前这些晶圆厂被迫使用非原生衬底（包括硅、蓝宝石和碳化硅），这些衬底的晶格常数和热膨胀系数与GaN不匹配，导致缺陷密度高，并因晶圆翘曲和薄膜开裂而造成良率损失。除少数实验室演示外，由于独立GaN晶体中的晶格透镜效应，独立GaN衬底技术的实际应用范围实际上被限制在100毫米及更小的直径范围内。这种效应被认为与在体GaN生长中使用具有不同热膨胀系数的非原生种子有关[1]。这些现实情况促使Kyma和Qromis公司合作，将Kyma的大直径HVPE GaN工艺应用于Qromis的Qromis衬底技术（QST®），以充分利用QST®的大直径特性以及与GaN紧密的热匹配特性。最近，Kyma 和 Qromis 报道了[2]在 QST® 模板上实现厚度 10 微米、直径 200 毫米的 GaN。在本文中，Kyma 和 Qromis 报告了厚度 500 微米、直径 100 毫米的独立 GaN 的演示，以及实现 150 毫米和 200 毫米直径独立 GaN 的未来发展方向。

划重点

#用于氮化镓外延的

68寸 多晶AlN-薄膜Si衬底

68寸 SI-薄膜4hSIC衬底

Si-薄膜单晶GaN衬底

我们常见的键合技术 有硅玻璃键合 金金键合，金锡键合，金硅键合，临时键合等等 。但是当我们遇到一些需要低温键合，或者一些特殊材料时，或者应用场景时，上述键合方式很难满足一些特殊场景的应用，

因此科学家提出了表面活化键合技术，这种技术 使键合技术所覆盖的材料范围更加广泛，比如

GaAs-SiC，InP-Diamond， LN-SiC，Si-Si，GaN-Dlamond,Sl-Diamond,蓝宝石-蓝宝石，金刚石-sic, sic-inp,sic-LN, ic-ga2o3,glass--glass，Si-SiC，Si-GaAs、GaAs- SiC、Si–SiC、SiC–SiC、Ge–Ge  、Al 2 O 3 -Al 2 O 3 ，GaP-InP， GaN-Si、LiNbO 3 -Al 2 O 3 、LiTaO 3 -Si and more(晶体，陶瓷，等等)

扩展的多材料的体系，将键合技术扩大了应用范围

*MEMS传感器             *光子集成电路                   *半导体激光器

*功率器件                        *3D封装                        *异质集成

我们为客户提供晶圆（硅晶圆，玻璃晶圆，SOI晶圆，GaAs，蓝宝石，碳化硅（导电，非绝缘），Ga2O3,金刚石，GaN（外延片/衬底）），镀膜方式（PVD,cvd,Ald，PLD）和材料（Au Cu Ag Pt Al Cr Ti Ni Sio2 Tio2 Ti3O5，Ta2O5,ZrO2,TiN，ALN,ZnO,HfO2。。更多材料），键合（石英石英键合，蓝宝石蓝宝石键合）光刻，高精度掩模版，外延，掺杂,电子束直写等产品及加工服务(请找小编领取我们晶圆标品库存列表，为您的科学实验加速。

激光器芯片/探测器芯片/PIC芯片封装耦合服务"

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技术方法

1) 总体方法：图 1 显示了我们的技术方法示意图。基本工艺是：在厚度 5 微米、直径 150 毫米的 GaNon-QST® MOCVD 模板（或种子）上，采用 HVPE 法生长厚 GaN，然后去除种子，再进行晶圆切割，以创建可用于外延的 100 毫米独立 GaN 衬底。以下是关于种子材料、生长工具、生长方法和种子去除工艺的一些细节。

2) QST® 衬底：Qromis 在 2010 年至 2013 年期间已制造了数千片 150 毫米 QST® 衬底以及基于这些衬底的高性能 LED 器件晶圆，并于近期报道[3,4]了其与先锋国际半导体公司 (VIS) 合作，在台湾先锋国际半导体公司生产 200 毫米直径 QST® 衬底、GaN-on-QST® 外延晶圆以及 GaN-on-QST® 器件晶圆。Qromis 在 2017 年化合物半导体国际会议 [3] 和 2017 年氮化物半导体国际会议 [4] 上报告了这些进展。目前，200 毫米 QST® 和 GaN-on-QST® 模板已实现商用。图 1 左下方为 QST® 基 GaN 模板的示意图。该模板由一个与 GaN 热膨胀紧密匹配的陶瓷芯组成，其周围环绕着一层特殊的钝化涂层，涂层上先形成一层薄的 (111) Si 层，然后再通过 MOCVD 工艺形成一层 GaN 层。QST® 与 GaN 的紧密热膨胀匹配提供了一种独特的衬底，可以在其上沉积厚的 GaN，从而实现独立的 GaN 衬底生产。

3) HVPE生长：Kyma的HVPE生长设备和工艺技术应用于Qromis直径150毫米、厚度5微米的高质量MOCVD GaN-on-QST®模板。该模板作为外延种子，用于成核并进行厚GaN过度生长。Kyma的专利和专有方法用于控制整个生长过程中的表面形貌和GaN应变状态。在过去十年中，Kyma的HVPE设备和工艺经历了一系列内部改进，包括硬件改进和特殊技术，以最大限度地降低维护频率和成本，并在需要维护之前提供均匀稳定的前驱体流，使GaN生长厚度达到甚至超过15毫米。

直到最近，Kyma仍使用HVPE生产2英寸、3英寸和100毫米衬底；最近，Kyma 扩展了现有设备以支持 150 毫米生长——该设备已用于本研究。生长速度可控制在 < 10 微米/小时至 > 250 微米/小时之间，且不影响晶体纯度或结构质量。如图 1 所示，在能够产生最高品质独立 GaN 的条件下，采用 HVPE 生长厚 GaN 会导致生长表面直径随厚度增加而变窄。这意味着目前应用于 150 毫米种子的工艺无法实现 150 毫米独立衬底，因此 Kyma 选择了直径 100 毫米的衬底。然而，最近，Kyma 进一步扩展了其直径能力，可在 200 毫米 QST® 模板上生长 GaN（见图 2）[2]，未来将用于制造 150 毫米独立 GaN。

4) QST® 种子去除工艺：Kyma 开发了一种特殊技术，可以在生长后从 GaN 晶体中去除种子，后者包括 MOCVD GaN 缓冲层和厚 HVPE GaN 层。

这会产生直径在 100 毫米至 150 毫米之间且顶面和底面相对光滑的独立 GaN 晶体。该晶体适合后续的晶圆切割和抛光，以生产可用于外延的 GaN 衬底。

5) 晶圆加工：移除种子后，GaN 晶体将经过 Kyma 的晶圆加工，该加工过程包括切片、研磨、切割、减薄和抛光，目标是制造出 100 毫米的独立式 GaN 衬底。生成外延就绪表面的工艺与 Kyma 多年来为其商用独立式 GaN（2 英寸及更小）衬底产品开发的工艺类似，其表面光洁度没有任何划痕或亚表面损伤的迹象。

图 2 所示为抛光后的 100 毫米衬底图像。

图 2. （左）QST® 模板上 200 毫米 GaN 的图像，以及（右）由 150 毫米 QST® 种子晶种制备的 100 毫米独立 GaN 衬底（抛光后）的图像。

结果与讨论

1) 材料表征：GaN 衬底的 X 射线衍射 (XRD) 摇摆曲线显示，对称 {002} 峰和非对称 {102} 峰的半峰全宽小于 150 角秒，这与较高的结构质量相符。此外，还获得了阴极发光 (CL) 图像，证实了较高的结构质量，并显示缺陷密度约为 2x107 cm-2，与市场上现有的独立式 GaN 衬底相似，比 GaN 缓冲层低 10 到 100 倍。在非原生衬底上生长的GaN器件中（见图3）。在100毫米衬底的中心60毫米处测量到了较大的晶格曲率半径，相当于透镜效应大于35米，这与蓝宝石衬底的典型结果非常吻合，蓝宝石衬底的2英寸晶圆[1]的曲率半径从未超过10米（见图4）。晶圆边缘的透镜效应证据源于一个安装问题

图 3. 采用 QST® 种子源制备的 100 毫米独立 GaN 衬底的阴极发光图像。4 个点测得的平均缺陷密度为 2E7 cm-2，测量范围为 1.61E7 至 2.74E7 cm-2。