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大口徑無(wú)曲翹!日本開(kāi)發(fā)出有助于節(jié)能的氮化鎵單晶基板量產(chǎn)法

日期:2020-06-16 來(lái)源:客觀日本閱讀:449
核心提示:日本東北大學(xué)多元物質(zhì)科學(xué)研究所的秩父重英教授等人與日本制鋼所公司和三菱化學(xué)公司合作,成功開(kāi)發(fā)出了可以量產(chǎn)、幾乎沒(méi)有曲翹的大口徑高純度GaN單晶基板的低壓酸性氨熱法。
  日本東北大學(xué)多元物質(zhì)科學(xué)研究所的秩父重英教授等人與日本制鋼所公司和三菱化學(xué)公司合作,成功開(kāi)發(fā)出了可以量產(chǎn)、幾乎沒(méi)有曲翹的大口徑高純度GaN單晶基板的低壓酸性氨熱法。
 
  研究背景
 
  要想維持社會(huì)的繁榮、安心和安全,離不開(kāi)對(duì)有限的能源資源進(jìn)行高效利用的技術(shù)。例如,將電力轉(zhuǎn)換成強(qiáng)動(dòng)力的鐵路、純電動(dòng)汽車(chē)、工業(yè)機(jī)械以及放大高頻電波的通信基站等領(lǐng)域,就面臨著提高電力轉(zhuǎn)換效率的緊迫課題。作為解決方法,將負(fù)責(zé)電力控制的功率晶體管(圖1)的半導(dǎo)體材料由原來(lái)的硅換成碳化硅、GaN和金剛石等的方法受到關(guān)注。
  圖1:采用GaN的垂直功率晶體管模式圖,圖片來(lái)源:日本東北大學(xué)
 
  尤其是GaN,因具備禁帶寬度寬(3.4eV)、絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)(3.3MVcm-1)、飽和電子速度快(2.5×107cms-1)等優(yōu)異特性,在以高功率和高頻工作的垂直功率晶體管上的應(yīng)用備受期待。不過(guò),目前很難獲得制作GaN晶體管的GaN單晶基板,因此難以制作出漏電流小且可靠性高的GaN垂直功率晶體管。
 
  研究方法與成果
 
  本次研究自主開(kāi)發(fā)出了可量產(chǎn)直徑2英寸以上的GaN單晶基板的低壓酸性氨熱(Low-pressure acidic ammonothermal; LPAAT)法。與已經(jīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的、采用高壓超臨界流體氨的傳統(tǒng)酸性氨熱(SCAAT)法不同,通過(guò)實(shí)現(xiàn)低壓晶體生長(zhǎng),能以相對(duì)較小的晶體生長(zhǎng)爐量產(chǎn)大型晶體。
 
  如圖2所示,利用LPAAT法在基于SCAAT法的GaN籽晶上制作的2英寸長(zhǎng)GaN單晶基板,具有晶體鑲嵌性低(對(duì)稱面和非對(duì)稱面的X射線搖擺曲線半值寬度在28秒內(nèi))、基板幾乎沒(méi)有曲翹(曲率半徑約為1.5km)的良好晶體結(jié)構(gòu)特性。
  另外,為抑制來(lái)自晶體生長(zhǎng)爐的材質(zhì)鐵和鎳等的污染,用銀涂覆了晶體生長(zhǎng)爐的內(nèi)壁,由此可以減少意外混入GaN晶體中的雜質(zhì),實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的結(jié)晶性和高純度,達(dá)到可以從低溫光致發(fā)光中觀察到GaN的激子躍遷發(fā)光的程度。利用LPAAT法制作的大口徑、低曲翹、高純度GaN單晶基板如果能普及,可靠性優(yōu)異的GaN垂直功率晶體管就有望實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。
 
  圖2:利用LPAAT法在2種GaN籽晶(Halide vapor phase epitaxy:HVPE及Supercritical acidic ammonia technology:SCAAT)上制作的2英寸GaN單晶基板的外觀、晶體結(jié)構(gòu)特性及光致發(fā)光光譜。圖片來(lái)源:日本東北大學(xué)

  未來(lái)展望
 
  今后計(jì)劃將本次研究開(kāi)發(fā)的LPAAT技術(shù)應(yīng)用于大型晶體生長(zhǎng)爐(內(nèi)徑為120mm以上),實(shí)現(xiàn)具備優(yōu)異晶體結(jié)構(gòu)特性(曲翹少且?guī)缀鯖](méi)有晶體鑲嵌性)的4英寸以上大口徑GaN基板。
 
  另外,還將利用東北大學(xué)和筑波大學(xué)擁有的特殊測(cè)量技術(shù),對(duì)制作的GaN的輻射和非輻射復(fù)合率及空位型缺陷濃度等進(jìn)行量化,從而進(jìn)一步提高利用LPAAT法制作的GaN單晶的光學(xué)和電氣特性。
 
  論文題目:Ammonothermal growth of 2 inch long GaN single crystals using an acidic NH4F mineralizer in a Ag-lined autoclave
 
  論文網(wǎng)址:https://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/pressimg/tohokuuniv-press20200601_01web_GaN.pdf
 
  文稿來(lái)源:客觀日本(ID:keguanjp)
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