[发明专利]氮化镓单结晶晶片的制造方法

说明书

本发明属于制造方法，具体涉及一种氮化镓单结晶晶片的制造方法。一种氮化镓单结晶晶片的制造方法，包括下述步骤：通过运用HVPE二段生长法让氮化镓结晶在铝镁酸钪(ScAlMgO₄)基板上生长。本发明的显著效果是：本发明中的GaN结晶的最大特征体现在其结晶品质和晶片大小上。在本发明中,因为GaN基板的晶格常数和热膨胀系数和SCAM基板基本一致,所以可以实现无位错、无结晶缺陷的高品质GaN结晶的制造。

技术领域

本发明属于制造方法，具体涉及一种氮化镓单结晶晶片的制造方法。

背景技术

半导体激光二极管、发光二极管、晶体三极管等半导体原件,是在基板上根据晶格的整合条件层积而成的高品质薄膜结晶层内完成制造的。换而言之,薄膜结晶层和基板间的晶格整合技术,决定了是否可是实现结晶缺陷少的高品质结晶的制造。而在2014年的诺贝尔奖中大放异彩的GaN蓝光LED的制造,因为当时还没有高品质的GaN基板,所以是在蓝宝石基板上进行制造的。由于蓝宝石基板和GaN层之间的晶格并不能实现整合,使得被称为穿透位错的结晶缺陷密度达到了10⁸/cm²以上。这比本来的期望数值足足高出了5个数量级。

这一情况目前虽然已经得到了部分改善,但是,在非GaN材质的异种材料, 如蓝宝石(αAl₂O₃)、碳化硅(SiC)、硅(Si)、砷化镓(GaAs)、氧化锌(ZnO)等材质制造的基板上,通过氢化物气相外延(HVPE)法制得由GaN层层叠而成的复合基板, 或者将层叠而成的GaN层从异种材料的基板上剥离或者切片后,作为GaN独立基板使用。这些都无法避免结晶缺陷的发生,相比之下情况并没有得到显著的改善。

GaN蓝光LED和LD已经进入实用化阶段,最尖端的研究对象也开始渐渐从发光原件向电子原件转移。尤其是电力转换用晶体三极管的研究目前正处于十分兴盛的阶段。电力转换用晶体三极管,作为开关原件组成变频器等电源电路的一部分,变频器可以通过改变交流电的频率实现对电动机的控制,是电动机节能控制设备的最佳选择,同时也在节能空调、节能电磁炉及其它电磁加热型厨房家电、工业用电动机以及电动汽车、电气列车等运输设备中有着广泛的应用。目前最为常用的是Si系绝缘栅型双极性晶体管(bipolartransistor)。其中一部分为SiC电力转换用晶体三极管。GaN电力转换用晶体三极管比起SiC电力转换用晶体三极管拥有更高的临界击穿电压,因而被作为替代SiC的次时代电力转换用晶体三极管备受期待。

现在可以购得的GaN基板基本都是2英寸基板。其原因在于存在前文记述的结晶缺陷,因而导致无法制作更大直径的GaN基板。所以尺寸在2英寸以上的大型基板并未在一般市场上流通。而价格却是SiC基板的数十倍,基板中的穿透位错密度达到了10⁵～10⁷cm^-2之巨。用氨热法(ammonothermalmethod)等方法制得的锭状GaN单晶基板和使用异质外延成长层法制得的GaN基板相比,穿透位错的密度要小上3～4个数量级。该工艺为电力转换用晶体三极管(GaN系)的实现创造了可能性。但是此时制得的基板价格为SiC基板价格的数百倍。如上所述,GaN电力转换用晶体三极管用基板的制造,最佳的选择为由同一材料(GaN)制造的GaN 单晶基板。但是GaN基板的品质提升和大直径化仍是一个重要的课题。