硅基氮化镓工艺技术流程详解
硅基氮化镓（GaN-on-Si）工艺技术是将高性能的氮化镓（GaN）外延层生长在成本相对较低、尺寸大且成熟的硅（Si）衬底上的一种关键技术。它成功克服了两种材料之间显著的晶格失配和热膨胀系数差异，使得GaN器件能够利用硅基半导体成熟的大规模制造基础设施，实现高性能与低成本的结合，尤其在功率电子和射频领域应用广泛。
以下是硅基氮化镓工艺的主要技术流程：
核心流程阶段
衬底准备 (Substrate Preparation)
硅片选择： 通常使用高电阻率（>1000 Ω·cm）的(111)晶向硅片。高电阻率对射频应用至关重要，可减少衬底损耗；(111)晶向更利于后续GaN的异质外延生长。
清洗： 使用标准的RCA清洗工艺彻底去除硅片表面的有机物、金属离子和颗粒污染物，确保表面高度洁净。
表面处理： 可能包括高温氢烘烤等步骤，以去除自然氧化层并获得原子级洁净的硅表面，为后续外延生长奠定基础。
成核层生长 (Nucleation Layer Growth)
AlN与Si的晶格失配较小（约19%，但可通过生长条件优化），且其晶格常数介于Si和GaN之间，起到一定的缓冲作用。
AlN具有六方纤锌矿结构，与GaN相同。
AlN具有高热稳定性。
目的： 这是最关键也是最困难的步骤之一，旨在在硅衬底上“播种”一层能与硅良好结合，同时又能为后续高质量GaN生长提供合适模板的薄层。由于GaN和Si之间存在巨大的晶格失配（约17%）和热膨胀系数差异，直接生长GaN会产生高密度缺陷甚至裂纹。
材料选择： 通常采用氮化铝（AlN） 作为成核层。
生长工艺： 通常在MOCVD（金属有机化学气相沉积）反应腔中进行。精确控制温度（通常在1000°C以上）、压力、前体（如TMAl和NH₃）流量和V/III比至关重要，以获得单晶、致密且应力可控的薄AlN层（通常几十到一百多纳米）。
缓冲层/应力管理层生长 (Buffer/Strain Management Layer Growth)
低温AlN插入层
AlGaN组分渐变层：从高Al组分（靠近成核层）逐渐降低到低Al组分（靠近GaN层）。
多层超晶格结构：如交替的AlN/GaN或AlGaN/GaN薄层，能有效阻挡和湮灭位错。
高电阻GaN层：通常掺碳（C）或铁（Fe）以增加电阻率，抑制衬底漏电。
进一步弛豫晶格失配应力： 通过引入过渡层（如AlGaN组分渐变层）逐步过渡晶格常数。
过滤位错： 使外延层中产生的位错在多层结构中发生弯曲、湮灭，显著降低到达有源区的位错密度。
补偿热失配应力： 在冷却过程中，由于GaN和Si的热膨胀系数不同（GaN < Si），GaN层会受到张应力。缓冲层设计（如引入AlN插入层或特定组分的AlGaN层）可以引入压应力，在高温生长时部分抵消失配应力，并在冷却后平衡应力，防止晶圆弯曲或开裂。
目的： 在成核层之上生长一系列复杂的缓冲层结构，核心目标是：
典型结构： 常见的缓冲层堆叠可能包括：
生长工艺： 主要在MOCVD中进行，需要极其精密的温度、气体流量和切换控制。缓冲层总厚度通常在1-6微米之间，是外延片中最厚的部分。
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