使用GaN制造半导体晶圆

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从硅半导体晶圆到未来的氮化镓晶圆

半导体晶圆几乎用于所有电子产品，包括智能手机、电脑和汽车。正如该术语所表明的那样，半导体既不是导体也不是绝缘体，而是介于中间的某种东西。他们可以控制他们传导多少电流，从而适应每个单独的应用程序。

硅 是应用最广泛的半导体材料，几乎出现在每一个电子设备中。

它确实能够在高温或高频下执行大多数任务，但它可能需要其他半导体材料的支持，例如氮化镓 (GaN)。尽管在某些情况下新材料正在取代硅，但硅仍然是迄今为止成本最低的最主要的半导体基础材料。因此，对于下一代半导体材料，硅晶片经常被用作基础载体材料。

硅以圆木或圆柱形“锭”的形式生产，然后切成非常薄的圆形半导体盘，也称为晶片，通常不到一毫米厚。电子电路可以定义或用作此类半导体晶片上的其他半导体材料（例如 GaN）的基础衬底。

外延是涂层方法。气体和金属在精心控制的条件下和过程中的高温下与基材发生反应。GaN纳米线或薄层可以以这种方式在晶片上“生长”。GaN 基元素可以在下一代半导体晶片中找到。

然后将完成的晶片切成邮票大小的片并封装。通常，封装的半导体被称为微芯片或简称为芯片。这些是允许电子设备运行的大脑和记忆。芯片上有数百万个晶体管。设备中晶体管的数量越多，它完成任务的速度就越快。

逐步制造 GaN 材料的半导体晶片

在GaN半导体的实验开发中，可以用蓝宝石代替硅。下文所述的制造步骤对于两种基板来说大致相同。然而，GaN 的培养或生长在硅上更加困难，因为磁盘容易因机械应力而破裂，除非生长特定层来抵消压力。不同的层可以例如由GaN、AlGaN或InGaN组合。除其他外，“配方”是使 GaN 半导体独一无二的原因。该配方对于材料生长和控制气体成分以及温度和压力曲线至关重要。RISE 晶体生长专家从蓝宝石开始开发过程，当针对特定创新改进配方时，将其用于硅衬底。

步骤 1. MOCVD 生长前的基板清洗

在化学实验室，一名实验室工程师检查并清洁通风柜中的底板。在这里，他为图案生长或 MOCVD（代表金属有机化学气相沉积）做准备。ProNano 的 MOCVD 反应器的大容量意味着可以在一轮中外延生长七个 50 毫米圆盘，或者在一轮中生长一个 150 毫米圆盘。当较小的磁盘增长时，并不总是使用全部容量，七个位置只使用一两个磁盘。例如，这可以用于工艺开发中的实验目的或校准生长反应器的工艺参数，例如温度、压力或气流。对于均匀的生长条件，空位需要填充相同尺寸和基板材料的圆盘，在下面的示例中：

从可持续性的角度来看，为了管理资源，蓝宝石磁盘被重复使用。这是通过蚀刻或清洁来完成的，使用加热的氢氧化钾 (KOH) 从蓝宝石盘的顶表面去除所有氮化镓 (GaN)。蓝宝石圆盘放置在支架中并浸入蚀刻剂中。

由于蚀刻剂需要加热以实现对蓝宝石圆盘的快速有效清洁，因此将圆盘浸入控制温度和体积的热水浴中。

为了达到蚀刻剂的正确温度，必须在水浴中使用正确体积的水。

清洁过程完成后，蓝宝石圆盘在过滤的去离子水中冲洗，并用加压氮气干燥。然而，这会在表面上留下一层薄薄的水，通过在 100°C 以上的烤箱中加热磁盘来去除水。

清洁后，使用氮气枪将蓝宝石切片吹干。

步骤 2. 使用扫描电子显微镜进行图案制作和表征

在纳米结构可以生长之前，洁净的圆盘在洁净室中经过许多过程，例如沉积、旋转和蚀刻。这会在磁盘的整个表面上形成纳米级的空腔图案。空腔用于确定将在何处创建或不创建纳米结构。质量，如大小、分布和纯度，可以用扫描电子显微镜有效地测量。图案的尺寸会影响外延生长的输入参数，因此是制造高质量半导体材料的必要步骤。

　　审核编辑：汤梓红