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酸性氨热生长预示着更廉价的氮化镓衬底

2022/7/28 8:46:06

酸性氨热生长可以在相对较低的压力下进行，允许使用更大的高压釜，具有更高的产能效率

要设计出一种大规模生产氮化镓衬底的工艺绝非易事。现有HVPE技术以牺牲材料质量为代价提供合理的产能效率，而主要的替代方案氨热生长主要关注高晶体质量，但因产能而受限，从而导致生产成本上升。然而，由于日本的一个团队使用了使用酸性矿化剂的大型高压釜，提高了产能效率，氨热法的局限性很快就会得到解决。

传统氨热法生长使用碱性矿化剂，温度超过600℃ 。生长发生在由镍基高温合金制成的高压釜中，该合金在高温下具有高强度，但晶体形成所需的高压限制了生长反应器的尺寸。

从碱性矿化剂切换到酸性矿化剂可以降低生长压力，从而使高压釜更大，提供更高的单炉产能。

正在探索这一机会的合作将东北大学、三菱化学公司和日本钢铁厂的研究人员聚集在一起，日本钢铁厂在生产高压釜方面拥有丰富的专业知识。该公司已经制造了400多个用于通过水热法生产石英的高压釜，在生产GaN碱性氨热生长高压釜时，可以借鉴15年的研究经验。

该团队发言人Shigefusa Chichibu声称，他们是第一个报告使用低压酸性氨热过程生长出大而平的c面GaN的人。他补充道：“这使用了传统酸性氨热法的一半压力和碱性氨热法的四分之一压力。”

该团队在能够容纳直径高达4英寸的晶体的高压釜中进行GaN生长。该容器内衬银，以防止超临界氨和酸之间的反应引起的腐蚀。

将氮化镓籽晶放置在高压釜的下半部分，此处温度较高。在其上方温度较低的地方，研究小组添加了多晶氮化镓，即原材料。这种特殊的排列有助于高质量氮化镓的生长，因为晶体生长的较高温度抑制了点缺陷的产生，而杂质原子被传输到低温区。

研究人员研究了生长21天后形成的氮化镓材料：直径2英寸、HVPE生长籽晶；以及通过酸性氨热法生产的10 mm×10 mm籽晶。在HVPE籽晶上生长的GaN出现倾斜和扭曲马赛克，而在氨热种子上形成的GaN晶体产生了3 mm厚的光滑扁平的GaN晶体。

根据他们的发现，Chichibu和同事将一种60 mm ×60 mm 的氨热法镓籽晶插入高压釜。14天的生长产生了3 mm厚、光滑、平坦的氮化镓晶体。它几乎没有弯曲，当通过X射线衍射评估时，会产生一个峰值，其半宽最大值仅为13弧秒。

自从报告这些结果以来，该团队安装了一个更大的高压釜。“我们目前正在进行4英寸和6英寸的大规模生产的生长实验，”Chichibu透露，他补充说，该团队的下一个目标是为客户生产低压酸性氨热生长的GaN衬底，并加快设备评估。

参考文献

K. Kurimoto et al. Appl. Phys. Express 15 055504 (2022)

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