摘要：住友化学（Sumitomo Chemical）开发出一种可大规模生产的无石英氢化物气相外延（QF-HVPE）系统，能够制造出据称在室温和低温下均创下迁移率纪录的氮化镓（GaN）材料。该材料已在 4 英寸独立式氮化镓衬底和 6 英寸蓝宝石模板上的氮化镓上进行了展

住友化学（Sumitomo Chemical）开发出一种可大规模生产的无石英氢化物气相外延（QF-HVPE）系统，能够制造出据称在室温和低温下均创下迁移率纪录的氮化镓（GaN）材料。该材料已在 4 英寸独立式氮化镓衬底和 6 英寸蓝宝石模板上的氮化镓上进行了展示。

住友团队特别关注减少碳污染，这种污染与实际性能低于理论预期的移动性崩溃有关。高真空等离子体增强化学气相沉积（HVPE）避免了在大规模生产高质量氮化镓层时通常使用的金属有机（MO）化学气相沉积中不可避免存在的碳。在系统构建中避免使用石英（结晶二氧化硅）有助于更好地控制用于实现 n 型、以电子为主的传输的硅（Si）掺杂。

该团队认为，他们的研究成果可能会促成用于需要超过 10 千伏击穿电压的应用的氮化镓基氮化镓功率器件，这在电动汽车和无人机所用的功率驱动和逆变系统中是必需的。

该团队阐述了转向电动交通的动机：“实现碳中和对于达成应对全球变暖迅速加剧而制定的可持续发展目标至关重要，近年来全球变暖已导致世界各地频繁出现极端天气和灾害。由于全球超过 60% 的电力来自火力发电，因此推广可再生能源以及通过高效电力转换系统减少损耗对于实现碳中和至关重要。”

氮化镓具有宽禁带，这使得其在半导体器件结构中能够实现高击穿电压。

图 1：采用 QF-HVPE 系统在蓝宝石衬底上制备的六英寸氮化镓模板。

QF-HVPE 在 1050°C 下进行，生长速率为每分钟 1 微米。这与 MOVPE 通常每小时几微米的速度相比，优势明显。氮和镓这两种化学元素分别由氨（NH₃）和氯化镓（GaCl）提供。二氯硅烷（H₂SiCl₂）用于硅掺杂。这些活性成分在氢气和氮气的混合气体中被输送到生长前沿。研究人员在直径为 4 英寸和 6 英寸的衬底上生长了目标硅浓度为 4×10¹⁵/cm³ 的 GaN 层。4 英寸的衬底为独立的 GaN，而 6 英寸直径的层则是在 GaN-on-sapphire 模板上生长的（图 1）。

研究人员利用二次离子质谱法（SIMS）表明，大规模生产的 QF-HVPE 系统尽可能地消除了碳和氧的污染。特别是，这两种元素的浓度低于其分析检测限：碳为 1x1014/cm3，氧为 5x1014/cm3。研究人员评论说，这比 2024 年初报道的原型 QF-HVPE 系统有所改进，当时该系统仅能将碳污染降低到可测量的 1.4 x1014/cm3

研究人员报告称：“从原子力显微镜图像评估来看，每个样品的表面几乎毫无特征，没有凹坑或凸起，生长出的表面平滑且有规律排列的台阶，这与之前的报道一致。由于表面形貌直接影响器件的漏电流，这种没有凹坑和凸起的平坦表面有利于氮化镓器件的稳定运行。”

根据傅里叶变换红外光谱分析，这些层厚为 14.1 微米。与传统 HVPE 存在较大厚度变化不同，住友的研究人员发现他们的层厚标准偏差仅为 3.4%，“与 MOVPE 生长的外延薄膜相当”。在 6 英寸 GaN/蓝宝石模板上的生长，其厚度标准偏差较大，但“合理”，为 4.4%。该团队报告称，6 英寸独立式 GaN 衬底正在开发中。

通过非接触式电容 - 电压（C-V）测量评估了材料中供体（ND）与受体（NA）的差值。采用金属有机气相外延（MOVPE）生长的样品平均 ND–NA 值为 4.3x1015/cm3，而 QF-HVPE 样品的值为 6.8x1015/cm3。MOVPE 样品的 ND-NA 变异性较高，标准偏差为 14.3%，相比之下，在 4 英寸独立衬底上的 QF-HVPE 氮化镓层的标准偏差仅为 3.0%。研究团队认为，根据先前的研究，MOVPE 样品的问题在于碳掺入效率与偏离角度有关，而 QF-HVPE 的无碳特性避免了这一问题。

通过在最后 2.4 微米的生长过程中以 600 纳米为步长改变 [Si] 的浓度，展示了对载流子浓度的控制（图 2）。发现 ND-NA 对 [Si] 的依赖性在 1014–1018/cm3的宽范围内呈线性关系。

图 2：（a）通过二次离子质谱（SIMS）分析获得的 [Si] 深度分布，[Si] 每 600 纳米变化一次；从表面起 2.4 微米以下的外延层无意掺杂。（b）通过非接触式 C-V 分析得出的在独立 GaN 衬底上通过 QF-HVPE 生长的层的 [Si] 与 ND–NA 的关系。

研究人员评论道：“通过金属有机物气相外延（MOVPE）生长的外延层，当载流子浓度低于 1x1016/cm3 时，由于碳引起的载流子补偿，其载流子浓度的控制效果不佳。相反，由于 QF-HVPE 生长层中的碳杂质浓度低于 1x1014/cm3，其纯度很高，即使载流子浓度低于 1x1016/cm3 也能保持良好的线性。鉴于许多功率器件的工作电压高于千伏范围，因此在低于 1x1016/cm3 的浓度范围内控制载流子浓度至关重要。”

霍尔效应测量（图 3）显示，在室温（295 开尔文）和低温（35 开尔文）下，其迁移率分别达到了创纪录的 1591 平方厘米/伏秒和 18175 平方厘米/伏秒。

图 3：QF-HVPE 法生长的 GaN 单晶的（a）载流子密度和（b）霍尔迁移率的测量值与计算值随温度的变化关系。黑色实心圆圈和红色实线分别表示实验数据及采用传统迁移率理论拟合的曲线。

研究人员评论道：“尽管包括我们团队在内的多个研究小组都报告称，氮化镓层中的电子迁移率与理论值相比出现了异常下降——这一现象被称为迁移率崩溃——但目前的数据可以很好地用传统的迁移率理论来拟合。”

迁移率的下降是由碳诱导的散射造成的，住友公司关于其低碳材料的研究结果也支持了这一论断。光致发光实验也显示了没有与碳污染相关的蓝光和黄光发射的光谱。

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来源：宽禁带联盟