隨著疫情三年的結(jié)束，大家又開始馬不停蹄出差、旅游、返鄉(xiāng)，生活的壓力讓人喘不過氣。更別提出行的時(shí)候，還需要背一個(gè)很沉的電腦，以及與它適配的、同樣很沉的、形狀不規(guī)律的、看著就很糟心的電源適配器！

有沒有一種東西，能夠讓大家的出行變得更加輕松（物理上）？

那必須是現(xiàn)在越來越流行的氮化鎵（GaN）充電器了！一個(gè)氮化鎵充電器幾乎可以滿足所有出行充電的需求，并且占地空間小，簡(jiǎn)直是出行神器！

圖1 氮化鎵（GaN）充電器

氮化鎵是一種無機(jī)物，化學(xué)式GaN，是氮和鎵的化合物，一種直接能隙（direct bandgap）的半導(dǎo)體材料。GaN材料具有寬禁帶、高臨界電場(chǎng)強(qiáng)度和高電子飽和速度等特點(diǎn)，其器件耐高溫、耐高壓、高頻和低損耗，大大提升電力器件集成度，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)和散熱支持，具有重要的價(jià)值和廣泛的應(yīng)用，是現(xiàn)在最 火熱的第三代半導(dǎo)體材料，沒有之一。GaN的應(yīng)用不止在流行的充電器上，早在2014年日本科學(xué)家天野浩就憑借基于GaN材料的藍(lán)光LED獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

不過GaN就沒有缺點(diǎn)了嗎？或者說GaN沒有改善的地方了嗎？

并不是， GaN技術(shù)的難點(diǎn)在于晶圓制備工藝。由于制備GaN的單晶材料無法從自然界中直接獲取，所以GaN的主要制備方法是在藍(lán)寶石、碳化硅、硅等異質(zhì)襯底上進(jìn)行外延。而現(xiàn)在由異質(zhì)外延生長(zhǎng)的GaN普遍存在大量缺陷的問題。缺陷的存在勢(shì)必會(huì)影響到晶體的質(zhì)量，從而影響到材料和器件的電學(xué)性能，最 終影響到未來半導(dǎo)體科技的快速發(fā)展。因此，降低GaN晶體里面的缺陷量，提高晶體質(zhì)量，是當(dāng)前第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域研究很重要的一個(gè)課題。

GaN晶體質(zhì)量/缺陷評(píng)估的方法

GaN晶體里面的雜質(zhì)、缺陷是非常錯(cuò)綜復(fù)雜的，無法單純通過某一項(xiàng)缺陷濃度或者雜質(zhì)含量來定量描述GaN晶體是否是高質(zhì)量，因此現(xiàn)在評(píng)價(jià)GaN晶體質(zhì)量的手段比較有限。根據(jù)現(xiàn)有的報(bào)道，大致有以下幾種：多光子激發(fā)光致發(fā)光法（Multiphoton-excitation photoluminescence method，簡(jiǎn)稱MPPL）、蝕坑觀察法（Etch pit method）以及二次離子質(zhì)譜（Secondary-ion mass spectrometry，簡(jiǎn)稱SIMS)。

MPPL法

多光子激發(fā)光致發(fā)光法采用長(zhǎng)波長(zhǎng)激發(fā)，遠(yuǎn)大于帶邊熒光波長(zhǎng)。激發(fā)過程需要同時(shí)吸收二個(gè)或者多個(gè)光子。通過吸收多個(gè)脈沖光子，在導(dǎo)帶和價(jià)帶形成電子空穴對(duì)，隨后非輻射馳豫到導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂,最 后產(chǎn)生帶邊發(fā)光和缺陷發(fā)光。通過濾波片獲得帶邊和缺陷發(fā)光光譜和光強(qiáng)，改變?nèi)肷涔獍叩奈恢?，從而得到樣品的熒光信?hào)三維分布，即三維成像。多光子熒光三維成像技術(shù)可以識(shí)別和區(qū)分不同類型的位錯(cuò)，但是無法定量評(píng)估GaN的晶體質(zhì)量，而且多光子激發(fā)的系統(tǒng)造價(jià)高。

圖2 (a) Optical microscope image of etch pits. (b) 42 × 42 μm2 2D MPPL image taken at a depth of 22 μm. (c) 42 × 42 × 42 μm3 3D MPPL image, shown with contrast inverted

參考文獻(xiàn)：

Identification of Burgers vectors of threading dislocations in free-standing GaN substrates via multiphoton-excitation photoluminescence mapping' by Mayuko Tsukakoshi et al; Applied Physics Express, Volume 14, Number 5 (2021)

蝕坑觀察法

蝕坑觀察法通過適當(dāng)?shù)那治g可以看到位錯(cuò)的表面露頭，產(chǎn)生比較深的腐蝕坑，借助顯微鏡可以觀察晶體中的位錯(cuò)多少及其分布。該方法只適合于位錯(cuò)密度低的晶體，如果位錯(cuò)密度高，蝕坑互相重疊，就很難將它們區(qū)分。并且該方法是對(duì)晶體有損傷的，做不到無損無接觸。

圖3 蝕坑觀察法

SIMS技術(shù)

SIMS是利用質(zhì)譜法分辨一次離子入射到測(cè)試樣品表面濺射生成的二次離子而得到材料表面元素含量及分布的一種方法。SIMS可以進(jìn)行包括氫在內(nèi)的全元素分析，并分辨出同位素、化合物組分和部分分子結(jié)構(gòu)的信息。二次離子質(zhì)譜儀具有ppm量級(jí)的靈敏度，最 高甚至達(dá)到ppb的量級(jí)，還具有進(jìn)行微區(qū)成分成像和深度剖析的功能。但是SIMS對(duì)晶體有損傷，無法做到無損。

圖4 SIMS技術(shù)

以上三種技術(shù)均是評(píng)估GaN晶體缺陷的方法，但是每一種都有其缺憾的地方，它們無法做到定量的去評(píng)價(jià)GaN晶體的質(zhì)量，而且具有破壞性。為了更好地定量評(píng)估GaN晶體質(zhì)量，濱松公司和日本Tohoku University的Kazunobu Kojima教授以及Shigefusa Chichibu教授從2016年開始合作研發(fā)了一套基于積分球的全向光致發(fā)光系統(tǒng)（Omnidirectional Photoluminescence，以下簡(jiǎn)稱ODPL），該系統(tǒng)是第 一個(gè)無損無接觸定量去評(píng)價(jià)GaN晶體質(zhì)量的方法/系統(tǒng)。

ODPL系統(tǒng)

ODPL系統(tǒng)是首 個(gè)無接觸無損評(píng)價(jià)半導(dǎo)體材料晶體質(zhì)量的方法，通過積分球法測(cè)量半導(dǎo)體材料、鈣鈦礦材料的內(nèi)量子效率。該產(chǎn)品可以直接測(cè)量材料 IQE，具有制冷型背照式 CCD 高靈敏度以及高信噪比。

圖5 ODPL測(cè)量方法示意圖

傳統(tǒng)光致發(fā)光的量子效率測(cè)量指的是晶體的PLQY，即光致發(fā)光量子效率，其定義為：

PLQY = 樣品發(fā)射的光子數(shù)/樣品吸收的光子數(shù)

圖6 GaN樣品在積分球下的發(fā)射光譜

PLQY是表征晶體發(fā)光效率最 常見的參數(shù)之一，對(duì)于絕大多數(shù)的發(fā)光材料，PLQY都是黃金標(biāo)準(zhǔn)。但是對(duì)于GaN晶體，PLQY的表征顯得不足。上圖可見，GaN的光致發(fā)射光譜呈雙峰形狀，這是由于GaN晶體中的缺陷等，會(huì)將GaN本身發(fā)射的PL再次吸收然后發(fā)射（光子回收Photon Recycling現(xiàn)象）。

圖7 ( a ) PL and ODPL spectra of the HVPE / AT - GaN crystal and ( b ) detectable light - travelling passes considered in the simulation of light extraction :(1) direct escaping from the surface :( ii ) scattered at the bottom and escaping from the surface : and ( ii ) direct eseaping from the edge .( c ) Refractive index and absorption spectra of HVPE / AT - GaN .

因?yàn)榇嬖赑hoton Recycling的現(xiàn)象，GaN的PLQY不足以表征其發(fā)光轉(zhuǎn)化效率，而真正可以表征GaN晶體發(fā)光轉(zhuǎn)化效率的定義是其真正的內(nèi)量子效率：

IQE = 樣品產(chǎn)生的光子數(shù)/樣品吸收的光子數(shù)

圖8  GaN樣品的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射光譜

IQE是GaN晶體的PLQY考慮LEE和光子回收現(xiàn)象以后的參數(shù)，更能直觀、定量反映GaN晶體的質(zhì)量。

圖9  高IQE和低IQE晶體的對(duì)比

高IQE的GaN晶體通常表現(xiàn)為：高載流子濃度、低穿透位錯(cuò)密度、低雜質(zhì)濃度、低點(diǎn)缺陷濃度、高激發(fā)功率密度。

圖10 不同穿透位錯(cuò)密度晶體的IQE結(jié)果對(duì)比

免費(fèi)樣機(jī)預(yù)約ODPL

現(xiàn)在ODPL樣機(jī)開放免費(fèi)預(yù)約試 用活動(dòng)，有意向的客戶請(qǐng)?jiān)谠u(píng)論區(qū)留言“樣機(jī)試 用”小編看到之后會(huì)第 一時(shí)間與您聯(lián)系，樣機(jī)數(shù)量有限，先到先得喲~

圖11 ODPL樣機(jī)展示

以上有關(guān)新品的信息已經(jīng)全部介紹完畢了，如有任何疑問，歡迎在評(píng)論區(qū)留言喲。

       涂層厚度是一個(gè)重要的工藝參數(shù)，在產(chǎn)品質(zhì)量、過程控制和成本控制中都發(fā)揮著非常重要的作用。目前，許多不同種類的儀器和方法都可以用來測(cè)量涂層的厚度，但在選取合適的測(cè)量方法時(shí)需要考慮各種因素，比如涂層類型、基體材料、涂層厚度范圍、被測(cè)件的形狀和尺寸等。

       AIM Systems 有限責(zé)任公司是一家專注于工業(yè)涂布涂覆無損檢測(cè)技術(shù)的德國(guó)光電科技公司，集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)為一體，擁有非接觸無損涂層檢測(cè)的技術(shù)和產(chǎn)品。AIM Systems公司生產(chǎn)的CoatPro非接觸無損涂層測(cè)厚儀采用光熱紅外法工作原理，可以在線或離線對(duì)涂層厚度進(jìn)行無損非接觸式測(cè)量，測(cè)量時(shí)間短適用范圍廣，可以有效地幫助客戶控制質(zhì)量，節(jié)約成本，為客戶的產(chǎn)線升級(jí)提供可靠的自動(dòng)化檢測(cè)手段，并未客戶優(yōu)化工藝提供重要的數(shù)據(jù)支持。

 CoatPro非接觸無損涂層測(cè)厚儀的技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：

• 非接觸無損測(cè)量

• 可測(cè)量干膜和濕膜

• 適用于各種材料上的各種涂層測(cè)厚，可在曲面、粗糙表面和各種厚度的基底上測(cè)量

• 適用于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、測(cè)量精確且穩(wěn)定

• 適用于各種涂裝工藝

• 滿足工業(yè)防爆安全區(qū)要求

• 探測(cè)距離和可探測(cè)角度的容差范圍廣

• 可在線實(shí)時(shí)測(cè)量

• 使用安全，無輻射和激光危害

• 同類技術(shù)中的zui高精度

• 適用范圍廣：底材材質(zhì)不限(金屬、塑料、橡膠、復(fù)合材料等），涂料種類不限（油漆、粉末涂料、粘膠劑、潤(rùn)滑涂層等）

藥物包裝材料的密封性是影響藥品質(zhì)量至關(guān)重要的一項(xiàng)物理性監(jiān)測(cè)指標(biāo)。為更好的保證藥品包裝安全，除了在包裝設(shè)計(jì)上要?jiǎng)e出心裁，在生產(chǎn)過程中也要嚴(yán)格把關(guān)，其中藥品包裝檢測(cè)便是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。為了更好保障藥品質(zhì)量，藥品包裝企業(yè)檢測(cè)藥品包裝的密封性成為必要。

所謂密封性，是指包裝袋避免其他物質(zhì)進(jìn)入或內(nèi)裝物逸出的特征，在藥品包裝袋的生產(chǎn)過程中，因?yàn)樯a(chǎn)環(huán)節(jié)比較多，可能會(huì)產(chǎn)生熱封合的漏封、壓穿或材料本身的裂痕、微孔，而造成內(nèi)外連通的小孔或強(qiáng)度薄弱點(diǎn)。所以如果密封性能不達(dá)標(biāo)，外界水汽等就會(huì)進(jìn)去藥包材內(nèi)接觸內(nèi)部藥品，藥物就會(huì)受潮、失效甚至是變質(zhì)等，危害患者的身體健康。因此，藥品在整個(gè)有效期內(nèi)包裝要有完好的密封性包裝，藥包材必須要經(jīng)過專業(yè)的嚴(yán)格的密封性能測(cè)試。

濟(jì)南賽成電子科技有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的MK-1000無損密封性測(cè)試儀，又稱真空衰減法檢漏儀，采用非破壞性測(cè)試方法，也稱為真空衰減法，專業(yè)適用于安瓿瓶、西林瓶、注射劑瓶、凍干粉針劑瓶和預(yù)灌封包裝樣品的微泄漏檢測(cè)。

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

該儀器符合多項(xiàng)國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)：

1．YY/T 0681.18-2020:《無菌器械包裝試驗(yàn)方法 第18部分：用真空衰減法無損檢驗(yàn)包裝泄漏》

2．ASTM F2338-13 包裝泄漏的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法-真空衰減法

3．SP1207美國(guó)藥典標(biāo)準(zhǔn)

技術(shù)指標(biāo)

1．屏幕尺寸:10英寸觸摸屏

2．真 空 度:低至10Pa優(yōu)良真空

3．精　　度:0.25級(jí)

4．檢測(cè)孔徑精度:5 μm

5．測(cè)試腔:尺寸、種類根據(jù)試樣特殊定制

6．真空來源:真空泵

7．測(cè)試系統(tǒng):雙傳感器技術(shù)

8．外形尺寸:470 mm (L) × 360 mm (B) × 300 mm (H)

9．電源:AC 220 V 50 Hz

10．凈　　重:12 kg

濟(jì)南賽成儀器一直致力于為客戶提供高性價(jià)比的整體解決方案，公司的核心宗旨就是持續(xù)創(chuàng)新，打造高精尖檢測(cè)儀器，滿足行業(yè)內(nèi)不同客戶的品控需求，期待與行業(yè)內(nèi)的企事業(yè)單位增進(jìn)交流和合作。

賽成儀器，賽出品質(zhì)，成就未來！

EDXRF 能量色散熒光光譜儀 EDX9000A 無損測(cè)定 Ni-Mn-Co 催化劑合金成分

使用一系列已知Ni、Mn、Co含量的催化劑合金片標(biāo)準(zhǔn)樣品，在能量色散X射線熒光光譜儀EDX9000A上直接測(cè)量Ni-Mn-Co的特征X射線強(qiáng)度，并比較含量Ni、Mn 和 Co 及其特征 X 射線強(qiáng)度擬合并建立工作曲線。測(cè)量未知樣品時(shí)，利用測(cè)得的 Ni、Mn 和 Co 的特征 X 射線強(qiáng)度，通過工作曲線獲得 Ni、Mn 和 Co 的含量。采用EDXRF法測(cè)定Ni-Mn-Co催化劑合金中Ni、Mn、Co的含量范圍分別為65%~88%、10%~35%、1%~10%，測(cè)定Ni、Mn、Co（n=6）精度分別為0.3%、1%、4%

GaN材料及其制備工藝

在理論上，GaN 材料的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度（約3×106V/cm）與SiC 材料接近，但受半導(dǎo)體工藝、材料晶格失配等因素影響，GaN 器件的電壓耐受能力通常在1000V 左右，安全使用電壓通常在650V 以下。隨著各項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)的攻克和先進(jìn)工藝的開發(fā)，GaN 必將作為新一代GX電源器件的制備材料。
（一）GaN 材料結(jié)構(gòu)及特性
GaN 是Ⅲ-V 族直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體，室溫下纖鋅礦結(jié)構(gòu)的禁帶寬度為3.26eV。GaN 有3 種晶體結(jié)構(gòu)形式，分別為纖鋅礦結(jié)構(gòu)、閃鋅礦結(jié)構(gòu)和巖鹽礦（Rocksalt）結(jié)構(gòu)。其中，纖鋅礦結(jié)構(gòu)是Ⅲ族氮化物中Z穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，閃鋅礦結(jié)構(gòu)以亞穩(wěn)相形式存在，而巖鹽礦結(jié)構(gòu)是在高壓條件下產(chǎn)生的。纖鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN 材料具有其他半導(dǎo)體所不具備的優(yōu)異物理性能，如耐化學(xué)穩(wěn)定性、chao強(qiáng)硬度、超高熔點(diǎn)等，所以，GaN 基半導(dǎo)體器件具有優(yōu)異的耐壓、耐熱、耐腐蝕特性。圖4 為GaN 的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)和GaN 單晶。
圖4 GaN的六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)（a）與GaN單晶（b）
（二）GaN 晶體的制備
GaN 的共價(jià)鍵鍵能較大（E=876.9kJ/mol），在2500℃熔點(diǎn)下，分解壓大約為4.5GPa， 當(dāng)分解壓低于4.5GPa 時(shí)，GaN 不熔化直接分解。所以一些典型的平衡方法（如提拉法和布里奇曼定向凝固法等），不再適用于GaN 單晶的生長(zhǎng)。目前，只能采用一些特殊的方法來制備單晶，主要包括升華法、高溫高壓法、熔融結(jié)晶法和氫化物氣相外延法。其中，前3 種方法對(duì)設(shè)備和工藝都有嚴(yán)格要求，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的單晶生產(chǎn)，不能滿足商業(yè)化的要求，而氫化物氣相外延（Hydride Vapor-phaseEpitaxy，HVPE）方法是目前研究的主流。大多數(shù)可以商業(yè)化方式提供GaN 的均勻襯底都是通過這種方法生產(chǎn)的。該技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、發(fā)展速度快等優(yōu)點(diǎn)。利用金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）技術(shù)可以生長(zhǎng)出均勻、大尺寸的厚膜作為襯底。目前，該技術(shù)已經(jīng)成為制備外延厚膜Z有效的方法，并且生長(zhǎng)的厚膜可以通過拋光或激光剝離襯底，作為同質(zhì)外延生長(zhǎng)器件結(jié)構(gòu)的襯底。
氫化物氣相外延層的位錯(cuò)密度隨外延層厚度的增加而減小，因此，只要外延層的厚度達(dá)到一定值，就可以提高晶體質(zhì)量。通過HVPE 和空隙輔助分離法（Void-assisted Separation，VAS）可以制備具有高晶體質(zhì)量和良好再現(xiàn)性的大直徑獨(dú)立GaN 晶片，如圖5所示。采用表面覆蓋氮化鈦（TiN ）納米網(wǎng)的多孔GaN 模板，通過HVPE 生長(zhǎng)了厚GaN 層，在 HVPE 生長(zhǎng)過程中，這種生長(zhǎng)技術(shù)在 GaN層和模板之間產(chǎn)生了許多小空隙，當(dāng)GaN層在生長(zhǎng)以后容易與模板分開，并且獲得獨(dú)立的GaN 晶片，這些晶片直徑較大，表面呈鏡面狀，無裂縫，位錯(cuò)密度低。
圖5 HVPE+VAS法制備具有高晶體質(zhì)量和大直徑獨(dú)立的GaN 晶片
此外，可以采用MOCVD-GaN / 藍(lán)寶石襯底預(yù)處理工藝來制備GaN 厚膜。主要過程為采用等離子體化學(xué)氣相沉積法在MOCVD-GaN/ 藍(lán)寶石襯底上沉積一層厚度約500nm 的SiO2，然后用電子蒸氣機(jī)在襯底上蒸鍍和鍛造一層厚度約20nm 的Ti。退火后在SiO2 表面形成自組裝的Ni 納米團(tuán)簇，作為光刻掩模。光刻后，將基體置于熱HNO3 和氧化腐蝕劑中。去除Ti 和SiO2 后，通過反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)沉積一層SiO2，去除表面的SiO2，形成一層SiO2 包裹在邊緣的GaN 納米柱。Z后用HVPE 法在表面生長(zhǎng)GaN，在冷卻過程中，GaN 發(fā)生自剝離。圖6 為HVPE 和納米簇自剝離技術(shù)制備GaN 單晶的過程示意圖。
圖6 HVPE+納米簇自剝離技術(shù)制備GaN單晶
上述方法不僅可以實(shí)現(xiàn)襯底的自剝離，而且可以形成一種特殊的結(jié)構(gòu)，可以緩沖晶體的生長(zhǎng)速度，從而提高晶體的質(zhì)量，減少內(nèi)部缺陷。但這些預(yù)處理方法相對(duì)復(fù)雜，會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間，并且增加GaN 單晶的成本。
（三）GaN 異質(zhì)襯底外延技術(shù)
由于GaN 在高溫生長(zhǎng)時(shí)N 的離解壓很高，很難得到大尺寸的GaN 單晶材料，因此，制備異質(zhì)襯底上的外延GaN 膜已成為研究GaN 材料和器件的主要手段。目前，GaN的外延生長(zhǎng)方法有：HVPE、分子束外延（MBE）、原子束外延（ALE）和MOCVD。其中，MOCVD 是Z廣泛使用的方法之一。
當(dāng)前，大多數(shù)商業(yè)器件是基于異質(zhì)外延的，主要襯底是藍(lán)寶石、AlN、SiC 和Si。但是，這些基板和材料之間的晶格失配和熱失配非常大。因此，外延材料中存在較大的應(yīng)力和較高的位錯(cuò)密度，不利于器件性能的提高。圖7 為襯底材料的晶格失配和熱失配關(guān)系示意圖。
圖7 襯底材料的晶格失配和熱失配關(guān)系
1. SiC 襯底上GaN 基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)
由于SiC 的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GaN、Si和藍(lán)寶石，所以SiC 與GaN 的晶格失配很小。SiC 襯底可以改善器件的散熱特性，降低器件的結(jié)溫。但GaN 和SiC 的潤(rùn)濕性較差，在SiC 襯底上直接生長(zhǎng)GaN 很難獲得光滑的膜。AlN 在SiC 基體上的遷移活性小，與SiC 基體的潤(rùn)濕性好。因此，通常在SiC 基板上用AlN 作為GaN 外延薄膜的成核層，如圖8 所示。許多研究表明，通過優(yōu)化AlN 成核層的生長(zhǎng)條件可以改善CaN 薄膜的晶體質(zhì)量。但生長(zhǎng)在GaN 成核層上的GaN 薄膜仍然存在較大的位錯(cuò)密度和殘余應(yīng)力。AlN的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于GaN，在AlN 上生長(zhǎng)的GaN 薄膜在冷卻過程中存在較大的殘余拉應(yīng)力。拉伸應(yīng)力會(huì)在一定程度上積累，并以裂紋的形式釋放應(yīng)力。另外，AlN 的遷移活性較低，難以形成連續(xù)的膜，導(dǎo)致在AlN 上生長(zhǎng)的GaN 薄膜位錯(cuò)密度較大。GaN 薄膜中的裂紋和位錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致器件性能下降甚至失效。由于晶格失配較小，一旦潤(rùn)濕層和裂紋問題得到解決，SiC 襯底上的GaN 晶體質(zhì)量要優(yōu)于Si 和藍(lán)寶石襯底上的GaN晶體，因此，SiC 襯底上的GaN 異質(zhì)結(jié)構(gòu)2DEG 的輸運(yùn)性能更好。
圖8 AlN作為過渡層的微觀形貌
2. Si 襯底上GaN 基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的外延生長(zhǎng)
目前，GaN 基電力電子器件的成本與Si 器件相比仍然非常昂貴。解決成本問題的唯yi途徑是利用Si 襯底外延制備GaN 基異質(zhì)結(jié)構(gòu)，然后利用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）技術(shù)制備GaN 基器件，使器件的性價(jià)比超過Si 器件。但與SiC 和藍(lán)寶石襯底相比，Si 襯底外延GaN 要難得多。GaN（0001）與Si（111）的晶格失配率高達(dá)16.9%，熱膨脹系數(shù)失配（熱失配）高達(dá)56%。因此，Si 襯底上GaN 的外延生長(zhǎng)及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)在應(yīng)力控制和缺陷控制方面面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
外延層材料的晶格常數(shù)差異，會(huì)導(dǎo)致Si 和GaN 外延層界面處的高密度位錯(cuò)缺陷。在外延生長(zhǎng)過程中，大多數(shù)位錯(cuò)會(huì)穿透外延層，嚴(yán)重影響著外延層的晶體質(zhì)量。但由于兩層熱膨脹系數(shù)不一致，高溫生長(zhǎng)后冷卻過程中整個(gè)外延層的內(nèi)應(yīng)力積累很大，發(fā)生翹曲并導(dǎo)致外延層開裂。隨著襯底尺寸的增大，這種翹曲和開裂現(xiàn)象會(huì)越來越明顯。
目前，插入層和緩沖層被廣泛應(yīng)用于解決Si 襯底上GaN 異質(zhì)外延的應(yīng)力問題，目前主流的3 種應(yīng)力調(diào)節(jié)方案如圖9 所示。
圖9 目前主流的3種應(yīng)力調(diào)節(jié)方案（a）低溫AlN插入層結(jié)構(gòu)；（b）GaN/AlN超晶格結(jié)構(gòu)；（c）AlGaN緩沖層結(jié)構(gòu)
插入層技術(shù)是引入一個(gè)或多個(gè)薄層插入層來調(diào)節(jié)外延層的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，平衡在冷卻過程中由熱失配和晶格失配引起的外延層的拉應(yīng)力，目前采用低溫AlN 作為插入層來調(diào)節(jié)應(yīng)力狀態(tài)，如圖9（a）所示。
緩沖層技術(shù)提供了壓縮應(yīng)力來調(diào)整外延膜中的應(yīng)力平衡，目前常用的是AlGaN 梯度緩沖和AlN/(Al)GaN 超晶格緩沖，如圖9（b）、（c） 所示。上述方法都能提供壓應(yīng)力來平衡Si 基GaN 的拉應(yīng)力，使整個(gè)系統(tǒng)趨于應(yīng)力平衡。當(dāng)然，這些方法不能完全解決應(yīng)力問題。緩沖層的應(yīng)力調(diào)節(jié)機(jī)制尚不明確，有待于進(jìn)一步探索和優(yōu)化。
另外，還有報(bào)道采用表面活化鍵合（SAB）的低溫鍵合工藝將GaN 層轉(zhuǎn)移到SiC 和Si 襯底上，在室溫下直接鍵合制備GaN-on-Si 結(jié)構(gòu)和GaN-on-SiC 結(jié)構(gòu)， 通過氬（Ar）離子束源對(duì)晶圓表面進(jìn)行活化。在表面活化后，兩片晶圓將被結(jié)合在一起。與Al2O3（藍(lán)寶石）和SiC 襯底上生長(zhǎng)的異質(zhì)外延層的質(zhì)量相比，Si 襯底上GaN 基異質(zhì)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和電性能仍有很大差異。特別是Si 襯底上GaN 外延層存在殘余應(yīng)力和局域陷阱態(tài)。這些應(yīng)力和缺陷控制問題沒有從根本上得到解決，導(dǎo)致材料和器件的可靠性問題尤為突出。因此，如何在高質(zhì)量的Si 襯底上制備GaN 基異質(zhì)結(jié)構(gòu)仍是該領(lǐng)域的核心問題之一。

結(jié)束語

高頻、大功率、抗輻射、高密度集成寬禁帶半導(dǎo)體電子器件的研制，需要優(yōu)良的材料作基礎(chǔ)支撐。高品質(zhì)的SiC和GaN 器件需要利用外延材料制備有源區(qū)，因此，低缺陷襯底和高質(zhì)量外延層對(duì)器件性能起著至關(guān)重要的作用。近年來，SiC 和GaN功率器件的制造要求和耐壓等級(jí)不斷提高，對(duì)襯底和異質(zhì)結(jié)構(gòu)（GaN-on-SiC、GaN-on-Si）的缺陷密度及外延薄膜內(nèi)部的應(yīng)力平衡狀態(tài)都提出了更高的要求，目前通過利用AlN 作為過渡層、超晶格緩沖層等提供壓應(yīng)力，進(jìn)而調(diào)節(jié)外延層的內(nèi)部應(yīng)力以平衡狀態(tài)，未來對(duì)應(yīng)力調(diào)控尚有大量的工作需要進(jìn)行探索和優(yōu)化。