日本東北大學(xué)多元物質(zhì)科學(xué)研究所的秩父重英教授等人與日本制鋼所公司和三菱化學(xué)公司合作，成功開發(fā)出了可以量產(chǎn)、幾乎沒有曲翹的大口徑高純度GaN單晶基板的低壓酸性氨熱法。
研究背景
要想維持社會(huì)的繁榮、安心和安全，離不開對(duì)有限的能源資源進(jìn)行高效利用的技術(shù)。例如，將電力轉(zhuǎn)換成強(qiáng)動(dòng)力的鐵路、純電動(dòng)汽車、工業(yè)機(jī)械以及放大高頻電波的通信基站等領(lǐng)域，就面臨著提高電力轉(zhuǎn)換效率的緊迫課題。作為解決方法，將負(fù)責(zé)電力控制的功率晶體管（圖1）的半導(dǎo)體材料由原來(lái)的硅換成碳化硅、GaN和金剛石等的方法受到關(guān)注。
圖1：采用GaN的垂直功率晶體管模式圖，圖片來(lái)源：日本東北大學(xué)
尤其是GaN，因具備禁帶寬度寬（3.4eV）、絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)（3.3MVcm-1）、飽和電子速度快（2.5×107cms-1）等優(yōu)異特性，在以高功率和高頻工作的垂直功率晶體管上的應(yīng)用備受期待。不過(guò)，目前很難獲得制作GaN晶體管的GaN單晶基板，因此難以制作出漏電流小且可靠性高的GaN垂直功率晶體管。
研究方法與成果
本次研究自主開發(fā)出了可量產(chǎn)直徑2英寸以上的GaN單晶基板的低壓酸性氨熱（Low-pressure acidic ammonothermal; LPAAT）法。與已經(jīng)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的、采用高壓超臨界流體氨的傳統(tǒng)酸性氨熱（SCAAT）法不同，通過(guò)實(shí)現(xiàn)低壓晶體生長(zhǎng)，能以相對(duì)較小的晶體生長(zhǎng)爐量產(chǎn)大型晶體。
如圖2所示，利用LPAAT法在基于SCAAT法的GaN籽晶上制作的2英寸長(zhǎng)GaN單晶基板，具有晶體鑲嵌性低（對(duì)稱面和非對(duì)稱面的X射線搖擺曲線半值寬度在28秒內(nèi)）、基板幾乎沒有曲翹（曲率半徑約為1.5km）的良好晶體結(jié)構(gòu)特性。
另外，為抑制來(lái)自晶體生長(zhǎng)爐的材質(zhì)鐵和鎳等的污染，用銀涂覆了晶體生長(zhǎng)爐的內(nèi)壁，由此可以減少意外混入GaN晶體中的雜質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的結(jié)晶性和高純度，達(dá)到可以從低溫光致發(fā)光中觀察到GaN的激子躍遷發(fā)光的程度。利用LPAAT法制作的大口徑、低曲翹、高純度GaN單晶基板如果能普及，可靠性優(yōu)異的GaN垂直功率晶體管就有望實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。
圖2：利用LPAAT法在2種GaN籽晶（Halide vapor phase epitaxy：HVPE及Supercritical acidic ammonia technology：SCAAT）上制作的2英寸GaN單晶基板的外觀、晶體結(jié)構(gòu)特性及光致發(fā)光光譜。圖片來(lái)源：日本東北大學(xué)
未來(lái)展望
今后計(jì)劃將本次研究開發(fā)的LPAAT技術(shù)應(yīng)用于大型晶體生長(zhǎng)爐（內(nèi)徑為120mm以上），實(shí)現(xiàn)具備優(yōu)異晶體結(jié)構(gòu)特性（曲翹少且?guī)缀鯖]有晶體鑲嵌性）的4英寸以上大口徑GaN基板。
另外，還將利用東北大學(xué)和筑波大學(xué)擁有的特殊測(cè)量技術(shù)，對(duì)制作的GaN的輻射和非輻射復(fù)合率及空位型缺陷濃度等進(jìn)行量化，從而進(jìn)一步提高利用LPAAT法制作的GaN單晶的光學(xué)和電氣特性。
論文題目：Ammonothermal growth of 2 inch long GaN single crystals using an acidic NH4F mineralizer in a Ag-lined autoclave
論文網(wǎng)址：https://www.tohoku.ac.jp/japanese/newimg/pressimg/tohokuuniv-press20200601_01web_GaN.pdf
文稿來(lái)源：客觀日本（ID:keguanjp）
