砷化鎵基板對外延磊晶質(zhì)量的影響

最近做芯片和外延的研究，發(fā)現(xiàn)同樣的外延工藝和芯片工藝做出來的芯片性能差別很大，大到改變試驗設(shè)計的“世界觀”。基板襯底的質(zhì)量好壞很關(guān)鍵。

今天專門扒一扒砷化鎵GaAs系外延基板的問題，以及砷化鎵外延。砷化鎵目前體量最大的，主要用于通信領(lǐng)域（5G手機PA通信射頻芯片），全球近百億美金市場。磷化銦主要用于通訊領(lǐng)域的光電器材（如光模塊里的發(fā)射芯片）。

在光電子激光、LED領(lǐng)域砷化鎵也占據(jù)很大的分量。作為成熟的第二代化合物半導(dǎo)體，砷化鎵功率芯片以及光電子芯片均是在砷化鎵基板上通過外延生長的手段長出不同的材料膜層結(jié)構(gòu)。工業(yè)常用MOCVD的技術(shù)，通過化合物熱分解反應(yīng)沉積到砷化鎵基板上表面。

MOCVD（金屬氧化物化學(xué)氣相沉積）是在氣相外延生長（VPE）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型氣相外延生長技術(shù)。它以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有機化合物和V、Ⅵ族元素的氫化物等作為晶體生長源材料，以熱分解反應(yīng)方式在襯底上進行氣相外延，生長各種Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體以及它們的多元固溶體的薄層單晶材料。

我們看到外延就是在基板上從無到有一層一層長起來的，因此基板襯底的選擇和工藝處理十分重要。因為真正的器件有效工作層，厚度可能也就幾個微米到幾十微米。

襯底既是器件的支撐，也是外延層的生長籽晶，它對光電子器件的性能影響很大，選擇襯底我們需要有幾個基本的要求：

1）襯底晶面取向;

2）表面腐蝕坑密度;

3）雜質(zhì)類型和密度‘

4）襯底厚度和尺寸大小。

例如一個硅摻雜的N型砷化鎵基板：

Si-Dopant GaAs Wafer

Diameter ： 100．5±0．5mm（4”）

Thinkness ：625±25um（4”）

Orientation：（100）tilt10？toward（111）A±0．5？

EPD：《1000cm-？

Concentration：》1E20CM-？

Growthmethod： VGF

Flatoption： EJ

Major flatlength:30±2mm（4”）

Minor flatlength:15±2mm（4”）

LaserMark:Back side major flat．

GaAS和InP是常用的兩種襯底，通常選用（100）面作為外延生長面，有時偏離該晶面±0．1°或者±0．5°，在激光芯片制程中，這樣的（011）面是解離面，就可以用作腔面了。

如何檢查襯底晶面的缺陷？

常用方法：GaAs材料用HF:CrO3+H2O=2:1用作腐蝕液。CrO3先溶于水中（重量比33%）。InP用HCl:H2O=4:1．出現(xiàn)上圖的腐蝕坑，然后在高倍顯微鏡下觀察并計數(shù)，對于GaAs小于2000/cm2，InP小于50000/cm2外延質(zhì)量較好。

同時在外延前常進行先腐蝕或者“回熔”，因此襯底厚度也會變化，通常外延襯底選用350～400um的厚度。

液相外延生長前的主要工藝步驟是按照固溶體的組分要對所用材料稱重，并進行清洗和腐蝕，然后將它們分別放入各個熔池進行生長。

舉例砷化鎵體系，在GaAs襯底上生長GaAlAs外延層：

理論上可以按照下列方程式確定每一克Ga溶液中GaAs的平衡重量x，Al的重量y。

下面以GaAlAs/GaAs DH激光器為例，給出液相外延生產(chǎn)各層的參數(shù)和每一種材料的清洗、腐蝕工藝參數(shù)：

詳細了解一下MOCVD沉積GaAs外延層的過程。

MOCVD生長GaAs最早使用的源材料是TMGa和AsH3．后面也用到其他組合很多。其典型的生長條件如下：

AsH3流量 （7～9）*10*-4mol/min

TMGa流量 10*-5mol/min

生長溫度為 600～700攝氏度

V/III比為 30～45

H2總流量 21～31

生長的基本工藝過程為：

1;把處理好的襯底裝入基托后，調(diào)整與TMGa源相關(guān)的設(shè)定，如流量、溫度等。

2：然后系統(tǒng)抽真空，通H2并調(diào)整好反應(yīng)室內(nèi)的壓力。

3． 接著溫度升到300℃時，通AsH3，在反應(yīng)室內(nèi)形成As氣氛，以防止GaAs分解。

4． 待溫度升到外延生長溫度后，通入TMGa晶向生長。

5．生長完畢后，先停止通TMGa，降溫到300℃，再停止通AsH3．

6 待降到室溫后，開爐取出片子。

砷化鎵產(chǎn)業(yè)鏈分布

化合物半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)類似與傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體，但又有著自己獨特的地方。砷化鎵同樣有芯片設(shè)計、代工、封裝、測試環(huán)節(jié)。多的是外延片的生長磊晶階段。

行業(yè)的上游是砷化鎵基板和EPI晶圓。基板就是砷化鎵晶圓最基礎(chǔ)的材料（GaAs襯底），生產(chǎn)商主要有日本住友電工（Sumitomo）;德國弗萊貝格（Freiberger） 美國AXT

生產(chǎn)完成后，要送到EPI晶圓廠（GaAs外延），由英國的IQE，臺灣全新光電VPEC，日本住友等龍頭廠商在砷化鎵晶圓表面沉淀增加不同的材料層。中游體量目前大部分被美國的三大IDM廠商，Skyworks， Qorvo和Broadcom（Avago）占據(jù)，整個GaAs全球體量2019年是85．44億美金;另外一條路線就是走設(shè)計和代工分離。

之前因為第二三代半導(dǎo)體體量較小，產(chǎn)品多樣化，所以走IDM路線，可以將設(shè)計和制造緊密銜接。不過隨著第二三代半導(dǎo)體更加規(guī)?；帕?，更多的生產(chǎn)任務(wù)外包給代工廠成為一種趨勢在代工廠中，主要以臺系的穩(wěn)懋（WIN），環(huán)宇（GCS），宏捷（AWSC）為主。

2019年，GaAs器件代工的規(guī)模是8．81億美金。Avago和Skyworks除芯片設(shè)計業(yè)務(wù)外，也有自己的工廠，當(dāng)自身產(chǎn)能不足時，會將部分訂單交給中國臺灣代工廠，Avago的代工廠商是穩(wěn)懋，Skyworks的代工廠商是宏捷科技，Qorvo的產(chǎn)能充足，主要自產(chǎn)，而且還會向外提供代工服務(wù)。

因為宏捷的技術(shù)是Skyworks授權(quán)的，因此當(dāng)Skyworks將訂單拿回內(nèi)部消化的時候，宏捷的收入大幅下降，急需轉(zhuǎn)型，不過目前轉(zhuǎn)型成功。而環(huán)宇這個千年老三是自主技術(shù)，增長比較穩(wěn)健，2016年三安光電想要收購環(huán)宇，不過沒有通過美國的審批，最后退而求其次成立合資公司（三安環(huán)宇），將4G手機PA的HBT技術(shù)授權(quán)給三安生產(chǎn)（不包含5G技術(shù)），不過該合資公司已經(jīng)于2019年底被注銷。三安光電現(xiàn)在和華為合作生產(chǎn)華為自研的5G的射頻PA芯片還有氮化鎵的5G基站射頻芯片。