GaAs衬底对外延片质量有什么影响

最近我们对芯片和外延做了研究，发现同样的外延工艺和芯片工艺制作出来的芯片性能差别很大，改变了实验设计的“世界观”。基板的质量至关重要。

今天，我们将讨论GaAs外延衬底和GaAs外延。目前体积最大的是砷化镓，主要应用于通信领域(5G手机PA通信射频芯片)，全球市场近百亿美元。磷化铟主要用于通信领域的光电器件(如光模块中的传输芯片)。

在光电激光器和LED领域，砷化镓也占据了很大一部分。作为成熟的第二代化合物半导体，GaAs功率芯片和光电子芯片都是通过外延生长在GaAs衬底上生长不同的材料薄膜结构。MOCVD技术是工业上常用的技术，通过化合物的热分解反应沉积在GaAs衬底的上表面。

金属氧化物化学气相沉积是在气相外延生长(VPE)的基础上发展起来的一种新的气相外延生长技术。以iii族和ii族元素的有机化合物、v族和vi族元素的氢化物等为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长出各种iii-v族和ii-vi族化合物半导体及其多种固溶体的薄层单晶材料。

我们可以看到外延从无到有在衬底上一层一层生长，所以衬底的选择和加工非常重要。由于真实器件的有效工作层，厚度可能只有几微米到几十微米。

衬底不仅是器件的支撑，也是外延层的生长种子，对光电子器件的性能有很大的影响。我们需要有几个选择基底的基本要求：

1)衬底晶面的取向；

2)表面腐蚀坑密度；

3)杂质类型和密度

4)基板的厚度和尺寸。

例如掺硅的n型砷化镓衬底；

硅掺杂GaAs晶片

直径：100.50.5毫米(4英寸)

厚度：62525微米(4英寸)

方向：(100)倾斜10朝向(111)0.5

环保署：《1000厘米-

浓度：《》1E20CM-

生长方法：VGF

平面选项：EJ

主平面长度：30毫米(4英寸)

小平面长度：15毫米(4英寸)

激光标记：背面主平面。

GaAS和InP是两种常用的衬底，通常选择(100)面作为外延生长面，有时会偏离晶面0.1或0.5。在激光芯片制造过程中，由于(011)面是解离面，因此可以作为腔面。

如何检查衬底晶面缺陷？

常用方法：采用GaAs材料作为蚀刻液，HF: cro3h2o=2: 1。CrO3首先溶解在水中(33%重量)。盐酸：H2O=4: 1用于磷化铟。上面的腐蚀坑出现，然后在高倍显微镜下观察计数。对于小于2000/cm2的GaAs，小于50000/cm2的InP具有更好的外延质量。

同时，外延之前往往要进行刻蚀或“回流”，所以衬底的厚度也会发生变化。外延衬底的厚度一般为350 ~ 400um。

液相外延生长前的主要工艺步骤是根据固溶体的成分称取材料，清洗腐蚀，然后放入各个熔池中生长。

示例砷化镓系统，在GaAs衬底上生长砷化镓外延层：

理论上，每克镓溶液中GaAs的平衡重量x和铝的重量y可以根据下式确定。

以GaAlAs/GaAs DH激光器为例，液相外延产生的各层参数以及各材料的清洗和刻蚀工艺参数如下：

了解更多关于MOCVD沉积GaAs外延层的过程。

TMGa和AsH3是MOCVD生长GaAs最早的源材料，后来还使用了许多其他组合。典型的生长条件如下：

AsH3流量(7 ~ 9)* 10 *-4摩尔/分钟

TMGa的流速为10 *-5摩尔/分钟

生长温度为600-700摄氏度

V/III比例为30-45

H2总流量为21~31

成长的基本过程如下：

1;将处理后的衬底装入基座后，调整与TMGa源相关的设置，如流速、温度等。

2.然后系统抽真空，引入H2并调节反应室中的压力。

3.当温度升至300时，在反应室中引入AsH3形成As气氛，以防止

止GaAs分解。

　　4. 待温度升到外延生长温度后，通入TMGa晶向生长。

　　5.生长完毕后，先停止通TMGa，降温到300℃，再停止通AsH3.

　　6 待降到室温后，开炉取出片子。

　　砷化镓产业链分布

　　化合物半导体产业类似与传统硅基半导体，但又有着自己独特的地方。砷化镓同样有芯片设计、代工、封装、测试环节。多的是外延片的生长磊晶阶段。

　　行业的上游是砷化镓基板和EPI晶圆。基板就是砷化镓晶圆最基础的材料（GaAs衬底），生产商主要有日本住友电工（Sumitomo）；德国弗莱贝格（Freiberger） 美国AXT

　　生产完成后，要送到EPI晶圆厂（GaAs外延），由英国的IQE，台湾全新光电VPEC，日本住友等龙头厂商在砷化镓晶圆表面沉淀增加不同的材料层。中游体量目前大部分被美国的三大IDM厂商，Skyworks， Qorvo和Broadcom（Avago）占据，整个GaAs全球体量2019年是85.44亿美金；

　　另外一条路线就是走设计和代工分离。 之前因为第二三代半导体体量较小，产品多样化，所以走IDM路线，可以将设计和制造紧密衔接。不过随着第二三代半导体更加规模化放量，更多的生产任务外包给代工厂成为一种趋势在代工厂中，主要以台系的稳懋（WIN），环宇（GCS），宏捷（AWSC）为主。

　　2019年，GaAs器件代工的规模是8.81亿美金。Avago和Skyworks除芯片设计业务外，也有自己的工厂，当自身产能不足时，会将部分订单交给中国台湾代工厂，Avago的代工厂商是稳懋，Skyworks的代工厂商是宏捷科技，Qorvo的产能充足，主要自产，而且还会向外提供代工服务。

　　因为宏捷的技术是Skyworks授权的，因此当Skyworks将订单拿回内部消化的时候，宏捷的收入大幅下降，急需转型，不过目前转型成功。而环宇这个千年老三是自主技术，增长比较稳健，2016年三安光电想要收购环宇。

　　不过没有通过美国的审批，最后退而求其次成立合资公司（三安环宇），将4G手机PA的HBT技术授权给三安生产（不包含5G技术），不过该合资公司已经于2019年底被注销。三安光电现在和华为合作生产华为自研的5G的射频PA芯片还有氮化镓的5G基站射频芯片。

　　编辑：jq