晶湛半導(dǎo)體成功突破12英寸硅基氮化鎵HEMT外延技術(shù)
晶湛半導(dǎo)體成功突破12英寸硅基氮化鎵HEMT外延技術(shù)
來源：大半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)
2021年9月23日，由蕪湖市人民政府和SEMI中國共同主辦的“化合物半導(dǎo)體制造技術(shù)論壇”在安徽省蕪湖市成功舉辦，晶湛半導(dǎo)體應(yīng)邀出席并發(fā)表題為“用于新型GaN功率器件的外延技術(shù)進(jìn)展”的主旨演講。在演講中，晶湛半導(dǎo)體成功展示了一系列用于200V、650V和1200V功率半導(dǎo)體器件的高質(zhì)量300mm GaN-on-Si HEMT外延片，并且具有優(yōu)異的厚度均勻性和低晶圓翹曲，這為使用更復(fù)雜精密的300mm CMOS兼容工藝線進(jìn)行氮化鎵芯片制備鋪平了道路。
大尺寸Si襯底上GaN外延技術(shù)的突破，將GaN的卓越特性和CMOS兼容加工線的生產(chǎn)優(yōu)勢結(jié)合在一起，使GaN-on-Si功率器件具有優(yōu)異的性能和可靠性。如今，基于GaN-on-Si HEMT技術(shù)平臺的商用GaN功率器件已獲得巨大的發(fā)展機(jī)遇，，GaN功率器件正在加速進(jìn)入消費(fèi)電子、工業(yè)電子、數(shù)據(jù)中心、能源、汽車和交通等廣闊的功率芯片應(yīng)用領(lǐng)域。在進(jìn)一步降低芯片成本和進(jìn)行復(fù)雜電路設(shè)計(jì)和集成的驅(qū)動下，更大的晶圓尺寸已經(jīng)成為行業(yè)的發(fā)展方向。
繼2014年成功推出商用200mm GaN-on-Si HV HEMT外延片后，晶湛半導(dǎo)體已成功將其AlGaN/GaN HEMT外延工藝轉(zhuǎn)移到300mm Si襯底上，同時(shí)保持了優(yōu)異的厚度均勻性和50μm以內(nèi)的低晶圓翹曲。垂直電壓擊穿測量表明，300mm尺寸的晶圓同樣適合于200V、650V和1200V功率器件應(yīng)用（圖1）。
圖1：晶湛半導(dǎo)體300mm GaN-on-Si HEMT外延片系列（200V，650V，1200V擊穿電壓應(yīng)用）厚度均勻性分布圖和垂直擊穿電壓分布圖（漏電流=1μA/mm2 @ RT）
為解決GaN外延中的晶圓開裂/彎曲和高晶體缺陷等關(guān)鍵問題，晶湛半導(dǎo)體此次發(fā)布的300mm GaN-on-Si HEMT結(jié)構(gòu)外延片采用了如圖2（a）所示的外延結(jié)構(gòu)。外延生長從AlN形核層開始，然后是應(yīng)力弛豫緩沖層、GaN溝道層、AlGaN勢壘層和GaN帽層。如圖2（b）所示，窄的XRD AlN（002）峰和良好的半高寬均勻性表明整個(gè)300mm晶圓的晶體質(zhì)量較高。
圖2：（a）晶湛半導(dǎo)體300mm GaN-on-Si HEMT外延結(jié)構(gòu)示意圖
(b)AlN成核層XRD(002) FWHM分布圖， Avg=743arcsec（Std=2%）
圖3展示了從晶圓中心到晶圓邊緣的9個(gè)位置處測得的AlGaN勢壘層中的鋁成分含量及2DEG載流子濃度。測量結(jié)果顯示AlGaN勢壘中鋁成分的平均值為19.9%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.68%（圖3a），表明300mm晶圓具有均勻的2DEG電學(xué)特性。CV測試同樣證實(shí)了這一點(diǎn)，測試結(jié)果顯示平均電子濃度為7.2E12 cm^-2，標(biāo)準(zhǔn)偏差<2%（圖3b）。
圖3：晶湛半導(dǎo)體300mm AlGaN/GaN HEMT外延片中勢壘層Al組分含量分布和2DEG濃度分布
晶湛半導(dǎo)體創(chuàng)始人兼CEO，程凱博士評論道：“基于我們優(yōu)化的AlN成核層技術(shù)，我們能夠在高達(dá)300mm的大尺寸硅襯底上生長無裂紋的GaN HEMT外延片，并且滿足相應(yīng)的漏電流要求。盡管在300mm大晶圓尺寸下，外延工藝、應(yīng)力管理和缺陷控制方面都存在巨大挑戰(zhàn)，我們?nèi)栽贏lGaN/GaN HEMT外延片中實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和電性能。這必將鼓勵(lì)大功率集成電路的發(fā)展，推動片上系統(tǒng)（SoC）的集成并進(jìn)一步降低GaN功率器件的成本。
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