用于高壓 GaN 器件的 GaN Epi 晶圓制造

用于高壓 GaN 器件的 GaN Epi 晶圓制造

氮化鎵已成為事實(shí)上的第三代半導(dǎo)體材料。然而，以你需要的質(zhì)量和所需的熱阻制造 GaN 晶圓是晶圓廠仍在努力克服的挑戰(zhàn)。

GaN外延層與硅、藍(lán)寶石、碳化硅等襯底的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的不匹配導(dǎo)致外延層的位錯(cuò)和開(kāi)裂。

一種常見(jiàn)的熱管理方法是使用具有高導(dǎo)熱性的基板（例如 SiC 或金剛石）作為散熱器。然而，GaN和SiC/金剛石之間的晶格失配和熱膨脹系數(shù)失配使得異質(zhì)外延非常具有挑戰(zhàn)性。此外，傳統(tǒng)的成核層由于缺陷和結(jié)晶度差而表現(xiàn)出低導(dǎo)熱率。具有低導(dǎo)熱率的厚緩沖層為從器件到基板的散熱路徑增加了顯著的熱阻，因?yàn)榇蟛糠譄崃渴窃陧敳康挠性磳觾?nèi)產(chǎn)生的。過(guò)渡層內(nèi)、襯底和過(guò)渡層之間的界面處的缺陷和邊界散射以及近界面無(wú)序共同促成了大的熱阻。

盡管可以選擇用于生長(zhǎng) GaN Epi 的襯底，但有些襯底對(duì)代工不友好，因此使用了 CMOS 工藝。另一個(gè)原因是，用于制造 CMOS 器件的最先進(jìn)的光刻工具和其他工具只能在更大規(guī)模的晶圓上使用。因此，晶圓尺寸高達(dá) 12 英寸的 GaN-on-Si 具有優(yōu)勢(shì)。6 英寸的 GaN-on-sapphire 相對(duì)便宜；然而，許多代工廠不接受藍(lán)寶石，其導(dǎo)熱性較差。

為了生長(zhǎng)高質(zhì)量的 GaN，需要昂貴的襯底，例如塊體 GaN 和 SiC。因此，器件制造的生產(chǎn)成本明顯高于硅基電子產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)具有成本效益的先進(jìn) GaN 功率器件性能，同時(shí)有效地管理產(chǎn)生的熱量，可以從襯底上去除外延層，從而實(shí)現(xiàn)襯底的重復(fù)使用，并直接結(jié)合到散熱器上以提高器件的熱性能。然而，現(xiàn)有的去除工藝，例如涉及光電化學(xué)蝕刻、機(jī)械剝落和激光界面分解的去除工藝，加工速度慢和/或表面粗糙/開(kāi)裂明顯，限制了基板重復(fù)使用的工藝產(chǎn)量和實(shí)用性。因此，這些傳統(tǒng)方法的工藝成本通常超過(guò) GaN 襯底成本，

當(dāng)器件需要更好的質(zhì)量時(shí)，就位錯(cuò)密度、熱性能和汽車(chē)、射頻和數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中的高壓器件所需的更高頻率而言，GaN-on-SiC 往往是最佳選擇去。

然而，GaN-on-SiC 是一種昂貴的解決方案。一旦在 SiC 襯底上生長(zhǎng)出高質(zhì)量的 GaN 外延層，您將獲得更好的用于功率和射頻應(yīng)用的 GaN 器件。缺點(diǎn)是SiC襯底非常昂貴。GaN外延層在其上生長(zhǎng)后不再需要SiC襯底。

總結(jié)一下：

當(dāng)前技術(shù)的大型 GaN 晶片具有較高的位錯(cuò)密度（結(jié)晶度差）。

GaN-on-Si 晶圓傾向于使用非常厚的緩沖層和中間層來(lái)管理應(yīng)力，從而難以管理導(dǎo)熱性。

大多數(shù)其他基板都非常昂貴，并且無(wú)法選擇更大的晶圓。

有哪些新技術(shù)可以幫助解決這些問(wèn)題？

到目前為止，還沒(méi)有簡(jiǎn)單的方法從這種器件結(jié)構(gòu)中去除 SiC 或 Si 襯底，因此該器件非常昂貴。

美國(guó)麻省理工學(xué)院遠(yuǎn)程外延和二維材料層轉(zhuǎn)移（2DLT）技術(shù)的發(fā)明使得通過(guò)二維材料生長(zhǎng)復(fù)合材料成為可能。生長(zhǎng)后，可以將其提起以從中釋放基材并重復(fù)使用。

借助這項(xiàng)技術(shù)，人們可以創(chuàng)建 GaN 外延層并將其從昂貴的 SiC 襯底上剝離，然后將其轉(zhuǎn)移到低成本襯底上。這將釋放 SiC 襯底，以便在下一個(gè) GaN Epi 晶圓生長(zhǎng)中重復(fù)使用（參見(jiàn)圖 1）。

遠(yuǎn)程外延和 2DLT 解決方案的優(yōu)勢(shì)在于 GaN 薄膜的瞬時(shí)剝離，無(wú)需任何拋光或其他后處理步驟。粘合或剝離過(guò)程不會(huì)引入多晶或非晶區(qū)。不需要結(jié)晶度差的成核層，因此可以獲得超?。?lt;200 nm）GaN獨(dú)立膜。這是任何其他現(xiàn)有技術(shù)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

GaN的新時(shí)代已經(jīng)開(kāi)始。遠(yuǎn)程外延和 2DLT 使該技術(shù)能夠?qū)?GaN 擴(kuò)展到更大的尺寸，通過(guò)降低位錯(cuò)密度來(lái)提高質(zhì)量，并幫助以低成本管理熱特性

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