晶湛半導體成功突破12英寸硅基氮化鎵HEMT外延技術
2021-09-23
2021年9月23日，由蕪湖市人民政府和SEMI中國共同主辦的“化合物半導體制造技術論壇”在安徽省蕪湖市成功舉辦，晶湛半導體應邀出席并發表題為“用于新型GaN功率器件的外延技術進展”的主旨演講。在演講中，晶湛半導體成功展示了一系列用于200V、650V和1200V功率半導體器件的高質量300mm GaN-on-Si HEMT外延片，并且具有優異的厚度均勻性和低晶圓翹曲，這為使用更復雜精密的300mm CMOS兼容工藝線進行氮化鎵芯片制備鋪平了道路。
大尺寸Si襯底上GaN外延技術的突破，將GaN的卓越特性和CMOS兼容加工線的生產優勢結合在一起，使GaN-on-Si功率器件具有優異的性能和可靠性。如今，基于GaN-on-Si HEMT技術平臺的商用GaN功率器件已獲得巨大的發展機遇，，GaN功率器件正在加速進入消費電子、工業電子、數據中心、能源、汽車和交通等廣闊的功率芯片應用領域。在進一步降低芯片成本和進行復雜電路設計和集成的驅動下，更大的晶圓尺寸已經成為行業的發展方向。
繼2014年成功推出商用200mm GaN-on-Si HV HEMT外延片后，晶湛半導體已成功將其AlGaN/GaN HEMT外延工藝轉移到300mm Si襯底上，同時保持了優異的厚度均勻性和50μm以內的低晶圓翹曲。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功率器件應用（圖1）。
圖1：晶湛半導體300mm GaN-on-Si HEMT外延片系列（200V，650V，1200V擊穿電壓應用）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鍵問題，晶湛半導體此次發布的300mm GaN-on-Si HEMT結構外延片采用了如圖2（a）所示的外延結構。外延生長從AlN形核層開始，然后是應力弛豫緩沖層、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300mm晶圓的晶體質量較高。
圖2：（a）晶湛半導體300mm GaN-on-Si HEMT外延結構示意圖
(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。測量結果顯示AlGaN勢壘中鋁成分的平均值為19.9%，標準差為0.68%（圖3a），表明300mm晶圓具有均勻的2DEG電學特性。CV測試同樣證實了這一點，測試結果顯示平均電子濃度為7.2E12 cm^-2，標準偏差<2%（圖3b）。
圖3：晶湛半導體300mm AlGaN/GaN HEMT外延片中勢壘層Al組分含量分布和2DEG濃度分布
晶湛半導體創始人兼CEO，程凱博士評論道：“基于我們優化的AlN成核層技術，我們能夠在高達300mm的大尺寸硅襯底上生長無裂紋的GaN HEMT外延片，并且滿足相應的漏電流要求。盡管在300mm大晶圓尺寸下，外延工藝、應力管理和缺陷控制方面都存在巨大挑戰，我們仍在AlGaN/GaN HEMT外延片中實現了優異的結構質量和電性能。這必將鼓勵大功率集成電路的發展，推動片上系統（SoC）的集成并進一步降低GaN功率器件的成本。
關于蘇州晶湛半導體有限公司
蘇州晶湛半導體有限公司成立于2012年，坐落于江蘇省蘇州市工業園區納米城，擁有一個國際先進的氮化鎵外延材料研發和產業化基地，致力于為微波射頻、電力電子器件和LED領域提供高品質氮化鎵外延材料。2014年底，晶湛半導體在全球首家發布其商品化8英寸硅基氮化鎵外延片產品，并在2018年10月通過ISO9001質量體系認證。蘇州晶湛半導體有限公司將一直秉承著“成為服務全球的氮化鎵外延材料制造商”的愿景，為客戶創造價值。
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