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

氮化鎵已成為事實上的第三代半導體材料。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)的不匹配導致外延層的位錯和開裂。

一種常見的熱管理方法是使用具有高導熱性的基板（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)出低導熱率。具有低導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，因為大部分熱量是在頂部的有源層內(nèi)產(chǎn)生的。過渡層內(nèi)、襯底和過渡層之間的界面處的缺陷和邊界散射以及近界面無序共同促成了大的熱阻。

盡管可以選擇用于生長 GaN Epi 的襯底，但有些襯底對代工不友好，因此使用了 CMOS 工藝。另一個原因是，用于制造 CMOS 器件的最先進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 12 英寸的 GaN-on-Si 具有優(yōu)勢。6 英寸的 GaN-on-sapphire 相對便宜；然而，許多代工廠不接受藍寶石，其導熱性較差。

為了生長高質(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。為了實現(xiàn)具有成本效益的先進 GaN 功率器件性能，同時有效地管理產(chǎn)生的熱量，可以從襯底上去除外延層，從而實現(xiàn)襯底的重復使用，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，例如涉及光電化學蝕刻、機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/開裂明顯，限制了基板重復使用的工藝產(chǎn)量和實用性。因此，這些傳統(tǒng)方法的工藝成本通常超過 GaN 襯底成本，

當器件需要更好的質(zhì)量時，就位錯密度、熱性能和汽車、射頻和數(shù)據(jù)中心應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用的 GaN 器件。缺點是SiC襯底非常昂貴。GaN外延層在其上生長后不再需要SiC襯底。

總結(jié)一下：

當前技術(shù)的大型 GaN 晶片具有較高的位錯密度（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管理應力，從而難以管理導熱性。

大多數(shù)其他基板都非常昂貴，并且無法選擇更大的晶圓。

有哪些新技術(shù)可以幫助解決這些問題？

到目前為止，還沒有簡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。

美國麻省理工學院遠程外延和二維材料層轉(zhuǎn)移（2DLT）技術(shù)的發(fā)明使得通過二維材料生長復合材料成為可能。生長后，可以將其提起以從中釋放基材并重復使用。

借助這項技術(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 GaN Epi 晶圓生長中重復使用（參見圖 1）。

遠程外延和 2DLT 解決方案的優(yōu)勢在于 GaN 薄膜的瞬時剝離，無需任何拋光或其他后處理步驟。粘合或剝離過程不會引入多晶或非晶區(qū)。不需要結(jié)晶度差的成核層，因此可以獲得超薄（<200 nm）GaN獨立膜。這是任何其他現(xiàn)有技術(shù)都無法實現(xiàn)的。

GaN的新時代已經(jīng)開始。遠程外延和 2DLT 使該技術(shù)能夠?qū)?GaN 擴展到更大的尺寸，通過降低位錯密度來提高質(zhì)量，并幫助以低成本管理熱特性

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