氮化鎵的發(fā)展難題及技術(shù)突破盤點

同為第三代半導體材料，氮化鎵時常被人用來與碳化硅作比較，雖然沒有碳化硅發(fā)展的時間久，但氮化鎵依舊憑借著禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導率大、飽和電子漂移速度高和抗輻射能力強等特點展現(xiàn)了它的優(yōu)越性。

“吸金”背后的發(fā)展難題

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襯底材料問題

襯底與薄膜晶格的相配程度影響GaN薄膜質(zhì)量好壞。目前使用最多的襯底是藍寶石(Al2O3)，此類材料由于制備簡單，價格較低，熱穩(wěn)定性良好，且可以用于生長大尺寸的薄膜而被廣泛使用，但是由于其晶格常數(shù)和線膨脹系數(shù)都與氮化鎵相差較大，制備出的氮化鎵薄膜可能會存在裂紋等缺陷。另一方面，由于襯底單晶沒有解決，異質(zhì)外延缺陷密度相當高，而且氮化鎵極性太大，難以通過高摻雜來獲得較好的金屬-半導體的歐姆接觸，因此工藝制造較復雜。

02

氮化鎵薄膜制備問題

傳統(tǒng)的GaN薄膜制備主要方法有MOCVD（金屬有機物氣相沉積法）、MBE法（分子束外延法）和HVPE（氫化物氣相外延法）。其中，采用MOCVD法制備的產(chǎn)量大，生長周期短，適合用于大批量生產(chǎn)，但生長完畢后需要進行退火處理，最后得到的薄膜可能會存在裂紋，會影響產(chǎn)品的質(zhì)量；MBE法只能用于一次制備少量的GaN薄膜，尚不能用于大規(guī)模生產(chǎn)；HVPE法生成的GaN晶體質(zhì)量比較好，且在較高的溫度下生長速度快，但高溫反應對生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)成本和技術(shù)要求都比較高。

MOCVD反應腔

03

GaN籽晶獲得問題

直接采用氨熱方法培育一個兩英寸的籽晶需要幾年時間，因此如何獲得高質(zhì)量、大尺寸的GaN籽晶也是難題所在。

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其他技術(shù)問題

此外，目前氮化鎵還有2個技術(shù)上的難題，其一是以目前生長的基板碳化硅來說，尺寸上尚無法突破6英寸晶圓的大小，同時碳化硅的取得成本較高，導致目前既無法大量生產(chǎn)、價格也壓不下來；其二則是要如何讓氮化鎵能在硅晶圓上面生長、并且擁有高良率，是業(yè)界要突破的技術(shù)，如果可以克服并運用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，氮化鎵未來的價格跟產(chǎn)量就能有所改善。

由此可見，要想氮化鎵產(chǎn)能提升、成本控制并形成完全的產(chǎn)業(yè)鏈，所面對的技術(shù)挑戰(zhàn)不容小覷。

有難題的地方就會有新技術(shù)

當然，有難題的地方就會有科研，有科研的地方就會有智慧，有智慧的地方顯然也孕育了不少突破性技術(shù)。

南方科技大學電子與電氣工程系助理教授馬俊團隊與瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學（EPFL）和蘇州晶湛半導體有限公司合作研發(fā)了一種多溝道氮化鎵電力電子器件技術(shù)，可用于開發(fā)高能效的電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。

多溝道納米線中的電子傳輸

該技術(shù)解決了兩個電子器件中基礎(chǔ)性、原理性的挑戰(zhàn)。第一，怎么降低器件的電阻，但又不損失電子的遷移率。第二，如何在低電阻的情況下實現(xiàn)高擊穿電壓。據(jù)介紹，研究人員通過材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計和外延工藝的提升，在100-200納米的多溝道內(nèi)，堆疊了4至5個導電溝道。此外，從器件設(shè)計方面，研究人員使用了原創(chuàng)的三維場板結(jié)構(gòu)，并申請了專利。

除了上述提到的技術(shù)外，晶湛半導體在2021年9月成功將其AlGaN/GaN HEMT外延工藝轉(zhuǎn)移到300mmSi襯底上，同時保持了優(yōu)異的厚度均勻性和50μm以內(nèi)的低晶圓翹曲。據(jù)了解，這是繼2014年成功推出商用200mmGaN-on-Si HV HEMT外延片后，晶湛半導體的又一次突破。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。

晶湛半導體300mmGaN-on-SiHEMT外延片系列

厚度均勻性分布圖和垂直擊穿電壓分布圖

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，晶湛半導體外延生長從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。窄的XRDAlN（002）峰和良好的半高寬均勻性表明整個300mm晶圓的晶體質(zhì)量較高。

2022年12月12日，日本先進工業(yè)科學技術(shù)研究所（AIST）宣布，成功開發(fā)了全球首顆GaN HEMT與SiC SBD的集成單芯片原型。據(jù)介紹，為解決GaN HEMT的可靠性問題，AIST進行了混合晶體管的研究和開發(fā),在同一襯底上，將GaN晶體管和SiC二極管集成在一起（即單片化）。

而開發(fā)氮化鎵和碳化硅的混合晶體管，需要建設(shè)開發(fā)氮化鎵和碳化硅集成器件原型的環(huán)境，所以AIST擴建了一條SiC功率器件的4英寸原型線，將其作為SiC和GaN的共享原型線，并用于開發(fā)混合晶體管原型。

來源： 廣州先進陶瓷展