晶湛半导体成功突破12英寸硅基氮化镓HEMT外延技术

2021年9月23日，由芜湖市人民政府和SEMI中国共同主办的“化合物半导体制造技术论坛”在安徽省芜湖市成功举办，晶湛半导体应邀出席并发表题为“用于新型GaN功率器件的外延技术进展”的主旨演讲。在演讲中，晶湛半导体成功展示了一系列用于200V、650V和1200V功率半导体器件的高质量300mm GaN-on-Si HEMT外延片，并且具有优异的厚度均匀性和低晶圆翘曲，这为使用更复杂精密的300mm CMOS兼容工艺线进行氮化镓芯片制备铺平了道路。

大尺寸Si衬底上GaN外延技术的突破，将GaN的卓越特性和CMOS兼容加工线的生产优势结合在一起，使GaN-on-Si功率器件具有优异的性能和可靠性。如今，基于GaN-on-Si HEMT技术平台的商用GaN功率器件已获得巨大的发展机遇，GaN功率器件正在加速进入消费电子、工业电子、数据中心、能源、汽车和交通等广阔的功率芯片应用领域。在进一步降低芯片成本和进行复杂电路设计和集成的驱动下，更大的晶圆尺寸已经成为行业的发展方向。

继2014年成功推出商用200mm GaN-on-Si HV HEMT外延片后，晶湛半导体已成功将其AlGaN/GaNHEMT外延工艺转移到300mm Si衬底上，同时保持了优异的厚度均匀性和50µm以内的低晶圆翘曲。垂直电压击穿测量表明，300mm尺寸的晶圆同样适合于200V、650V和1200V功率器件应用（图1）。

图1：晶湛半导体300mm GaN-on-SiHEMT外延片系列(200V，650V，1200V击穿电压应用)厚度均匀性分布图和垂直击穿电压分布图(漏电流=1µA/mm2@ RT)

为解决GaN外延中的晶圆开裂/弯曲和高晶体缺陷等关键问题，晶湛半导体此次发布的300mm GaN-on-SiHEMT结构外延片采用了如图2（a）所示的外延结构。外延生长从AlN形核层开始，然后是应力弛豫缓冲层、GaN沟道层、AlGaN势垒层和GaN帽层。如图2（b）所示，窄的XRD AlN（002）峰和良好的半高宽均匀性表明整个300mm晶圆的晶体质量较高。

图2：

(a)晶湛半导体300mm GaN-on-SiHEMT外延结构示意图

(b)AlN成核层XRD(002) FWHM分布图， Avg=743arcsec(Std=2%)

图3展示了从晶圆中心到晶圆边缘的9个位置处测得的AlGaN势垒层中的铝成分含量及2DEG载流子浓度。测量结果显示AlGaN势垒中铝成分的平均值为19.9%，标准差为0.68%（图3a），表明300mm晶圆具有均匀的2DEG电学特性。CV测试同样证实了这一点，测试结果显示平均电子浓度为7.2E12 cm^-2，标准偏差<2%（图3b）。

图3：晶湛半导体300mm AlGaN/GaN HEMT外延片中势垒层Al组分含量分布和2DEG浓度分布

晶湛半导体创始人兼CEO，程凯博士评论道：“基于我们优化的AlN成核层技术，我们能够在高达300mm的大尺寸硅衬底上生长无裂纹的GaN HEMT外延片，并且满足相应的漏电流要求。尽管在300mm大晶圆尺寸下，外延工艺、应力管理和缺陷控制方面都存在巨大挑战，我们仍在AlGaN/GaN HEMT外延片中实现了优异的结构质量和电性能。这必将鼓励大功率集成电路的发展，推动片上系统（SoC）的集成并进一步降低GaN功率器件的成本。