用于電氣化的下一代 GaN發(fā)展，第二部分

在半導(dǎo)體外延材料制造過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)，即材料中的缺陷。半導(dǎo)體中的缺陷越多，可以在晶片上生產(chǎn)的可用器件就越少，這會(huì)增加成本。此外，不良的材料界面會(huì)導(dǎo)致更高的器件通道電阻，從而導(dǎo)致更多的能量在運(yùn)行過(guò)程中被浪費(fèi)，從而降低芯片的能效。

“我們已經(jīng)安裝并運(yùn)行了一個(gè) MOCVD 反應(yīng)器，用于在硅晶片上生長(zhǎng) GaN 材料，”Salter 說(shuō)?！拔覀冋谕顿Y這種設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施，這需要額外的設(shè)備和專業(yè)的工藝設(shè)施，如氣體和冷卻水。生長(zhǎng)具有低缺陷密度的 GaN 材料是氮化鎵面臨的最大挑戰(zhàn)之一應(yīng)用，以及在沉積過(guò)程中控制材料質(zhì)量。在沉積過(guò)程中控制基礎(chǔ)材料和摻雜劑濃度允許在器件級(jí)實(shí)現(xiàn)低電阻器件接觸。這也會(huì)影響器件可以承受的擊穿電壓類型和電流水平。此外，在半導(dǎo)體材料和器件觸點(diǎn)之間具有良好的界面有助于優(yōu)化制造器件的電氣性能?！?

RISE 測(cè)試和演示設(shè)施 ProNano 提供各種基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)幫助加快啟動(dòng)測(cè)試，而無(wú)需在昂貴的設(shè)備上花費(fèi)大量資金。納米線是使用 ProNano 的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積 (MOCVD) 技術(shù)制造的，可在硅晶片上產(chǎn)生薄的氮化鎵層。晶圓在各個(gè)層面都經(jīng)過(guò)處理和確認(rèn)，以產(chǎn)生氮化鎵納米線可以“生長(zhǎng)”的圖案，然后結(jié)合在一起形成高質(zhì)量的薄外延層。然后在電子顯微鏡下檢查晶片以檢查其質(zhì)量。

Hexagem 表示，目前 GaN-on-silicon 半導(dǎo)體每平方厘米有 1 億個(gè)缺陷?！斑@將是 10 8 cm -2數(shù)量級(jí)的位錯(cuò)密度。當(dāng)今最先進(jìn)的 GaN-on-Si 晶圓為中高 10 8 cm -2，”Bj?rk 說(shuō)。Hexagem 相信我們可以顯著提高材料質(zhì)量，很快就會(huì)接近每平方厘米 1000 萬(wàn)個(gè)缺陷，從而超越競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

“缺陷通常是導(dǎo)致非狀態(tài)泄漏的位錯(cuò)，”Bj?rk 補(bǔ)充道?！敖柚?Hexagem 技術(shù)，我們能夠分兩步減少位錯(cuò);首先，通過(guò)生長(zhǎng) GaN 納米線來(lái)過(guò)濾 GaN 緩沖位錯(cuò)，其次，通過(guò)將線仔細(xì)合并成平面 GaN 層來(lái)控制新位錯(cuò)的形成?！?

垂直晶圓

目標(biāo)是擁有更大的晶圓或生產(chǎn)更厚的垂直氮化鎵半導(dǎo)體。根據(jù) Hexagem 的說(shuō)法，如今兩到四微米厚的層很常見(jiàn)。他們的目標(biāo)是在 2022 年生產(chǎn)出 10 微米厚的解決方案。

“更大的晶圓意味著通過(guò)增加每個(gè)晶圓的設(shè)備數(shù)量來(lái)提高規(guī)模經(jīng)濟(jì)，”Bj?rk 說(shuō)?！叭秉c(diǎn)是在較大晶圓上控制晶圓彎曲通常更困難。較厚的 GaN 層將使器件具有更高的額定電壓，這對(duì)于解決 900-1200V 器件市場(chǎng)非常重要。它還將支持垂直設(shè)備設(shè)計(jì)，這將帶來(lái)一些好處，例如將電壓縮放與設(shè)備占用空間解耦。Hexagem 旨在為 1200V 器件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)高質(zhì)量的硅基 GaN，并將該技術(shù)授權(quán)給工業(yè)合作伙伴。”

Hexagem 表示，其技術(shù)允許電流在晶圓平面上垂直流動(dòng)，而不是水平流動(dòng)。這減小了組件的尺寸，但更重要的是，它可以處理更高的電流和電壓。

半導(dǎo)體加工

如上所述，MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積)是由具有大帶隙的半導(dǎo)體材料制造晶體管的主要程序。特定氣體(或蒸汽)在特定溫度和壓力下在 MOCVD 系統(tǒng)中流過(guò)基板表面。頂層以這種方式“發(fā)展”成晶體結(jié)構(gòu)，一次一個(gè)原子層，跨越多個(gè)層。該技術(shù)被稱為外延或晶體生長(zhǎng)。為了創(chuàng)建 3D 納米結(jié)構(gòu)(例如納米線)，可以在襯底的整個(gè)表面或襯底的選定部分上生長(zhǎng)層。

可以使用 MOCVD 工藝在不同材料的襯底上生長(zhǎng)外延層，例如硅、碳化硅、氮化鎵、金剛石或藍(lán)寶石。材料具有不同程度的難于獲得很少的晶體缺陷。

接下來(lái)，通過(guò)半導(dǎo)體制造常見(jiàn)的附加處理步驟(例如光刻、蝕刻或金屬或絕緣體沉積)來(lái)創(chuàng)建晶片晶體管和其他電子元件。最后，將完成的晶圓切割成郵票大小的小塊，封裝在電子封裝中，進(jìn)行測(cè)試，然后沿著供應(yīng)鏈發(fā)送給三星、沃爾沃、蘋(píng)果和愛(ài)立信，最后進(jìn)入微處理器在手機(jī)或汽車中。

在硅上制造 GaN 晶圓的主要階段是襯底清洗，然后是在清潔環(huán)境中進(jìn)行圖案生長(zhǎng)，以及在圖案生長(zhǎng)過(guò)程中進(jìn)一步清潔襯底。下一步是通過(guò) MOCVD 外延制造 GaN 半導(dǎo)體。根據(jù)特定的技術(shù)需要，將基板放入 MOCVD 室中，以生成不同組合的 GaN、AlGaN 或 InGaN 的晶體層。之后，使用電子顯微鏡檢查材料，并進(jìn)行測(cè)試以驗(yàn)證材料的導(dǎo)電性和其他性能。