向矽基氮化鎵過渡：外延生長中的工程挑戰
引言：邁向下一代電力電子技術
隨著矽在高頻高壓應用中逐漸接近其理論材料極限，氮化鎵 (GaN) 已成為現代電力電子裝置的關鍵半導體材料。 GaN 具有更寬的帶隙、更高的電子遷移率以及比傳統矽高十倍的臨界擊穿場強，使電源、電動車 (EV) 逆變器和 5G 基地台能夠以前所未有的效率運作。
然而，雖然藍寶石基板上的氮化鎵和碳化矽基板上的氮化鎵在光電子裝置和高頻射頻元件領域取得了成功，但功率元件的商業化大規模生產需要更具成本效益的解決方案： 矽基氮化鎵 （氮化鎵矽基）利用現有的大型矽片製造廠（晶圓廠）是實現規模經濟的唯一可行途徑。然而，在矽基板上異質外延生長氮化鎵（GaN）等化合物半導體面臨巨大的工程挑戰。本白皮書分析了矽上氮化鎵外延生長的熱力學、力學和晶體學方面的難題，並探討了確保裝置級良率所需的材料策略。
- 晶格失配困境：控制位錯密度
氮化鎵在矽上成功進行外延生長的主要障礙在於兩種材料之間根本的原子結構差異。氮化鎵具有六方纖鋅礦晶體結構，而矽則結晶為立方鑽石晶格。
當嘗試將 GaN 直接生長到矽 (111) 基板上時，工程師面臨著約 16.9% 的嚴重晶格失配。
螺紋位錯和缺陷中心
當使用金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）法沉積GaN的最初幾個原子層時，巨大的原子應變無法透過彈性變形來釋放。相反，晶格透過形成密集的穿透位錯（TD）網絡而弛豫。這些位錯在垂直方向上穿過外延層，並起到以下作用：
- 漏電路徑高位錯密度（>10）9公分-2）產生寄生導電通道，從而大幅增加關斷狀態下的漏電流。
- 病毒誘捕中心缺陷會捕捉運動的電子，導致載子遷移率局部降低，並引發動態電阻變化。ds(on)高電子遷移率電晶體 (HEMT) 中的退化現象，通常被稱為「電流崩潰」。
- 熱膨脹係數不匹配：防止晶圓彎曲和開裂
即使在生長溫度下控制了晶格應變，生長後的冷卻階段仍會出現第二個同樣嚴峻的障礙。 GaN 的熱膨脹係數 (CTE) ≈ 5.6×10⁻⁶-6K-1）明顯高於矽（≈2.6×10）-6K-1）。
冷卻階段斷裂
氮化鎵（GaN）的金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）生長通常在超過1000℃的高溫下進行。沉積後，當晶圓冷卻至室溫時，GaN外延層的收縮速度遠快於下方的厚矽基板。這種差異性收縮使GaN層承受強烈的應力。 拉應力。
- 如果外延薄膜厚度超過臨界閾值（在沒有緩衝層的情況下通常小於 1 微米），則累積的拉伸能量會透過微裂紋災難性地釋放。
- 如果薄膜能夠抵抗開裂，應力將迫使整個結構彎曲，從而導致嚴重的後果。 威化弓晶圓過度彎曲會擾亂自動真空處理系統，造成光刻聚焦誤差，並導致後續加工步驟中薄膜剝離。
- 工程解決方案：先進的緩衝結構和應變工程
為了緩解晶格和熱膨脹失配，現代半導體製造依賴在矽基板和主動GaN層之間的過渡區內實施的複雜應變工程策略。
3.1 氮化鋁（AlN）成核層
由於氣態鎵在高溫下會與矽表面發生劇烈反應（一種稱為「熔蝕」），因此無法在矽上直接生長氮化鎵。為了防止這種情況發生，需要使用超薄的氮化鎵薄膜。 氮化鋁（AlN）首先沉積成核層。氮化鋁起到化學屏障的作用，並建立壓應力狀態，以抵消隨後的冷卻拉應力。
3.2 梯度AlGaN變質緩衝層
為了平滑地彌合氮化鋁（AlN）和氮化鎵（GaN）之間的原子級差距，工程師們採用了階梯梯度或連續梯度氮化鋁鎵（AlGaN）。x這裡1-xN）緩衝層。將鋁濃度從 x = 0.8 逐漸降低到 x = 0.2，晶格常數逐漸增大。這種人為設計的梯度迫使穿透位錯彎曲並相互湮滅，從而將活性通道附近的最終位錯密度降低到可接受的水平（8公分-2）。
3.3 超晶格緩衝結構
另一種高效方法是交替使用超薄的AlN和GaN層來形成… 短週期超晶格（SPSL）SPSL 結構中無數的內部介面起到物理過濾器的作用，將穿透位錯水平地重新定向，防止它們向上穿透到活躍的二維電子氣 (2DEG) 通道區域。
- 技術指標矩陣：外延品質對HEMT性能的影響
| 建築參數 | 應變工程不良 | 優化的FSM標準 | 對元件良率的直接影響 |
| 位錯密度（TDs） | >5×109公分-2 | 8公分-2 | 消除當前崩潰；穩定 Rds(on)。 |
| 晶圓弓（200毫米） | >100 一個 |
| 防止自動處理故障和光刻失焦。 |
| 表面粗糙度（Ra） | >0.5 奈米 |
| 提高 AlGaN/GaN 介面處的 2DEG 電子遷移率。 |
| 基板熔化 | 可見的宏觀凹坑 | 零（完美氮化鋁隔離） | 消除災難性的垂直故障短路。 |
- 輔助材料在氮化鎵矽外延生長的關鍵作用
在 MOCVD 外延過程中保持嚴格的製程窗口需要對反應室的熱特性和機械特性進行精確控制，這凸顯了高品質輔助矽材料的必要性。
5.1 透過高精度虛擬晶圓實現熱穩定
鑑於氮化鎵外延生長需要在極高的熱邊界條件下進行，用於填充多層行星式基板空位的佔位晶圓必須與生產基板的熱性能完全匹配。摻雜分佈不一致或幾何形狀有偏差的低質量佔位晶圓會造成局部熱不均勻性。因此，使用高品質、無應力的佔位晶圓至關重要。 模擬晶圓s 確保整個基座具有絕對的熱對稱性，防止活性生產晶圓上出現邊緣到中心的薄膜厚度漂移。
5.2 採用先進氧化層的硬掩模處理
在GaN HEMT中定義隔離區和閘極結構需要堅固的硬掩模，能夠承受強效的氟基或氯基乾蝕刻。高均勻性 熱氧化晶片s 提供必要的蝕刻選擇性和結構完整性，以在不降低敏感的底層 AlGaN 勢壘層的情況下，對亞微米柵極進行圖案化。
常問問題
為什麼我們不能使用標準的 Prime Silicon $(100)$ 晶圓進行 GaN 生長？
GaN以六方纖鋅礦對稱結構生長，這與矽(111)晶面的三重旋轉對稱性相匹配。嘗試在標準矽(100)基板上生長GaN會導致嚴重的晶體多晶形成和不受控制的晶體取向扭曲。晶圓廠必須採用公差要求嚴格的製程。 優質矽晶圓s 精確地取向於 (111) 晶面。
晶圓回收服務是否可以應用於矽基氮化鎵測試晶圓？
是的。由於 GaN-on-Si 測試運行成本非常高昂，因此利用專業的晶圓回收服務去除未蝕刻的氮化物薄膜並將下方的矽襯底重新拋光至原子級平坦狀態，是一種在不犧牲基線測量精度的前提下降低研發成本的有效方法。
表面粗糙度如何影響 2DEG 通道？
在GaN HEMT中，主動通道位於AlGaN/GaN異質接面表面下方僅幾奈米處。如果初始基板表面存在任何微觀粗糙度，這種粗糙度會傳遞到緩衝層，導致界面粗糙度散射，從而顯著降低電子遷移率。因此，利用精密拋光服務製備具有亞埃級光滑度的基板至關重要。
結論：確保寬頻隙前緣的實現
矽基氮化鎵（GaN-on-Silicon）的過渡是現代半導體史上最重要的材料科學發展之一。雖然晶格失配和熱膨脹係數不匹配帶來了嚴峻的工程挑戰，但透過精確的應變工程、先進的超晶格緩衝層設計以及精心的基板選擇，這些挑戰完全可以克服。
在這一寬頻隙材料領域取得成功，需要在製程的每個階段都堅持對材料品質毫不妥協的態度。從初始定向優質矽基板到在MOCVD反應腔中部署熱緩衝虛擬晶圓，FSM提供必要的頂級材料解決方案，以彌合工程差距並確保商業規模的良率。
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