向硅基氮化镓过渡：外延生长中的工程挑战
引言：迈向下一代电力电子技术
随着硅在高频高压应用中逐渐接近其理论材料极限，氮化镓 (GaN) 已成为现代电力电子器件的关键半导体材料。GaN 具有更宽的带隙、更高的电子迁移率以及比传统硅高十倍的临界击穿场强，使电源、电动汽车 (EV) 逆变器和 5G 基站能够以前所未有的效率运行。
然而，虽然蓝宝石衬底上的氮化镓和碳化硅衬底上的氮化镓在光电子器件和高频射频器件领域取得了成功，但功率器件的商业化大规模生产需要更具成本效益的解决方案： 硅基氮化镓 （氮化镓硅基）利用现有的大型硅片制造厂（晶圆厂）是实现规模经济的唯一可行途径。然而，在硅衬底上异质外延生长氮化镓（GaN）等化合物半导体面临着巨大的工程挑战。本白皮书分析了硅上氮化镓外延生长的热力学、力学和晶体学方面的难题，并探讨了确保器件级良率所需的材料策略。
- 晶格失配困境：控制位错密度
氮化镓在硅上成功进行外延生长的主要障碍在于两种材料之间根本的原子结构差异。氮化镓具有六方纤锌矿晶体结构，而硅则结晶为立方金刚石晶格。
当尝试将 GaN 直接生长到硅 (111) 衬底上时，工程师们面临着大约 16.9% 的严重晶格失配。
螺纹位错和缺陷中心
当采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）法沉积GaN的最初几个原子层时，巨大的原子应变无法通过弹性变形来释放。相反，晶格通过形成密集的穿透位错（TD）网络而弛豫。这些位错在垂直方向上穿过外延层，起到以下作用：
- 漏电路径高位错密度（>10）9厘米-2）产生寄生导电通道，从而大幅增加关断状态下的漏电流。
- 病毒诱捕中心缺陷会捕获运动的电子，导致载流子迁移率局部降低，并引发动态电阻变化。ds(on)高电子迁移率晶体管 (HEMT) 中的退化现象，通常被称为“电流崩溃”。
- 热膨胀系数不匹配：防止晶圆弯曲和开裂
即使在生长温度下控制了晶格应变，生长后的冷却阶段仍会出现第二个同样严峻的障碍。GaN 的热膨胀系数 (CTE) ≈ 5.6×10⁻⁶-6K-1）明显高于硅（≈2.6×10）-6K-1）。
冷却阶段断裂
氮化镓（GaN）的金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长通常在超过1000℃的高温下进行。沉积后，当晶圆冷却至室温时，GaN外延层的收缩速度远快于下方的厚硅衬底。这种差异性收缩使GaN层承受着强烈的应力。 拉应力。
- 如果外延薄膜厚度超过临界阈值（在没有缓冲层的情况下通常小于 1 微米），则累积的拉伸能量会通过微裂纹灾难性地释放。
- 如果薄膜能够抵抗开裂，应力将迫使整个结构弯曲，从而导致严重的后果。 威化弓晶圆过度弯曲会扰乱自动真空处理系统，造成光刻聚焦误差，并导致后续加工步骤中薄膜剥离。
- 工程解决方案：先进的缓冲结构和应变工程
为了缓解晶格和热膨胀失配，现代半导体制造依赖于在硅衬底和有源GaN层之间的过渡区内实施的复杂应变工程策略。
3.1 氮化铝（AlN）成核层
由于气态镓在高温下会与硅表面发生剧烈反应（一种被称为“熔蚀”），因此无法在硅上直接生长氮化镓。为了防止这种情况发生，需要使用超薄的氮化镓薄膜。 氮化铝（AlN）首先沉积成核层。氮化铝起到化学屏障的作用，并建立压应力状态，以抵消随后的冷却拉应力。
3.2 梯度AlGaN变质缓冲层
为了平滑地弥合氮化铝（AlN）和氮化镓（GaN）之间的原子级差距，工程师们采用了阶梯梯度或连续梯度氮化铝镓（AlGaN）。x这里1-xN）缓冲层。通过将铝浓度从 x = 0.8 逐渐降低到 x = 0.2，晶格常数逐渐增大。这种人为设计的梯度迫使穿透位错弯曲并相互湮灭，从而将活性通道附近的最终位错密度降低到可接受的水平（8厘米-2）。
3.3 超晶格缓冲结构
另一种高效方法是交替使用超薄的AlN和GaN层来形成…… 短周期超晶格（SPSL）SPSL 结构中无数的内部界面起到物理过滤器的作用，将穿透位错水平地重新定向，防止它们向上穿透到活跃的二维电子气 (2DEG) 通道区域。
- 技术指标矩阵：外延质量对HEMT性能的影响
| 建筑参数 | 应变工程不良 | 优化的FSM标准 | 对器件良率的直接影响 |
| 位错密度（TDs） | >5×109厘米-2 | 8厘米-2 | 消除当前崩溃；稳定 Rds(on)。 |
| 晶圆弓（200毫米） | >100 一个 |
| 防止自动处理故障和光刻失焦。 |
| 表面粗糙度（Ra） | >0.5 纳米 |
| 提高 AlGaN/GaN 界面处的 2DEG 电子迁移率。 |
| 基板熔化 | 可见的宏观凹坑 | 零（完美氮化铝隔离） | 消除灾难性的垂直故障短路。 |
- 辅助材料在氮化镓硅外延生长中的关键作用
在 MOCVD 外延过程中保持严格的工艺窗口需要对反应室的热特性和机械特性进行精确控制，这凸显了高品质辅助硅材料的必要性。
5.1 通过高精度虚拟晶圆实现热稳定
鉴于氮化镓外延生长需要在极高的热边界条件下进行，用于填充多层行星式衬底空位的占位晶圆必须与生产衬底的热性能完全匹配。掺杂分布不一致或几何形状存在偏差的低质量占位晶圆会造成局部热不均匀性。因此，使用高质量、无应力的占位晶圆至关重要。 模拟晶圆s 确保整个基座具有绝对的热对称性，防止活性生产晶圆上出现边缘到中心的薄膜厚度漂移。
5.2 采用先进氧化层的硬掩模处理
在GaN HEMT中定义隔离区和栅极结构需要坚固的硬掩模，能够承受强效的氟基或氯基干法刻蚀。高均匀性 热氧化晶片s 提供必要的蚀刻选择性和结构完整性，以在不降低敏感的底层 AlGaN 势垒层的情况下，对亚微米栅极进行图案化。
常问问题
为什么我们不能使用标准的 Prime Silicon $(100)$ 晶圆进行 GaN 生长？
GaN以六方纤锌矿对称结构生长，这与硅(111)晶面的三重旋转对称性相匹配。尝试在标准硅(100)衬底上生长GaN会导致严重的晶体多晶形成和不受控制的晶体取向扭曲。晶圆厂必须采用公差要求严格的工艺。 优质硅晶圆s 精确地取向于 (111) 晶面。
晶圆回收服务是否可以应用于硅基氮化镓测试晶圆？
是的。由于 GaN-on-Si 测试运行成本非常高昂，因此利用专业的晶圆回收服务去除未蚀刻的氮化物薄膜并将下方的硅衬底重新抛光至原子级平坦状态，是一种在不牺牲基线测量精度的前提下降低研发成本的有效方法。
表面粗糙度如何影响 2DEG 通道？
在GaN HEMT中，有源沟道位于AlGaN/GaN异质结表面下方仅几纳米处。如果初始衬底表面存在任何微观粗糙度，这种粗糙度会传递到缓冲层，导致界面粗糙度散射，从而显著降低电子迁移率。因此，利用精密抛光服务制备具有亚埃级光滑度的衬底至关重要。
结论：确保宽带隙前沿的实现
向硅基氮化镓（GaN-on-Silicon）的过渡是现代半导体史上最重要的材料科学发展之一。虽然晶格失配和热膨胀系数不匹配带来了严峻的工程挑战，但通过精确的应变工程、先进的超晶格缓冲层设计以及精心的衬底选择，这些挑战完全可以克服。
在这一宽带隙材料领域取得成功，需要在工艺的每个阶段都坚持对材料质量毫不妥协的态度。从初始定向优质硅衬底到在MOCVD反应腔中部署热缓冲虚拟晶圆，FSM提供必要的顶级材料解决方案，以弥合工程差距并确保商业规模的良率。
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