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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/GaN HEMT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-Si HEMT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-Si HEMT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-Si HEMT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。


关于苏州晶湛半导体有限公司
苏州晶湛半导体有限公司成立于2012年,坐落于江苏省苏州市工业园区纳米城,拥有一个国际先进的氮化镓外延材料研发和产业化基地,致力于为电力电子器件和LED领域提供高品质氮化镓外延材料。2014年底,晶湛半导体在全球首家发布其商品化8英寸硅基氮化镓外延片产品,并在2018年10月通过ISO9001质量体系认证。苏州晶湛半导体有限公司将一直秉承着“成为服务全球的氮化镓外延材料制造商”的愿景,为客户创造价值。
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