近年來，SiC（碳化硅）、GaN（氮化鎵）等寬帶隙（WBG）功率半導(dǎo)體的開發(fā)和市場導(dǎo)入速度加快，但與硅相比成本較高的問題依然存在。使用硅片的臥式可以以較低的成本獲得GaN的高頻特性，但不適合需要650V以上的高耐壓的情況。SiC一直是650-1200V 應(yīng)用的首選寬帶半導(dǎo)體，尤其是電動汽車和可再生能源中的逆變器 。650 伏是當(dāng)今更大的市場，1200 伏產(chǎn)品細(xì)分市場也將以很高的復(fù)合年增長率更快地增長。不少企業(yè)研究GaN取代SiC作為新興的高壓功率開關(guān)半導(dǎo)體材料。其中，比利時的研究實(shí)驗(yàn)室imec在200毫米晶圓上展示了突破性的氮化鎵 (GaN) 工藝，該工藝首次可以在高功率 1200V 設(shè)計中采用碳化硅 (SiC)。與 Aixtron的設(shè)備合作，imec已經(jīng)證明了GaN緩沖層的外延生長，可用于200mm QST襯底上的1200V橫向晶體管應(yīng)用，硬擊穿電壓超過1800V。

近日，第九屆國際第三代半導(dǎo)體論壇（IFWS）&第二十屆中國國際半導(dǎo)體照明論壇（SSLCHINA）在廈門國際會議中心召開。期間，“功率模塊與電源應(yīng)用峰會”上，西安電子科技大學(xué)教授游淑珍做了“面向1200V功率應(yīng)用的異質(zhì)襯底橫向和垂直GaN器件發(fā)展”的主題報告，涉及1200V橫向p-GaN HEMT器件、QST襯底上垂直GaN器件的研制、1200V橫向D模GaN HEMT器件等研究成果。

報告回顧了異質(zhì)襯底上1200V橫向和縱向晶體管的研發(fā)進(jìn)展。報告展示了imec基于8英吋QST襯底的氮化鎵外延層，該外延層可以實(shí)現(xiàn)硬擊穿>1200V。在該外延層上制備的增強(qiáng)型p-GaN柵HEMT可承受關(guān)態(tài)擊穿電壓>1200V。為了滿足如此高的耐壓特性，氮化鎵緩沖層厚度>7um, 這對外延生長的應(yīng)力控制提出了挑戰(zhàn)。因此，imec采用反向堆疊階梯型雙層超晶格結(jié)構(gòu)，即第一層超晶格等效Al組分低于第二層超晶格等效Al組分。

該設(shè)計有效的調(diào)節(jié)了原位生長曲線，使得在生長較厚的緩沖層之后，晶圓翹曲仍然可以被控制在50um以內(nèi)，滿足進(jìn)入工藝線的基本要求，并保持外延層的機(jī)械強(qiáng)度。但是橫向晶體管在高壓應(yīng)用中受限于芯片面積占用率以及表面陷阱引起的可靠性問題。與之相反，垂直氮化鎵晶體管并不需要增加芯片面積來增加器件關(guān)態(tài)擊穿電壓。垂直氮化鎵晶體管需要增加垂直方向上漂移層的厚度來增加器件關(guān)態(tài)擊穿電壓。報告展示了imec基于8英吋QST襯底的準(zhǔn)垂直二極管反向擊穿電壓約750V,該器件的漂移層厚度為5um。

得益于藍(lán)寶石襯底材料的發(fā)展，6英吋藍(lán)寶石襯底的價格持續(xù)降低，并低于100美元。因此基于藍(lán)寶石上氮化鎵的晶體管在高壓（>1200V）領(lǐng)域的應(yīng)用引起了人們的興趣。報告展示了西安電子科技大學(xué)廣州研究院及廣州第三代半導(dǎo)體創(chuàng)新中心在其中試線上制備了藍(lán)寶石基氮化鎵HEMT，該HEMT的緩沖層只有1.5um，遠(yuǎn)低于同等電壓等級的硅基氮化鎵器件的緩沖層厚度。該HEMT表現(xiàn)出非常優(yōu)異的關(guān)態(tài)擊穿特性，擊穿電壓可以達(dá)到3000V以上。另外，藍(lán)寶石基氮化鎵HEMT性能的高一致性，便宜的襯底，簡單的外延結(jié)構(gòu)都加速了氮化鎵器件制造的降本增效，推動氮化鎵HEMT進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

嘉賓簡介

游淑珍，教授，海外引進(jìn)高層次人才，西安電子科技大學(xué)教授，比利時微電子中心imec GaN器件研發(fā)組長，歐盟項(xiàng)目課題負(fù)責(zé)人，比利時魯汶大學(xué)博士。國際著名會議IRPS技術(shù)委員會成員。