氮化鎵技術(shù)：從制造到器件加工

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

氮化鎵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)
氮化鎵(GaN)技術(shù)憑借其卓越的性能和特點(diǎn)，在電力電子工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重大突破。本文探討GaN制造的基本方面、缺陷管理和器件加工，深入介紹這種變革性的半導(dǎo)體材料。

纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)是GaN性能的基礎(chǔ)，構(gòu)成了其寬禁帶半導(dǎo)體特性的根本。
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圖1展示了GaN的纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)，顯示了賦予GaN獨(dú)特性能的六方密堆積(HCP)排列。

/ |) `6 l$ P: ~+ o制造工藝
1 B) g3 K; I& b, M$ D% NGaN制造始于選擇合適的襯底。硅(111)、藍(lán)寶石和碳化硅(SiC)是常見的選擇，各具優(yōu)勢。硅襯底因其成本效益和與現(xiàn)有CMOS制造設(shè)施的兼容性，在功率應(yīng)用中備受青睞。制造工藝包含多個(gè)關(guān)鍵步驟，從襯底準(zhǔn)備到最終器件形成。

外延生長工藝在GaN器件制造中極為重要。金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)是主要使用的方法，能夠精確控制層的形成。該過程從襯底準(zhǔn)備開始，隨后沉積各種層，包括成核層、緩沖層和勢壘層。

缺陷管理與控制
  |8 @+ w# q$ j* QGaN制造面臨的主要挑戰(zhàn)是缺陷管理。由于GaN與襯底之間的晶格失配，穿透位錯(cuò)(TDs)的密度達(dá)到約1×10^10 cm^2，問題尤為突出。通過精心設(shè)計(jì)的低溫GaN或AlN中間層序列，緩沖層優(yōu)化有助于緩解這些問題。
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圖2顯示了(a)在200毫米GaN-on-Si晶圓上完全加工的正常關(guān)斷p-GaN柵極HEMT器件，以及(b)相應(yīng)的工藝流程說明，展示了完整的制造序列。

器件加工與制造
GaN功率器件的制造工藝涉及多個(gè)精密步驟。首先從硅錠開始，將其切割成薄片晶圓。這些晶圓在作為GaN生長襯底之前需要經(jīng)過精細(xì)的清潔和準(zhǔn)備。圖形制作過程在潔凈室環(huán)境中進(jìn)行，通過沉積、旋涂和刻蝕工藝創(chuàng)建納米級(jí)特征。
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圖3說明了p-GaN柵極HEMT器件直到歐姆接觸模塊的工藝流程示意圖，展示了關(guān)鍵制造階段。
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先進(jìn)加工技術(shù)
! O$ Q. i- Y/ W" J器件加工是GaN技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵階段。高電子遷移率晶體管(HEMTs)的制作依賴于在AlGaN和GaN層之間形成二維電子氣(2DEG)。這種獨(dú)特特性使得高性能器件的制造無需傳統(tǒng)的摻雜方法。
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圖4描繪了從柵極模塊到最終鈍化的p-GaN柵極HEMT器件工藝流程示意圖，展示了完整的器件加工序列。
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離子注入與摻雜
. L9 b% b, Y5 A, V. a離子注入在GaN器件制造中發(fā)揮著重要作用，特別是在器件隔離和性能增強(qiáng)方面。使用各種摻雜物種時(shí)需要仔細(xì)考慮其電離能和激活特性。對(duì)于n型摻雜通常使用硅，而鎂則作為主要的p型摻雜劑。

最終加工與集成
GaN器件加工的最后階段涉及創(chuàng)建電氣接觸和互連。這包括形成歐姆接觸、柵極結(jié)構(gòu)和場板。該過程以后段工藝(BEOL)步驟結(jié)束，其中沉積和圖案化多個(gè)金屬層以創(chuàng)建最終器件結(jié)構(gòu)。
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0 y# K- N& m4 R7 c& S9 H質(zhì)量控制與發(fā)展趨勢
質(zhì)量控制和缺陷表征貫穿整個(gè)制造過程。采用各種技術(shù)，包括光學(xué)檢查、X射線衍射和電子顯微鏡，以確保器件質(zhì)量和可靠性。這些方法有助于識(shí)別和解決穿透位錯(cuò)、顆粒和晶圓翹曲等問題。

* P" ]0 ]' D. y7 a: u) Z- AGaN技術(shù)與現(xiàn)有硅CMOS制造設(shè)施的集成帶來獨(dú)特挑戰(zhàn)。需要謹(jǐn)慎管理交叉污染控制、晶圓處理和工藝兼容性。盡管存在這些挑戰(zhàn)，GaN技術(shù)的優(yōu)勢 - 包括更高的開關(guān)頻率、改進(jìn)的效率和增加的功率密度 - 持續(xù)推動(dòng)其在電力電子和通信等各種應(yīng)用中的采用。

參考文獻(xiàn)
[1] S. Daryanani, A. Constant, C. Tringali, and F. Iucolano, "Manufacturing Processes," in GaN Technology: Materials, Manufacturing, Devices and Design for Power Conversion, M. Di Paolo Emilio, Ed. Cham: Springer Nature Switzerland AG, 2024, ch. 3, pp. 31-46.
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