9月13-14日，“2021中国（南京）功率与射频半导体技术市场应用峰会（CASICON 2021）”在南京召开。本届峰会由半导体产业网、第三代半导体产业主办，并得到了南京大学、第三代半导体产业技术创新战略联盟的指导。

会上，苏州晶湛半导体研发经理向鹏博士带来了“用于新型GaN功率器件的外延技术进展”的主题报告。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50?m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=1?A/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。
 

晶湛半导体已成为国内首屈一指的氮化镓外延片供应商，并具备了一定的国际影响力和竞争力。2014年底，晶湛半导体就率先在全球首次发布商用8英寸硅基氮化镓外延片产品，经有关下游客户验证，该材料具备全球领先的技术指标和卓越的性能，填补了国内氮化镓产业的空白。经过多年的专注发展，晶湛半导体已经与全球数百家知名半导体科技企业、高校科研院所客户建立广泛深入的合作，并多次与合作伙伴联合在行业顶级期刊Nature Electronics，IEEE Electron Device Letters，及国际顶级会议IEDM等发布相关创新成果，引起国际半导体界的广泛关注和一致好评。