氮化镓技术：从制造到器件加工

逍遥设计自动化

氮化镓结构基础
& _5 e# H  k5 q) s  h( _: I氮化镓(GaN)技术凭借其卓越的性能和特点，在电力电子工业领域实现了重大突破。本文探讨GaN制造的基本方面、缺陷管理和器件加工，深入介绍这种变革性的半导体材料。

6 e$ Q% D5 ?* y8 m  @6 w纤锌矿晶体结构是GaN性能的基础，构成了其宽禁带半导体特性的根本。

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0 ], M- \& R! H! _图1展示了GaN的纤锌矿晶体结构，显示了赋予GaN独特性能的六方密堆积(HCP)排列。
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% n9 B) y. U) R0 i: C  `制造工艺
GaN制造始于选择合适的衬底。硅(111)、蓝宝石和碳化硅(SiC)是常见的选择，各具优势。硅衬底因其成本效益和与现有CMOS制造设施的兼容性，在功率应用中备受青睐。制造工艺包含多个关键步骤，从衬底准备到最终器件形成。
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外延生长工艺在GaN器件制造中极为重要。金属有机化学气相沉积(MOCVD)是主要使用的方法，能够精确控制层的形成。该过程从衬底准备开始，随后沉积各种层，包括成核层、缓冲层和势垒层。

6 ]5 \. Z3 T; e! @缺陷管理与控制
GaN制造面临的主要挑战是缺陷管理。由于GaN与衬底之间的晶格失配，穿透位错(TDs)的密度达到约1×10^10 cm^2，问题尤为突出。通过精心设计的低温GaN或AlN中间层序列，缓冲层优化有助于缓解这些问题。

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7 M: `' K2 q7 M8 L/ D! F8 M图2显示了(a)在200毫米GaN-on-Si晶圆上完全加工的正常关断p-GaN栅极HEMT器件，以及(b)相应的工艺流程说明，展示了完整的制造序列。
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% \8 R0 G% H1 K  C! p, H2 @器件加工与制造
5 p8 M3 z# G5 [GaN功率器件的制造工艺涉及多个精密步骤。首先从硅锭开始，将其切割成薄片晶圆。这些晶圆在作为GaN生长衬底之前需要经过精细的清洁和准备。图形制作过程在洁净室环境中进行，通过沉积、旋涂和刻蚀工艺创建纳米级特征。
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图3说明了p-GaN栅极HEMT器件直到欧姆接触模块的工艺流程示意图，展示了关键制造阶段。

: f' }5 F: X2 k& v! M* W先进加工技术
  q$ ~! r# C! c+ X9 D; Z器件加工是GaN技术开发的关键阶段。高电子迁移率晶体管(HEMTs)的制作依赖于在AlGaN和GaN层之间形成二维电子气(2DEG)。这种独特特性使得高性能器件的制造无需传统的掺杂方法。
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4 r5 P- M3 h! K' E9 N图4描绘了从栅极模块到最终钝化的p-GaN栅极HEMT器件工艺流程示意图，展示了完整的器件加工序列。
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! H- o/ S* Q. ?* w2 P离子注入与掺杂
7 X* i8 X& W) {: U- v6 d离子注入在GaN器件制造中发挥着重要作用，特别是在器件隔离和性能增强方面。使用各种掺杂物种时需要仔细考虑其电离能和激活特性。对于n型掺杂通常使用硅，而镁则作为主要的p型掺杂剂。

最终加工与集成
GaN器件加工的最后阶段涉及创建电气接触和互连。这包括形成欧姆接触、栅极结构和场板。该过程以后段工艺(BEOL)步骤结束，其中沉积和图案化多个金属层以创建最终器件结构。

( m$ t7 k4 Z/ \* E+ S质量控制与发展趋势
质量控制和缺陷表征贯穿整个制造过程。采用各种技术，包括光学检查、X射线衍射和电子显微镜，以确保器件质量和可靠性。这些方法有助于识别和解决穿透位错、颗粒和晶圆翘曲等问题。
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" e# p  U; p) T+ H: r9 iGaN技术与现有硅CMOS制造设施的集成带来独特挑战。需要谨慎管理交叉污染控制、晶圆处理和工艺兼容性。尽管存在这些挑战，GaN技术的优势 - 包括更高的开关频率、改进的效率和增加的功率密度 - 持续推动其在电力电子和通信等各种应用中的采用。
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参考文献
[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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