氮化镓GaN器件基础：制造技术、发展历史和未来市场

GaN 半导体是未来节能电动汽车和 5G 网络的关键组成部分。总部位于瑞典隆德的初创公司 Hexagem 正在瑞典研究机构RISE 测试平台 ProNano开发一种解决方案，旨在为更大的电气化和可持续的未来做出贡献。

Hexagem 首席执行官 Mikael Björk 和 RISE 高级项目经理 Michael Salter 指出了这种合作的重要性，这将导致 Hexagem 的技术在未来的能源应用中得到实施。

“他们已经在研究实验室中小规模地展示了他们的技术，但现在他们正在我们的实验室将工艺转移到更大体积的更大晶片尺寸上，以尝试扩大技术规模，”Salter 说。

“ProNano 为我们提供的优势是 Hexagem 可以使用最先进的设施和工具，特别是能够生产 6 英寸晶圆的 MOCVD 1，”Björk 说。“通常，这类工具很难让初创公司自己融资。此外，RISE 人员在 GaN 材料、加工和表征方面拥有丰富的经验。”

行业

随着降低 CO 2 排放的社会压力和法规的增加，从汽车到电信等行业部门正被推动投资于更高效的电力转换和更多电气化。传统的硅基功率半导体技术，如绝缘栅双极晶体管(IGBT)，在工作频率和速度方面存在基本限制，以及高温和低电流性能较差。高压 Si FET 的频率和高温性能同样受到限制。因此，WBG 半导体在许多应用中变得越来越流行。

GaN 功率半导体作为下一代高性能 EV 的关键部件，正获得越来越多的关注，有助于减小尺寸和重量，同时提高效率。这些考虑解决了与范围有关的问题。工程师可以使用 GaN 来创建比 Si 基系统更小、更轻 4 倍、能量损失少 4 倍的电力电子系统。零反向恢复可减少电池充电器和牵引逆变器的开关损耗，以及更高的频率和更快的开关速率等优点。此外，降低开关导通和关断损耗有助于减少用于 EV 充电器和逆变器等应用的电容器、电感器和变压器的重量和体积。

氮化镓晶圆

下一代节能半导体将有助于为可持续的未来创造新的解决方案。从长远来看，这意味着更少的二氧化碳排放，从而改善全球变暖。许多机构的预测表明，到 2050 年，用电量将增加到 200 TWh 以上，这是一个需要在设计层面加以关注的高数字。

半导体基板，或者更确切地说是晶片，其目标是控制电流和整个终端设备的性能。圆形晶圆被切割成邮票大小的碎片，封装在包含数百万个晶体管的微芯片中。

大多数半导体由硅制成，但正在开发不同的变体以满足能源应用对更高效率的需求。例如，在一辆汽车中，需要 1000 多个芯片，而且这个数字很可能会增长。半导体的未来发展将允许通过促进集成来包含更多晶体管。

Hexagem 开发在硅晶片上使用氮化镓的半导体。Hexagem 的高品质 GaN-on-silicon 开发活动旨在降低未来应用的成本和规模优势。他们正在寻找更高的额定电压要求。根据 Hexagem 的说法，所提供的技术将通过利用现有基础设施来降低成本。

GaN-on-Si技术在发展方面的口碑并不好。它有其挑战，由于 GaN 和 Si 之间的原子尺度界面上的材料特性不匹配，因此生长 GaN-on-Si 并不容易。

“该技术的关键优势和挑战将是提供更低的缺陷密度和增加的 GaN 厚度，以实现 900-1200V 功率器件，”Björk 说。

制造组织越来越依赖他们同时设计产品和供应链的能力。GaN-on-Si 的主要优势之一是它是在硅衬底上制造的，因此它现在是 150 毫米宽，并计划扩大到 200 毫米，大多数反应器都可以容纳这两者。

在半导体外延材料制造过程中，会产生位错，即材料中的缺陷。半导体中的缺陷越多，可以在晶片上生产的可用器件就越少，这会增加成本。此外，不良的材料界面会导致更高的器件通道电阻，从而导致更多的能量在运行过程中被浪费，从而降低芯片的能效。

“我们已经安装并运行了一个 MOCVD 反应器，用于在硅晶片上生长 GaN 材料，”Salter 说。“我们正在投资这种设备和基础设施，这需要额外的设备和专业的工艺设施，如气体和冷却水。生长具有低缺陷密度的 GaN 材料是氮化镓面临的最大挑战之一应用，以及在沉积过程中控制材料质量。在沉积过程中控制基础材料和掺杂剂浓度允许在器件级实现低电阻器件接触。这也会影响器件可以承受的击穿电压类型和电流水平。此外，在半导体材料和器件触点之间具有良好的界面有助于优化制造器件的电气性能。”

RISE 测试和演示设施 ProNano 提供各种基础设施来帮助加快启动测试，而无需在昂贵的设备上花费大量资金。纳米线是使用 ProNano 的金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 技术制造的，可在硅晶片上产生薄的氮化镓层。晶圆在各个层面都经过处理和确认，以产生氮化镓纳米线可以“生长”的图案，然后结合在一起形成高质量的薄外延层。然后在电子显微镜下检查晶片以检查其质量。

Hexagem 表示，目前 GaN-on-silicon 半导体每平方厘米有 1 亿个缺陷。“这将是 10 8 cm -2数量级的位错密度。当今最先进的 GaN-on-Si 晶圆为中高 10 8 cm -2，”Björk 说。Hexagem 相信我们可以显着提高材料质量，很快就会接近每平方厘米 1000 万个缺陷，从而超越竞争对手。

“缺陷通常是导致非状态泄漏的位错，”Björk 补充道。“借助 Hexagem 技术，我们能够分两步减少位错;首先，通过生长 GaN 纳米线来过滤 GaN 缓冲位错，其次，通过将线仔细合并成平面 GaN 层来控制新位错的形成。”

垂直晶圆

目标是拥有更大的晶圆或生产更厚的垂直氮化镓半导体。根据 Hexagem 的说法，如今两到四微米厚的层很常见。他们的目标是在 2022 年生产出 10 微米厚的解决方案。

“更大的晶圆意味着通过增加每个晶圆的设备数量来提高规模经济，”Björk 说。“缺点是在较大晶圆上控制晶圆弯曲通常更困难。较厚的 GaN 层将使器件具有更高的额定电压，这对于解决 900-1200V 器件市场非常重要。它还将支持垂直设备设计，这将带来一些好处，例如将电压缩放与设备占用空间解耦。Hexagem 旨在为 1200V 器件设计开发高质量的硅基 GaN，并将该技术授权给工业合作伙伴。”

Hexagem 表示，其技术允许电流在晶圆平面上垂直流动，而不是水平流动。这减小了组件的尺寸，但更重要的是，它可以处理更高的电流和电压。

半导体加工

如上所述，MOCVD(金属有机化学气相沉积)是由具有大带隙的半导体材料制造晶体管的主要程序。特定气体(或蒸汽)在特定温度和压力下在 MOCVD 系统中流过基板表面。顶层以这种方式“发展”成晶体结构，一次一个原子层，跨越多个层。该技术被称为外延或晶体生长。为了创建 3D 纳米结构(例如纳米线)，可以在衬底的整个表面或衬底的选定部分上生长层。

可以使用 MOCVD 工艺在不同材料的衬底上生长外延层，例如硅、碳化硅、氮化镓、金刚石或蓝宝石。材料具有不同程度的难于获得很少的晶体缺陷。

接下来，通过半导体制造常见的附加处理步骤(例如光刻、蚀刻或金属或绝缘体沉积)来创建晶片晶体管和其他电子元件。最后，将完成的晶圆切割成邮票大小的小块，封装在电子封装中，进行测试，然后沿着供应链发送给三星、沃尔沃、苹果和爱立信，最后进入微处理器在手机或汽车中。

在硅上制造 GaN 晶圆的主要阶段是衬底清洗，然后是在清洁环境中进行图案生长，以及在图案生长过程中进一步清洁衬底。下一步是通过 MOCVD 外延制造 GaN 半导体。根据特定的技术需要，将基板放入 MOCVD 室中，以生成不同组合的 GaN、AlGaN 或 InGaN 的晶体层。之后，使用电子显微镜检查材料，并进行测试以验证材料的导电性和其他性能。