GaN从衬底到器件技术的进展

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GaN技术创新概述
& j- l+ _! g2 ~1 E+ Y氮化镓（GaN）技术在电力电子领域取得显著突破，与传统的硅基器件相比，提供更高的效率、更快的开关速度和更高的功率密度。本文探讨GaN技术的主要发展，重点介绍衬底创新、器件架构和集成挑战[1]。

3 o0 U* J+ X9 ]QST?衬底技术突破
/ Y, ?5 x- \$ h: C7 vQST?（QROMIS衬底技术）代表GaN衬底技术的进步。这种衬底采用多晶氮化铝陶瓷核心材料，具有与GaN/AlGaN外延层在宽温度范围内匹配的热膨胀特性。这种匹配防止了GaN外延生长冷却阶段的过度应力和开裂。

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2 M8 `& \. t- J1 d/ R圖1分別展示了多晶氮化铝陶瓷核心材料如何与GaN/AlGaN层的热膨胀相匹配，防止外延生长过程中的晶圆破裂。
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# x: w1 W0 R( V- l# _' ?; X0 ~商用QST?衬底结构包括几个封装层，顶部是二氧化硅键合层和单晶Si(111)层，用于GaN生长成核。这种配置可以制造各种GaN器件，包括100V到2000V范围的功率器件。

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图2显示了商用QST?衬底的横截面及其主要特征。

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图3展示了QST?衬底技术支持的GaN功率器件范围。
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/ f. W: C+ o# Q+ D5 J: SCMOS制造工艺集成
7 L  p# `. `" o, G# j6 ]- `1 IQST?技术的主要优势在于与标准CMOS制造工艺的兼容性。这些衬底在传统CMOS晶圆厂生产，类似于绝缘体上硅（SOI）衬底，实现高良率和高效的处理时间。
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图4分別展示了QST?如何使所有GaN器件能在相同的CMOS友好平台上制造，并突出显示了在传统CMOS晶圆厂的制造流程。

( Q3 T: k. M) W$ {3 ^. y热性能提升
GaN-on-QST?器件的热性能显著优于传统的GaN-on-Si器件。对比研究表明，GaN-on-QST? HEMT的峰值沟道温度比GaN-on-Si对应器件低32.5°C。
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图5显示了GaN热导率与位错密度的关系，证明了GaN-on-QST?相比GaN-on-Si具有更优越的热性能。

" x/ I8 f! O- ~* ?, X* P; o* Z( \大尺寸晶圆开发
0 a; g7 b  X, G7 }4 gGaN技术向更大晶圆尺寸的扩展是另一个重要发展。业界已成功展示了具有优异电气特性均匀性和晶圆翘曲控制的300mm GaN-on-silicon晶圆。

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图6分別展示了300mm GaN-on-silicon晶圆上2DEG片电阻的分布和实现的阈值电压均匀性分布。
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( s5 _; y& N5 w: C& h0 F先进器件架构
, o( @; N$ n" `在功率应用方面，先进器件架构促进了E型GaN MOSHEMT的发展。这些器件采用高k栅介质和先进加工技术，实现卓越性能。

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$ |- G% B9 d4 E5 Z' r# E6 d  ^图7展示了E型GaN MOSHEMT的示意图。

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( K% K/ D0 Z- o' t" r, W图8比较了各种ALD高k栅介质的漏电特性和等效氧化物厚度。

未来集成与发展
) N3 z% N% u$ m9 Z' j: [' M6 N与硅CMOS技术的集成代表着GaN技术最具发展潜力的方向。目前已开发出多种方法，包括通过晶圆键合和单片集成实现的异质集成。

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9 n; {# t/ k7 ]9 {2 H" S' Y& H图9展示了GaN和Si CMOS集成的不同方法。

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图10显示了集成的GaN MOSHEMT和Si PMOS器件以及CMOS反相器结构的TEM显微照片。

结论
GaN技术的未来发展在于在保持高性能和可靠性的同时实现经济高效的解决方案。先进封装技术和单片集成方法的发展将继续推动这一领域的创新。这些进展使功率电子、射频系统和集成电路等领域能够充分利用GaN的独特特性。
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随着技术日趋成熟，GaN器件将在消费电子到工业电力系统等各种应用中得到更广泛采用。衬底技术、器件架构和集成方法的持续发展将在确立GaN作为下一代电子系统主流半导体技术中发挥关键作用。
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参考文献
+ D- _$ R2 O3 b[1] P. Le Fèvre et al., "Challenges and Future Trends," in GaN Technology Materials, Manufacturing, Devices and Design for Power Conversion, M. Di Paolo Emilio, Ed. Cham: Springer Nature Switzerland AG, 2024, ch. 7, pp. 293-345.
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