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Si衬底GaN基功率电子材料及器件的研制
2018-02-07
摘要:第三代半导体材料GaN由于具有众多优异的物理特性,非常适合制备高温、高频、大功率电子器件,具有很好的应用前景。由于缺乏优质的GaN同质衬底,而Si衬底具备尺寸大、价格低、工艺成本低廉等优点,使得其成为适合商用GaN功率器件生长的理想衬底。目前,采用Si上生长GaN材料这一技术路线制备功率电子器件,已经成为业界的共识。而这一技术的路线最大的挑战就是Si衬底GaN外延生长应力调控技术、高耐压技术和导通电阻稳定性控制技术。我们成功地制备了无裂纹、低翘曲、高导通、均一性好、耐压高的2英寸到8英寸的Si衬底GaN外延片,外延材料满足650V功率器件的要求,并在6英寸CMOS产线上成功开发出650V、200mΩ的功率FETs器件。
关键词:GaN,Si衬底,外延生长,功率电子器件

Fabrication of GaN/Si based power material and devices
Luo Ruihong, NI Yiqiang
Sinopower Semiconductor co., Ltd, SuZhou,215000, China
Abstract:GaN material has become the research focus, due to its several excellent physical characteristics, which is more suitable for fabricating high-voltage, high-speed and high-power electronic devices. Due to the lack of native GaN substrate, GaN grown on Si is becoming the most promising solution, owing to its low cost, large size and ability to be integrated with mature Si-based processing techniques. Recently, the industry has reached a consensus on using the GaN/Si technique route for fabricating the GaN power electronic devices. Primarily, the key technology for epitaxy of GaN based materials on silicon substrate is stress control, high breakdown voltage technique and Rds,on stability control technique. We have successfully achieved a crack-free 2-8inch GaN/Si epi-wafers with low warpage, high conductivity, high uniformity and high breakdown, which meet the requirements of the 650V power device. With the material above, a 650V/200mΩ FETs device was fabricated based on 6inch CMOS compatible process.
Keywords:GaN, Si substrate, Epitaxy, power devices,
 
1引言  
              以GaN为代表的III族氮化物材料具有宽禁带、高电子饱和漂移速度、高电子迁移率、高临界场强、高导热性等众多优异的物理特性,使得其成为十分理想的功率电子材料。与传统Si材料相比,基于GaN功率电子材料制备的功率开关器件拥有更高的功率密度输出,以及更高的能量转换效率,并可以使系统小型化、轻量化,有效降低电力电子装置的体积和重量,从而极大降低系统制作及生产成本。在全球大力推广节能减排的今天,对GaN功率电子材料与器件的研究意义就显得十分重大。它将在消费类电子、云服务、大数据、光伏发电、新能源汽车等领域有着巨大的市场应用前景。
              到目前为止,GaN功率电子材料以及基于该材料制备的功率开关器件在国际上之所以能在如此短时间内得以产业化,其原因一方面要归因于GaN功率电子材料的性能优势以及半导体照明高速发展所带动的不断成熟的GaN材料产业,而另一方面原因则要归因于学术界和工业界都基本达成了“采用了Si衬底上外延生长GaN材料这一技术路线制备GaN功率开关器件”的共识。
2 Si衬底GaN基材料的特性与优势
              GaN材料之所以能在功率电子器件领域得到广泛的应用,主要是因为GaN材料所拥有的两个重要特性:禁带宽度大(3.4eV),临界击穿场强高(3 MV/cm)。GaN材料大的禁带宽度,使得其制备的功率器件可以在没有复杂设计的散热装置的辅助下正常工作,这样可以大幅降低电力电子设备的体积和成本。又因为击穿电场强度与能带的平方成正相关,GaN材料的击穿电压理论上可达到大于3 MV/cm的水平,远大于Si和GaAs。此外,GaN材料同时还拥有非常卓越的电子传输特性,其中包括更高的迁移率,更大的饱和漂移速度。这些使其非常适合用于制作功率电子器件。
              由于适合商用的GaN同质衬底的出现尚需时日,此时异质外延的衬底的选择就显的非常重要了。它不仅需要具有非常低的热膨胀系数以及与GaN薄膜生长时较小的晶格失配。同时,它还需要能承受在高温环境下(1000℃左右)不与生长所用化学物质(NH3或H2)反应的特性。在这样的一系列苛刻条件限制下,蓝宝石衬底(Sapphire)和碳化硅(SiC)被研究人员选中并开展了广泛的研究。
              随着外延生长设备和生长工艺水平的长足进步,人们开始将注意力转向Si衬底上GaN的异质生长。Si衬底有明显的低价格优势,同时还具有导热性好,晶片尺寸大(商用级别最大达到300mm)以及与现有标准Si基CMOS生产工艺兼容,从而可以大幅度降低器件制作成本,为大规模工业化量产提供了保障。从这个角度,Si材料是最佳的异质衬底选择。
3 国内外产业发展现状
              鉴于人们对GaN材料及其在功率电子器件领域的优异性能的预期,自2000年以后,GaN功率开关器件的研发得到了国际上各发达国家政府的高度重视。
              在材料生长方面,国际上关于Si衬底上GaN材料的异质外延技术最早开始于上个世纪90年代末期,已经开展了十多年的时间,取得了很大的进展,Si衬底上GaN材料的晶体质量不断提高,晶片尺寸不断增大,晶片直径从早年的2英寸[1]、4英寸[2]、5英寸[3]发展到2007年6英寸Si上GaN外延生长被成功实现[4]。到2014年,8英寸Si上GaN外延生长也被成功实现[5]。目前6英寸Si衬底上GaN外延是产业界的广泛使用的主要规格。

 
 
 
图1a. GaN器件可以适用于超过67%的功率器件市场(来源于Yole development)
Fig 1a. 67% of the power device market is suitable for use with GaN on Si devices (source form Yole development)



图1b. 2013-2015年全球及中国功率器件市场规模(数据来源CCID Consulting 2016.02)
Fig 1b. Global and China market size in 2013-2015 (sources from CCID Consulting 2016)



图1c. Si基功率电子材料及器件的发展历程
Fig 1c. development history of GaN/Si based power electronic material and devices
 

              在器件制备方面,随着Si衬底上GaN功率电子材料质量的日趋完善,国际上对使用GaN功率电子材料制备功率开关器件开始给予极大的重视。因为这是一个非常庞大的市场,GaN器件可以适用于超过67%的功率器件市场(图1a)。2015年全球功率器件市场规模达到了380亿美金,而中国市场就达到了202亿美金,占全球市场的67%(图1b)。在GaN功率电子器件发展中(图1c),2010年被誉为GaN功率电子器件元年,随着巨额研究资金的大量涌入,GaN功率电子器件的发展得到了长足的进步。美国的IR(International Rectifier)公司[6]和EPC公司[7]率先将200V以下的GaN功率电子器件进行产业化制造。其中IR的GaN商用集成功率级器件产品采用倒装芯片封装平台,这带来了比硅集成功率级器件产品高出2倍以上的开关频率以及更高的效率。接下来美国的Transphorm公司在2012年的时候,率先在市场上推出600V耐压水平的GaN功率开关器件产品,并在第二年就获得了严苛的JEDEC标准认证(Joint Electron Device Engineering Council)[8]。日本松下公司与加拿大的风险投资公司GaN System在2014年分别向市场推出了600V和650V耐压等级的GaN功率开关器件。2015年3月12日,英飞凌公司宣布与日本松下公司就共同开发GaN功率电子器件达成协议。该协议宣布将松下的硅基GaN常关型功率电子器件与英飞凌公司的表贴(SMD)封装技术结合应用。这意味着两家公司均可以生产高性能的GaN器件。 据国际著名半导体资讯调查机构Yole development报道[9],以英飞凌(Infineon)为代表的全球顶尖的排名前20位的功率电子器件厂商有超过八成的企业开展了GaN功率器件的研发工作(图2)。
 


图2. 2011年功率电子器件公司收益世界排名(前23位),图中蓝色箭头表示进入GaN功率电子器件领域的公司,棕黄色表示进入了SiC功率电子器件领域的公司[9]
Fig 2.Top-23 2011 POWER Company Revenues
 

              国内方面关于Si衬底GaN功率电子材料及器件的研发工作相对于国外起步相对较晚, 13所、55所、中科院微电子研究所、西安电子科技大学等单位先期开展了GaN基微波放大器件的相关工作。在Si衬底外延方面,南昌大学、13所、55所半导体所和中山大学先期开展了许多前瞻性的工作。南昌大学江风益研究组早在2004年就开始了Si衬底GaN外延生长的研究工作[10]。是国内最早开展相关研究的单位,他们定位于Si衬底GaN基LED的关键技术的研发。另外,13所[11]、55所[12]、半导体所[13]、随后相继开展了Si衬底GaN外延的工作,主要定位在微波放大器用GaN基高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)的研究。中山大学在2007年就开始了相关外延工作,除了定位Si衬底GaN基LED应用外[14],同时也瞄准了GaN基的功率开关器件的应用方向研究。关于大尺寸、高耐压GaN材料外延及器件产业发展方面,国内近几年出现风险投资公司相继涉足,如苏州能讯、苏州晶湛、江苏能华(科能芯)、东莞中镓、南通清华同方、南京诺德新能源、苏州捷芯威等;同时Si衬底GaN功率开关器件也得到了一些传统Si 基功率电子器件企业的重视,如杭州士兰微电子、深圳方正微电子、上海新傲科技、重庆中航微电子、华润上华等,研发工作在有序地进行当中。2016年5月,大丰集团、国广资本携手科研力量强劲的北大光电研究院、中山大学以及产业经验丰富的中镓半导体、彩虹蓝光共同组建了江苏华功半导体有限公司,进军氮化镓产业。
4 Si衬底GaN基功率电子材料生长及器件的挑战
目前无论是产业界还是学术界,都有大量的文献报道Si上GaN材料在功率电子器件,尤其是在高压大功率电子器件方面的研究和应用。尽管如此,Si上GaN功率电子器件的全面产业化,仍然面临着几项关键难点技术。
4.1. 大尺寸Si衬底GaN异质外延技术
              虽然Si衬底上生长GaN晶体材料有明显的低价格、大尺寸、易与产业CMOS平台兼容等优势,但是实现高质量的异质衬底材料外延,难度是十分巨大的。原因主要来自于衬底Si和异质外延材料GaN之间的晶格常数失配(Lattice Mismatch)和热膨胀系数失配(Thermal Expansion Coefficient Mismatch,TEC)都十分巨大[15],分别达到了16.9%和56%(图8.a)。晶格常数失配将在外延层中引入大量的位错,热膨胀系数失配将使外延片在生长结束降温过程中形成应力的积累,发生翘曲,严重时外延层产生龟裂,而且这种翘曲和龟裂随着衬底尺寸的增大而变得愈发严重(图3)。



图 3. 三族氮化物(GaN、AlN、InN)与常规衬底(Si、SiC、蓝宝石)之间在热膨胀系数(TEC)和面内晶格常数之间的相互关系图[15](上图),Si衬底GaN外延材料的翘曲、龟裂示意图(下图)
Fig 3. Thermal expansion coefficient of III-nitride and common substrates as a function of lattice constant (in plane)(upper); Schematic of warpage and crack of GaN on Si.
 
 
              为了解决Si衬底上GaN异质外延时存在的应力问题,研究人员开发出了图形沉底选区生长法[16]、缓冲层技术[3,17]以及插入层技术[18][19]等一系列方法。以上的方法均可以达到提供压应力以平衡Si衬底GaN中的张应力使得系统趋于应力平衡的目的,但各自都有各自的缺点。而目前广泛采用的是缓冲层技术。
              4.2. 高耐压技术
              对于功率器件来说,器件的耐压特性是最重要的指标之一。为了保证器件耐压指标的提升必须满足两个必要条件,一是通过器件终端结构设计调整器件中的电场分布使之更加均匀,从而提高器件的耐压、降低漏电流,二是GaN晶体材料本身具有高耐压低漏电的能力。     
              一种有效的降低漏电流的方法就是控制GaN外延材料中的杂质。第一,可以通过提高受主杂质的浓度来补偿材料中的施主杂质(例如C[20]、Mg[21]、Fe[22]等)。目前广泛采用的是C自动掺杂技术,即在GaN材料中引入C杂质,来补偿材料中非故意引入的背景施主杂质[20,23-27]。第二,可以通过试图降低材料中的施主杂质来增加GaN材料的高阻特性,从而提高材料和器件的耐压能力。另外,一种有效的降低漏电流的方法是降低材料中的位错[18]。这一点可以通过应力工程生长厚膜GaN,以及引入缺陷过滤层来实现提高晶体质量,降低位错的目的。
              然而,上述方法也存在其局限性,为了进一步提高耐压,需要通过增加外延层厚度的方法提高外延材料的纵向耐压能力。通过增加Si衬底上氮化物缓冲层的厚度,可以使得最上层的异质结有源区远离Si衬底及Si/AlN界面,从而达到提高材料纵向击穿电压的目的。例如名古屋工业大学的Egawa小组,就将缓冲层厚度生长到9微米,从而将位错密度降到109cm-2以下,从而获得了高达1800V的材料耐压[2]。德国Krost小组将外延层厚度生长到15微米,将材料的晶体质量(002)半峰宽降到252arcsec的水平,同时耐压达到1500V以上[18]。总而言之,Si衬底GaN材料的高电压/低漏电技术是Si上GaN功率电子材料制备关键技术之一。
      4.3. 导通电阻稳定性控制技术
              所谓器件导通电阻稳定性问题是GaN基开关功率器件的开启电阻在动态开关过程中发生改变并超过了静态时的数值,从而导致器件输出电流下降的一种现象。该现象是GaN基功率电子器件所特有的一种现象,业内人士还称之为“电流崩塌”[28]。该现象会导致器件性能不稳定,严重影响器件的可靠性。导通电阻稳定性问题产生的原因是开关器件用于导通的电子载流子,在高压关态的时间间隔内,被沟道下方缓冲层中的缺陷或杂质相关的深能级陷阱束缚住了[29]。当在开态时间间隔内,这些被束缚住的电子不能及时被释放回导电沟道中,从而影响器件沟道在开态时的导通能力。由缓冲层杂质引起的器件导通电阻稳定性的控制技术的研究,直接决定了GaN功率电子器件能否达到商用化标准。这也是目前Si衬底GaN功率电子领域需要突破的一个关键技术。
5 华功半导体GaN功率电子材料和器件的研发进展
通过采用AlGaN渐变缓冲层及超晶格缓冲层的复合技术,我们成功制备了从2英寸到8英寸光滑无龟裂的用于制备功率开关器件的GaN/Si外延材料,外延片的均一性和可重复性较好,达到产业化的基本要求。如图4所示为2-8英寸GaN/Si外延片的实物照片,图5为外延片的翘曲(小于30μm),图6和7分别表明外延材料的厚度均匀性和Al组分均匀性都控制在一个较为优异的水平。此外,GaN/Si外延片异质结构的方块电阻可低至约350Ω/□,具有良好的导通能力。为了满足高压的应用,我们开发出的6英寸GaN/Si外延材料在1μA/mm2时垂直耐压高达850V,如图8所示。这种低漏电高耐压的外延材料表明我们生长的GaN/Si外延片已达到650V功率器件的研发标准。

 

图4. 用于制备功率器件的2-8英寸GaN/Si外延片
Fig 4. 2-8inch GaN/Si epi-wafer for power switching applications


图5. 翘曲小于30微米
Fig5. Bow less than 30μm


图6. 厚度均匀性控制在Std Dev=0.389%
Fig 6. Thickness uniformity Std Dev=0.389%


图7. 6寸Al组分均匀性 σ=1.6%
Fig7. 6inch wafer Al% uniformity σ=1.6%

图8. 6英寸外延片垂直耐压和漏电:850V@1μA/mm2
Fig 8.vertical breakdown and leakage of 6inch epi-wafer: 850V@1μA/mm2
 
 
           基于以上Si基GaN外延材料,我们在6英寸CMOS产线上成功地实现了大电流高耐压的GaN功率FETs器件的制备,电压等级达650V,导通电阻为200mΩ,如图9所示,达到了商用器件的水平。如图10为华功半导体650V的GaN功率FETs器件的实物图。基于上述材料外延技术和器件制备工艺,下一步我们将重点瞄准常关型GaN功率器件的开发。

 



图9. GaN功率FETs器件的输出特性(a)和耐压水平(b)
Fig9. The output properties and breakdown behaviors of GaN power FETs device.


图10. 650V、200mΩ的GaN功率FETs器件
Fig10. 650V/200mΩ GaN power FETs device.
 
 
6.    总结与展望
              由于GaN具备优越的材料性能,相比传统硅材料,更适合制备高温、高频、大功率电子器件。而由于缺乏优质的GaN同质衬底,Si衬底的尺寸大、价格低、工艺成本低廉等优点,使得其成为适合商用GaN材料生长的理想衬底。目前,采用Si上生长GaN材料这一技术路线制备功率电子器件,已经成为业界的共识。我们成功地制备了无裂纹、低翘曲、高导通、均一性好、耐压高的2英寸到8英寸的Si衬底GaN外延片,外延材料满足650V功率器件的要求,并在6英寸CMOS产线上开发出650V、200mΩ的FETs器件。
随着硅衬底氮化镓外延技术发展,大尺寸Si衬底GaN异质外延技术、高耐压低漏电技术相继迈上了一个新的里程碑。与此同时,采用Si上生长GaN材料这一技术路线制备的功率电子器件也相继进入商用化阶段,相信随着Si基氮化镓器产业链日趋完善及成熟,GaN功率器件将打开一个全新的功率电子器件新纪元。

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