橫向氮化鎵高電子遷移率晶體管(HEMT)在中低功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用領(lǐng)域正呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長態(tài)勢。將這一材料體系擴(kuò)展至更高電壓等級(jí)需要器件設(shè)計(jì)和襯底技術(shù)的創(chuàng)新。本文總結(jié)了臺(tái)灣研究團(tuán)隊(duì)在工程襯底上開發(fā)1500V擊穿電壓(BV)GaN HEMT器件的研究成果。

Qromis襯底技術(shù)(QST?)

硅基氮化鎵(GaN-on-Si)是目前商用功率HEMT器件的首選技術(shù)，其主流最高工作電壓范圍目前為650V及以下。當(dāng)嘗試將該技術(shù)擴(kuò)展到更高電壓范圍時(shí)，會(huì)面臨諸多挑戰(zhàn)：GaN與Si之間顯著的熱膨脹系數(shù)(CTE)差異會(huì)導(dǎo)致高缺陷密度、晶圓翹曲和薄膜開裂，進(jìn)而影響器件可靠性和良率，且晶圓直徑越大問題越嚴(yán)重。

業(yè)界已提出碳化硅基氮化鎵(GaN-on-SiC)和藍(lán)寶石基氮化鎵(GaN-on-sapphire)等替代方案。雖然GaN-on-SiC已商業(yè)應(yīng)用于射頻和微波領(lǐng)域，但SiC的高成本使其難以在消費(fèi)級(jí)和工業(yè)級(jí)功率器件市場實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。高性價(jià)比藍(lán)寶石襯底上雖已實(shí)現(xiàn)高壓HEMT演示，但其較低的熱導(dǎo)率在高功率應(yīng)用中存在局限。而理想的原生GaN-on-GaN技術(shù)則受限于大尺寸GaN襯底的匱乏。

Qromis開發(fā)的GaN-on-QST?平臺(tái)提供了一種無應(yīng)力、可擴(kuò)展的解決方案。QST?襯底采用類似絕緣體上硅(SOI)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：以多晶氮化鋁陶瓷為核心，外覆經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的復(fù)合層及晶體硅(111)氧化層(BOX)，該結(jié)構(gòu)能有效促進(jìn)GaN/AlGaN外延生長。

該襯底符合SEMI標(biāo)準(zhǔn)且兼容CMOS工藝線。其核心優(yōu)勢在于熱膨脹系數(shù)與GaN在寬溫域內(nèi)(包括高溫外延生長及后續(xù)冷卻過程)完美匹配，這使得器件既能通過增加外延層厚度提升耐壓，又可實(shí)現(xiàn)大尺寸晶圓制造。正如硅基CMOS技術(shù)發(fā)展中代工模式對(duì)Fabless設(shè)計(jì)公司的關(guān)鍵作用，晶圓代工同樣推動(dòng)著GaN技術(shù)的普及。世界先進(jìn)(VIS)已成為首家提供200mm QST?襯底650V增強(qiáng)型GaN HEMT代工服務(wù)的廠商。此外，Qromis已將襯底技術(shù)授權(quán)給信越化學(xué)，任何擁有產(chǎn)線的GaN企業(yè)均可采購。

1500V耐壓GaN-on-QST?器件

本研究在QST?襯底的氮化鋁成核層上方采用了超晶格(SL)緩沖層結(jié)構(gòu)(圖1)。與傳統(tǒng)硅襯底相比，QST?襯底允許使用更薄且質(zhì)量更優(yōu)的緩沖層，從而提升器件熱電性能。

實(shí)驗(yàn)采用2μm厚的標(biāo)準(zhǔn)AlN/GaN超晶格層。超晶格上方的高阻碳摻雜GaN層(GaN:C)作為緩沖層組成部分，其厚度在1-3μm間調(diào)整以研究對(duì)擊穿電壓的影響。

制備的耗盡型(d-mode)MIS-HEMT器件閾值電壓為-12.7V。圖2對(duì)比了器件關(guān)態(tài)特性與傳統(tǒng)硅基GaN器件的差異，可得出以下結(jié)論：

? GaN:C層增厚可提升擊穿電壓，3μm樣品實(shí)現(xiàn)1500V耐壓(總緩沖層厚度5μm=SL+GaN:C)

? 相同耐壓下QST?襯底緩沖層可減薄1μm以上(以1200V為例)

? QST?襯底能增強(qiáng)GaN:C層效能，同等厚度下尤其在高壓段可獲得更高耐壓

為深入分析機(jī)理，研究者進(jìn)行了TCAD仿真。已知陷阱輔助熱場發(fā)射(TA-TFE)會(huì)在關(guān)態(tài)高電場(特別是高負(fù)柵壓)下引發(fā)HEMT源漏泄漏：柵極下方橫向能帶抬升導(dǎo)致電子-空穴對(duì)產(chǎn)生——空穴通過緩沖層位錯(cuò)陷阱形成，電子則從漏極抽取。當(dāng)緩沖層空穴生成率較低時(shí)，高場下源漏泄漏增量較小;但當(dāng)空穴濃度因復(fù)合增強(qiáng)達(dá)到碳摻雜濃度時(shí)，碳摻雜抑制泄漏的效果將失效。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)后的TCAD TA-TFE模型仿真結(jié)果見圖3-4。

圖4顯示QST?器件的泄漏電流隨漏壓增加幾乎無變化。研究者認(rèn)為這是由于QST?襯底位錯(cuò)密度更低、GaN晶體質(zhì)量更優(yōu)，使碳摻雜緩沖層效能提升，從而降低陷阱密度和泄漏電流。

5K低溫光致發(fā)光(PL)光譜分析驗(yàn)證了仿真與電性能結(jié)果：QST?樣品在360nm GaN特征峰表現(xiàn)出更窄更強(qiáng)的信號(hào)，表明其更優(yōu)的結(jié)晶質(zhì)量;而硅基GaN在可見光波段的強(qiáng)峰可能源于襯底材料的高密度深能級(jí)陷阱。

QST?襯底將持續(xù)升級(jí)：計(jì)劃2025年推出的第二代產(chǎn)品將采用SiC替代Si作為籽晶層以降低外延晶格失配，涵蓋6/8英寸晶圓規(guī)格;后續(xù)還將采用GaN籽晶層實(shí)現(xiàn)終極晶格匹配。信越化學(xué)近期宣布開發(fā)的300mm專用襯底更彰顯QST?技術(shù)對(duì)大尺寸GaN制造的支撐能力。