半導體芯科技 - 【芯聞時譯】用於AlN襯底上的GaN功率器件的緩衝器－鑽石舞台

來源：半導體芯科技編譯semiconductor-today

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熱膨脹性能越高，生長襯底直徑越大。比利時和德國的研究人員報告了在200毫米的多晶氮化鋁(poly-AlN)襯底上的氮化鎵(GaN)緩衝結構，其目標是>1200V的硬擊穿電源應用，如電動汽車[Anurag Vohra et al，Appl. Phys. Lett.，v120，p261902，2022]。使用poly-AlN作為襯底的一個優點是，其熱膨脹係數比其他襯底（如，硅Si(111)），更接近緩衝器中使用的GaN/AlGaN。

據來自比利時Imec vzw公司、德國Aixtron SE公司以及比利時CMST imec公司和根特大學的研究小組稱，這為在大直徑襯底上實現更厚的緩衝器結構鋪平了道路，同時保持並實現更高的電壓運行。研究人員使用了Imec專有的反轉階梯式超晶格（RSSL）緩衝器方案。

他們評論說。"RSSL緩衝方案在應力工程方面具有更大的靈活性，因此成為在大尺寸工程襯底上生長厚緩衝結構的更有希望的候選者，這些襯底顯示出與普通硅襯底不同的機械行為。" 研究人員使用了由Qromis公司提供的200毫米工程化聚氮化鋁QST（Qromis Substrate Technology）襯底。外延生長是在Aixtron G5+ C行星反應器中進行的。生長襯底包括一個由硅（二）氧化物（SiO）粘合到QST聚鋁上的Si（111）頂層。RSSL緩衝堆（圖1）是在有（Ex C-doped）和沒有特意的碳摻雜情況下生長的。當然，在金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）中，一些內在的碳摻雜幾乎是不可避免的。例如，人們可以通過調整生長溫度V/III（N/AlGa）的比例來影響這種內在的碳摻入。

這項工作的目的是通過優化鋁含量、碳摻雜和緩衝器厚度，最大限度地提高緩衝層堆疊的擊穿電壓。較高的鋁含量應增加擊穿的臨界場。在給定的電位下，較厚的緩衝層應該在AlN/Si成核界面有一個較低的場。這些層被設計為管理應力，從而避免晶圓過度彎曲。研究人員對來自AlN/Si成核界面的高線程位錯密度感到異常輕鬆。"缺陷控制並不是本研究的重點，因為人們知道，相反，這些缺陷的大密度實際上可能有助於減少特意碳摻雜緩衝區的擴散。"

△圖1。高電子遷移率晶體管(HEMT)棧基於內稟(Stack-A和Stack-B)和外源(Stack-C) C摻雜。Stack-A和Stack-B的緩衝層厚度分別為5.3 ~ 7.4µm到4.8 ~ 6.1µm， Stack-C的厚度為6.8µm。

低擴散是動態電源管理的一個關鍵需求，在這種情況下，器件的性能需要在開關時與直流操作幾乎相同，並且需要從高電壓應力中恢復。緩衝器的垂直擊穿是在25℃和150℃下測量的。漏電流密度的目標限制分別為1µA/mm2和10µA/mm2。厚度為7.2µm的疊層A達到了超過1200V的目標，但正向偏壓和反向偏壓的擊穿電壓是不對稱的，在150℃時相差300V。Stack B在6.1µm的厚度下只能達到約900V的擊穿等級，但該團隊相信，採用這種結構的更厚的7µm堆棧可以達到1200V的要求。有利的一面是，性能在正向和反向偏壓之間更加對稱。研究人員將此歸因於插入了底部的C-GaN和AlGaN夾層。外在的碳摻雜Stack C在正向和反向偏壓下的電流-電壓性能表現出可忽略的差異。

研究人員將此歸因於整個晶圓上調整過的、均勻的碳濃度。對於Stack A和B來說，碳濃度的不均勻性導致晶圓中心部分的故障率低於中間和邊緣區域。研究小組預計，通過調整局部的V/III比例和流動分布，可以看到均勻性的改善。研究人員更傾向於外在的摻雜方法，並評論道。"通過內在摻雜水平來調整C能級需要對晶體質量不利的工藝條件，並大大限制了工藝參數空間。作為一個首選，碳能級和均勻性可以通過使用一個外部碳能級摻雜源來控制。這允許一個非常寬的工藝窗口，並將非常高的晶體質量與為高擊穿而優化的碳密度結合起來，而且幾乎沒有緩衝區的擴散。" Stack C在25℃時符合1200V的額定值，但在150℃時在1000-1100V範圍內表現出一些故障。

研究人員評論說。"這些突然故障的根本原因還不明白。就目前而言，我們可以排除外在的碳摻雜是這些故障的根源，因為早期的硅基氮化鎵實驗已經顯示了器件產量的提高。" 該團隊認為，如果厚度從6.8µm增加到7.2µm，更高的溫度也能滿足150℃下所有測試結構的1200V等級。二維電子氣體（2DEG）傳輸線法（TLM）結構（圖2）被用來尋找緩衝器的擴散。比較了10秒後門負偏壓之前和之後的電阻，得出擴散。對於堆棧A，擴散的範圍是±25%。對於Stack B，其範圍是±5%，但後門應力是-900V而不是-1200V。該小組評論說。"外在的碳摻雜的Stack C顯示出比Stack A的內在摻雜的優勢，即使在-1200V時，緩衝器的擴散分布也非常窄。" 在25℃和150℃時，Stack C的擴散範圍都低於7%。