上海微技術(shù)工研院發(fā)布HV600/HV650系列8英寸硅基GaN外延晶圓產(chǎn)品
致力于“超越摩爾”產(chǎn)業(yè)發(fā)展的創(chuàng)新平臺的上海微技術(shù)工業(yè)研究院（SITRI）正式發(fā)布面向量產(chǎn)應(yīng)用的HV600/HV650系列8英寸硅基GaN外延晶圓產(chǎn)品。該晶圓產(chǎn)品具備高晶體質(zhì)量、高材料均勻性、高耐壓與高可靠性等特點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)材料有效壽命超過1百萬小時(shí)，成功解決了困擾硅基GaN材料應(yīng)用的技術(shù)難題，適用于中高壓硅基GaN功率器件的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
相較于傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料，第三代半導(dǎo)體材料GaN具有寬禁帶、高飽和載流子速度、高擊穿電場、耐高溫、抗輻射等突出優(yōu)點(diǎn)，適用于新一代高速度、高效率功率器件制造，在無線充電、快充、云計(jì)算、5G通訊、激光雷達(dá)、新能源汽車等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。與此同時(shí)，硅基GaN材料具有明顯的成本優(yōu)勢，在采用大尺寸硅晶圓作為外延襯底的情況下，可以實(shí)現(xiàn)媲美傳統(tǒng)硅基功率器件的低成本制造。因此，硅基GaN技術(shù)也被認(rèn)為是新型功率電子器件的主流技術(shù)。
上海微技術(shù)工業(yè)研究院功率器件部門從2016年成立，從事面向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的硅基氮化鎵材料與器件開發(fā)。在近期舉行的“第三屆全國新型半導(dǎo)體功率器件及應(yīng)用技術(shù)研討會”上，功率器件部門總監(jiān)袁理博士介紹上海微技術(shù)工業(yè)研究院8英寸硅基GaN外延材料項(xiàng)目的最新進(jìn)展，正式發(fā)布具備高可靠性和均勻性的HV600/HV650系列8英寸硅基GaN外延晶圓產(chǎn)品，獲得了與會者的廣泛關(guān)注和高度評價(jià)。
符合8英寸硅工藝線的外延結(jié)構(gòu)
上海微技術(shù)工業(yè)研究院HV600/HV650系列硅基GaN材料采用低阻的8英寸硅襯底，通過預(yù)應(yīng)變技術(shù)解決硅襯底和GaN的熱失配問題，并根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的外延層結(jié)構(gòu)。
圖1、HV600/HV650系列材料外延結(jié)構(gòu)示意圖
優(yōu)秀的材料質(zhì)量
為滿足600 V/650 V耐壓需要，上海微技術(shù)工業(yè)研究院采用超過4微米的厚膜外延生長技術(shù)。通過優(yōu)化的GaN外延晶體生長控制，解決了GaN與硅材料因晶格失配導(dǎo)致的晶圓翹曲、晶體質(zhì)量缺陷等問題。HV600/HV650系列材料實(shí)現(xiàn)了無龜裂、低翹曲度（≤ ±50 μm）與低表面粗糙度（≤0.3 nm），滿足了8英寸功率器件的量產(chǎn)加工要求。
圖2、HV600/HV650系列材料晶圓翹曲
低缺陷密度
HV600/HV650 采用了優(yōu)化的GaN外延缺陷控制技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)高耐壓厚膜生長的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了低位錯密度與高晶體質(zhì)量，其XRD (002/102)半高寬分別小于400/500 arcsecs。
圖3、HV600/HV650系列材料HRXRD GaN (002)
圖4、HV600/HV650系列材料HRXRD GaN (102)
優(yōu)秀的材料均勻性
HV600/HV650系列產(chǎn)品擁有優(yōu)秀的材料均勻性。8英寸材料外延層厚度、AlGaN勢壘層Al組份的標(biāo)準(zhǔn)方差分別小于0.3%與2%，保證了大尺寸硅基GaN功率器件量產(chǎn)制造時(shí)的高一致性和高良率，克服了硅基GaN器件產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中的瓶頸問題。
圖5、HV600/HV650系列材料外延厚度分布
圖6、HV600/HV650系列材料AlGaN勢壘層Al組份分布
充裕的耐壓性能
面向600 V/650 V中高壓應(yīng)用，HV600/HV650系列產(chǎn)品具有充裕的耐壓能力。以漏電流1 μA/mm2這一業(yè)界嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)作為判據(jù)，HV600/HV650縱向耐壓分別為640/700 V。以同樣嚴(yán)苛的漏電流0.1 μA/mm作為判據(jù)，HV600/HV650在襯底接地時(shí)橫向耐壓為700 V/760 V，在襯底浮空時(shí)橫向耐壓為950 V/1010 V，完全滿足600 V/650 V應(yīng)用需求。
圖7、HV600/HV650系列材料垂直耐壓特性
圖8、HV600/HV650系列材料橫向耐壓特性（襯底接地）
圖9、HV600/HV650系列材料橫向耐壓特性（襯底浮空）
良好的正向?qū)ㄌ匦?/strong>
HV600/HV650系列材料具有良好的正向?qū)ㄌ匦?，其二維電子氣濃度大于9×1012 cm-2、二維電子氣遷移率大于1800 cm2/V·s、方塊電阻小于400 Ω/sq。
圖10、HV600/HV650系列材料方塊電阻分布
高可靠性材料
基于優(yōu)化的硅基GaN外延生長技術(shù)，HV600/HV650系列產(chǎn)品具備優(yōu)秀的材料可靠性。根據(jù)高壓TDDB測試，HV600/HV650系列材料在標(biāo)稱耐壓下，有效壽命大于1,000,000小時(shí)（114年）。
圖11、縱向高壓TDDB測試
與此同時(shí)，HV600/HV650系列材料也具有優(yōu)秀的耐高溫特性。在150 oC及襯底接地的情況下，于600 V/650 V兩款產(chǎn)品橫向漏電分別為0.7與0.6 μA/mm，均小于1 μA/mm。保證了材料在功率器件常用溫區(qū)里的高效率與安全性。
圖12、HV600系列材料高溫下橫向耐壓特性（襯底接地）
圖13、HV650系列材料高溫下橫向耐壓特性（襯底接地）
上海微技術(shù)工業(yè)研究院成功研發(fā)的HV600/HV650系列8英寸硅基GaN外延晶圓產(chǎn)品，突破了硅基GaN器件量產(chǎn)制造的材料瓶頸，在業(yè)界率先實(shí)現(xiàn)了1百萬小時(shí)以上的高可靠性。與此同時(shí)，HV600/HV650系列產(chǎn)品中也擁有6英寸等小尺寸外延晶圓，滿足產(chǎn)業(yè)界對于多種尺寸的硅基GaN外延材料的需求。
團(tuán)隊(duì)介紹
上海微技術(shù)工業(yè)研究院致力于“超越摩爾”技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化。作為全球性的協(xié)同創(chuàng)新中心，上海微技術(shù)工業(yè)研究院功率器件部門于2016年成立，在袁理博士的帶領(lǐng)下從事大尺寸硅基GaN外延材料和器件的研究與開發(fā)。目前，工研院可以提供年產(chǎn)4000片8英寸硅基GaN外延晶圓的能力，產(chǎn)品可用于多種形式GaN功率器件應(yīng)用。與此同時(shí)，工研院構(gòu)建了8英寸“超越摩爾”研發(fā)中試線，可用于MEMS、硅光子、硅基GaN等多種技術(shù)的研發(fā)與中試制造，提供硅基GaN技術(shù)研發(fā)、材料生長、器件制造、檢測驗(yàn)證等一站式服務(wù)，加速“超越摩爾”技術(shù)的研發(fā)與生態(tài)系統(tǒng)的建立。
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