用于AlN衬底上的GaN功率器件的缓冲器

来源：半导体芯科技编译semiconductor-today

热膨胀性能越高，生长衬底直径越大。

比利时和德国的研究人员报告了在200毫米的多晶氮化铝(poly-AlN)衬底上的氮化镓(GaN)缓冲结构，其目标是>1200V的硬击穿电源应用，如电动汽车[Anurag Vohra et al，Appl. Phys. Lett.，v120，p261902，2022]。使用poly-AlN作为衬底的一个优点是，其热膨胀系数比其他衬底(如，硅Si(111))，更接近缓冲器中使用的GaN/AlGaN。

据来自比利时Imec vzw公司、德国Aixtron SE公司以及比利时CMST imec公司和根特大学的研究小组称，这为在大直径衬底上实现更厚的缓冲器结构铺平了道路，同时保持并实现更高的电压运行。研究人员使用了Imec专有的反转阶梯式超晶格(RSSL)缓冲器方案。他们评论说。"RSSL缓冲方案在应力工程方面具有更大的灵活性，因此成为在大尺寸工程衬底上生长厚缓冲结构的更有希望的候选者，这些衬底显示出与普通硅衬底不同的机械行为。"

研究人员使用了由Qromis公司提供的200毫米工程化聚氮化铝QST(Qromis Substrate Technology)衬底。外延生长是在Aixtron G5+ C行星反应器中进行的。生长衬底包括一个由硅(二)氧化物(SiO)粘合到QST聚铝上的Si(111)顶层。RSSL缓冲堆(图1)是在有(Ex C-doped)和没有特意的碳掺杂情况下生长的。当然，在金属有机化学气相沉积(MOCVD)中，一些内在的碳掺杂几乎是不可避免的。例如，人们可以通过调整生长温度V/III(N/AlGa)的比例来影响这种内在的碳掺入。

这项工作的目的是通过优化铝含量、碳掺杂和缓冲器厚度，最大限度地提高缓冲层堆叠的击穿电压。较高的铝含量应增加击穿的临界场。在给定的电位下，较厚的缓冲层应该在AlN/Si成核界面有一个较低的场。这些层被设计为管理应力，从而避免晶圆过度弯曲。研究人员对来自AlN/Si成核界面的高线程位错密度感到异常轻松。"缺陷控制并不是本研究的重点，因为人们知道，相反，这些缺陷的大密度实际上可能有助于减少特意碳掺杂缓冲区的扩散。"

图1。高电子迁移率晶体管(HEMT)栈基于内禀(Stack-A和Stack-B)和 外源(Stack-C) C掺杂。Stack-A和Stack-B的缓冲层厚度分别为5.3 ~ 7.4µm到4.8 ~ 6.1µm， Stack-C的厚度为6.8µm。

图2。(a)测试结构和(b)测量缓冲分散的测试程序。X从-650V到-1200V，取决于堆叠厚度。

低扩散是动态电源管理的一个关键需求，在这种情况下，器件的性能需要在开关时与直流操作几乎相同，并且需要从高电压应力中恢复。缓冲器的垂直击穿是在25℃和150℃下测量的。

漏电流密度的目标限制分别为1µA/mm2和10µA/mm2。厚度为7.2µm的叠层A达到了超过1200V的目标，但正向偏压和反向偏压的击穿电压是不对称的，在150℃时相差300V。Stack B在6.1µm的厚度下只能达到约900V的击穿等级，但该团队相信，采用这种结构的更厚的7µm堆栈可以达到1200V的要求。有利的一面是，性能在正向和反向偏压之间更加对称。

研究人员将此归因于插入了底部的C-GaN和AlGaN夹层。外在的碳掺杂Stack C在正向和反向偏压下的电流-电压性能表现出可忽略的差异。研究人员将此归因于整个晶圆上调整过的、均匀的碳浓度。对于Stack A和B来说，碳浓度的不均匀性导致晶圆中心部分的故障率低于中间和边缘区域。研究小组预计，通过调整局部的V/III比例和流动分布，可以看到均匀性的改善。

研究人员更倾向于外在的掺杂方法，并评论道。"通过内在掺杂水平来调整C能级需要对晶体质量不利的工艺条件，并大大限制了工艺参数空间。作为一个首选，碳能级和均匀性可以通过使用一个外部碳能级掺杂源来控制。这允许一个非常宽的工艺窗口，并将非常高的晶体质量与为高击穿而优化的碳密度结合起来，而且几乎没有缓冲区的扩散。" Stack C在25℃时符合1200V的额定值，但在150℃时在1000-1100V范围内表现出一些故障。

研究人员评论说。"这些突然故障的根本原因还不明白。就目前而言，我们可以排除外在的碳掺杂是这些故障的根源，因为早期的硅基氮化镓实验已经显示了器件产量的提高。" 该团队认为，如果厚度从6.8µm增加到7.2µm，更高的温度也能满足150℃下所有测试结构的1200V等级。

二维电子气体(2DEG)传输线法(TLM)结构(图2)被用来寻找缓冲器的扩散。比较了10秒后门负偏压之前和之后的电阻，得出扩散。对于堆栈A，扩散的范围是±25%。对于Stack B，其范围是±5%，但后门应力是-900V而不是-1200V。该小组评论说。"外在的碳掺杂的Stack C显示出比Stack A的内在掺杂的优势，即使在-1200V时，缓冲器的扩散分布也非常窄。" 在25℃和150℃时，Stack C的扩散范围都低于7%。

RSSL缓冲方案在应力工程方面具有更大的灵活性，因此，成为在大尺寸工程衬底上生长厚缓冲结构的更有希望的候选方案，这些衬底显示出与普通硅不同的机械行为。

审核编辑：汤梓红