SITRI发布8英寸硅基GaN外延晶圆产品 解决了困扰硅基GaN材料应用技术难题

2017年12月，致力于“超越摩尔”产业发展的创新平台的上海微技术工业研究院（SITRI）正式发布面向量产应用的HV600/HV650系列8英寸硅基GaN外延晶圆产品。该晶圆产品具备高晶体质量、高材料均匀性、高耐压与高可靠性等特点，同时实现材料有效寿命超过1百万小时，成功解决了困扰硅基GaN材料应用的技术难题，适用于中高压硅基GaN功率器件的产业化应用。

相较于传统半导体材料，第三代半导体材料GaN具有宽禁带、高饱和载流子速度、高击穿电场、耐高温、抗辐射等突出优点，适用于新一代高速度、高效率功率器件制造，在无线充电、快充、云计算、5G通讯、激光雷达、新能源汽车等领域具有广泛的应用前景。与此同时，硅基GaN材料具有明显的成本优势，在采用大尺寸硅晶圆作为外延衬底的情况下，可以实现媲美传统硅基功率器件的低成本制造。因此，硅基GaN技术也被认为是新型功率电子器件的主流技术。

上海微技术工业研究院功率器件部门从2016年成立，从事面向产业化应用的硅基氮化镓材料与器件开发。在近期举行的”第三届全国新型半导体功率器件及应用技术研讨会”上，功率器件部门总监袁理博士介绍上海微技术工业研究院8英寸硅基GaN外延材料项目的最新进展，正式发布具备高可靠性和均匀性的HV600/HV650系列8英寸硅基GaN外延晶圆产品，获得了与会者的广泛关注和高度评价。

符合8英寸硅工艺线的外延结构

上海微技术工业研究院HV600/HV650系列硅基GaN材料采用低阻的8英寸硅衬底，通过预应变技术解决硅衬底和GaN的热失配问题，并根据应用需求选择合适的外延层结构。

图1：HV600/HV650系列材料外延结构示意图

优秀的材料质量

为满足600 V/650 V耐压需要，上海微技术工业研究院采用超过4微米的厚膜外延生长技术。通过优化的GaN外延晶体生长控制，解决了GaN与硅材料因晶格失配导致的晶圆翘曲、晶体质量缺陷等问题。HV600/HV650系列材料实现了无龟裂、低翘曲度（≤ ± 50 μm）与低表面粗糙度（≤ 0.3 nm），满足了8英寸功率器件的量产加工要求。

图2：HV600/HV650系列材料晶圆翘曲

低缺陷密度

HV600/HV650 采用了优化的GaN外延缺陷控制技术，在实现高耐压厚膜生长的同时，实现了低位错密度与高晶体质量，其XRD (002/102)半高宽分别小于400/500 arcsecs。

图 3：HV600/HV650系列材料HRXRD GaN (002)

图 4：HV600/HV650系列材料HRXRD GaN (102)

优秀的材料均匀性

HV600/HV650系列产品拥有优秀的材料均匀性。8英寸材料外延层厚度、AlGaN势垒层Al组份的标准方差分别小于0.3%与2%，保证了大尺寸硅基GaN功率器件量产制造时的高一致性和高良率，克服了硅基GaN器件产业化应用中的瓶颈问题。

图 5：HV600/HV650系列材料外延厚度分布

图 6：HV600/HV650系列材料AlGaN势垒层Al组份分布

充裕的耐压性能

面向600 V/650 V中高压应用，HV600/HV650系列产品具有充裕的耐压能力。以漏电流1 μA/mm²这一业界严苛标准作为判据，HV600/HV650纵向耐压分别为640/700 V。以同样严苛的漏电流0.1 μA/mm作为判据，HV600/HV650在衬底接地时横向耐压为700 V/760 V，在衬底浮空时横向耐压为950 V/1010 V，完全满足600 V/650 V应用需求。

图 7：HV600/HV650系列材料垂直耐压特性

图 8：HV600/HV650系列材料横向耐压特性（衬底接地）

图 9：HV600/HV650系列材料横向耐压特性（衬底浮空）

良好的正向导通特性

HV600/HV650系列材料具有良好的正向导通特性，其二维电子气浓度大于9x10^12 cm^(-2)、二维电子气迁移率大于1800cm²/V·s、方块电阻小于400 Ω/sq。

图 10：HV600/HV650系列材料方块电阻分布

高可靠性材料

基于优化的硅基GaN外延生长技术，HV600/HV650系列产品具备优秀的材料可靠性。根据高压TDDB测试，HV600/HV650系列材料在标称耐压下，有效寿命大于1,000,000小时（114年）。

图 11：纵向高压TDDB测试

与此同时，HV600/HV650系列材料也具有优秀的耐高温特性。在150 oC及衬底接地的情况下，于600 V/650 V两款产品横向漏电分别为0.7与0.6 μA/mm，均小于1 μA/mm。保证了材料在功率器件常用温区里的高效率与安全性。

图12：HV600系列材料高温下横向耐压特性（衬底接地）

图13：HV650系列材料高温下横向耐压特性（衬底接地）

上海微技术工业研究院成功研发的HV600/HV650系列8英寸硅基GaN外延晶圆产品，突破了硅基GaN器件量产制造的材料瓶颈，在业界率先实现了1百万小时以上的高可靠性。与此同时，HV600/HV650系列产品中也拥有6英寸等小尺寸外延晶圆，满足产业界对于多种尺寸的硅基GaN外延材料的需求。