橫向氮化鎵高電子遷移率晶體管(HEMT)在中低功率轉(zhuǎn)換應用領(lǐng)域正呈現(xiàn)強勁增長態(tài)勢。將這一材料體系擴展至更高電壓等級需要器件設計和襯底技術(shù)的創(chuàng)新。本文總結(jié)了臺灣研究團隊在工程襯底上開發(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。當嘗試將該技術(shù)擴展到更高電壓范圍時，會面臨諸多挑戰(zhàn)：GaN與Si之間顯著的熱膨脹系數(shù)(CTE)差異會導致高缺陷密度、晶圓翹曲和薄膜開裂，進而影響器件可靠性和良率，且晶圓直徑越大問題越嚴重。

業(yè)界已提出碳化硅基氮化鎵(GaN-on-SiC)和藍寶石基氮化鎵(GaN-on-sapphire)等替代方案。雖然GaN-on-SiC已商業(yè)應用于射頻和微波領(lǐng)域，但SiC的高成本使其難以在消費級和工業(yè)級功率器件市場實現(xiàn)商業(yè)化。高性價比藍寶石襯底上雖已實現(xiàn)高壓HEMT演示，但其較低的熱導率在高功率應用中存在局限。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?平臺提供了一種無應力、可擴展的解決方案。QST?襯底采用類似絕緣體上硅(SOI)的結(jié)構(gòu)設計：以多晶氮化鋁陶瓷為核心，外覆經(jīng)過特殊設計的復合層及晶體硅(111)氧化層(BOX)，該結(jié)構(gòu)能有效促進GaN/AlGaN外延生長。

該襯底符合SEMI標準且兼容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Fabless設計公司的關(guān)鍵作用，晶圓代工同樣推動著GaN技術(shù)的普及。世界先進(VIS)已成為首家提供200mm QST?襯底650V增強型GaN HEMT代工服務的廠商。此外，Qromis已將襯底技術(shù)授權(quán)給信越化學，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。

實驗采用2μm厚的標準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

為深入分析機理，研究者進行了TCAD仿真。已知陷阱輔助熱場發(fā)射(TA-TFE)會在關(guān)態(tài)高電場(特別是高負柵壓)下引發(fā)HEMT源漏泄漏：柵極下方橫向能帶抬升導致電子-空穴對產(chǎn)生——空穴通過緩沖層位錯陷阱形成，電子則從漏極抽取。當緩沖層空穴生成率較低時，高場下源漏泄漏增量較小;但當空穴濃度因復合增強達到碳摻雜濃度時，碳摻雜抑制泄漏的效果將失效。實驗數(shù)據(jù)校準后的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。研究者認為這是由于QST?襯底位錯密度更低、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)出更窄更強的信號，表明其更優(yōu)的結(jié)晶質(zhì)量;而硅基GaN在可見光波段的強峰可能源于襯底材料的高密度深能級陷阱。

QST?襯底將持續(xù)升級：計劃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籽晶層實現(xiàn)終極晶格匹配。信越化學近期宣布開發(fā)的300mm專用襯底更彰顯QST?技術(shù)對大尺寸GaN制造的支撐能力。