西電郝躍院士團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)硅與GaN器件的晶圓級(jí)單片異質(zhì)集成

2020年7月，實(shí)驗(yàn)室關(guān)于硅和氮化鎵異質(zhì)集成芯片的相關(guān)研究成果在國(guó)際半導(dǎo)體器件權(quán)威期刊IEEETransactions on Electron Devices上發(fā)表，郝躍院士團(tuán)隊(duì)的張家祺博士和張葦杭博士為本論文的共同第一作者，張春福教授為論文的通訊作者。國(guó)際半導(dǎo)體行業(yè)著名雜志《Semiconductor Today》及時(shí)對(duì)成果進(jìn)行了跟蹤報(bào)道，受到國(guó)內(nèi)外業(yè)界的關(guān)注。

《Semiconductor Today》總部位于英國(guó)，是國(guó)際半導(dǎo)體行業(yè)著名雜志和網(wǎng)站，專(zhuān)注于報(bào)道國(guó)際半導(dǎo)體領(lǐng)域的重要研究進(jìn)展和最新行業(yè)動(dòng)態(tài)，具有很強(qiáng)的行業(yè)影響力?！禨emiconductor Today》指出：中國(guó)西安電子科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“轉(zhuǎn)印與自對(duì)準(zhǔn)刻蝕技術(shù)”有效地實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)的異質(zhì)集成，有望將多種不同的功能材料如硅、氮化鎵等集成在晶圓級(jí)的單片上，以此為基礎(chǔ)制造的器件及集成電路理論上具有更加多樣強(qiáng)大的功能與更高的集成度。基于所研發(fā)的低成本轉(zhuǎn)印與自對(duì)準(zhǔn)刻蝕新技術(shù)，西安電子科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)硅與氮化鎵單片異質(zhì)集成的增強(qiáng)型共源共柵晶體管,取得了硅和氮化鎵晶圓級(jí)單片異質(zhì)集成新突破。該新技術(shù)避免了昂貴復(fù)雜的異質(zhì)材料外延和晶圓鍵合的傳統(tǒng)工藝技術(shù)，有望成為突破摩爾定律的一條有效技術(shù)路徑。

氮化鎵高功率器件在電力電子領(lǐng)域中受到越來(lái)越多的關(guān)注，在汽車(chē)電子、機(jī)電控制、光伏產(chǎn)業(yè)和各類(lèi)電源系統(tǒng)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。電力電子器件更加需要常關(guān)態(tài)增強(qiáng)型氮化鎵功率器件，但由于異質(zhì)結(jié)二維電子氣形成原因，一般的氮化鎵器件主要是耗盡型的。一種可行的方案是由一個(gè)增強(qiáng)型硅晶體管與一個(gè)耗盡型氮化鎵晶體管級(jí)聯(lián)組成共源共柵型增強(qiáng)型氮化鎵器件，這種結(jié)構(gòu)擁有穩(wěn)定的正閾值電壓并且與現(xiàn)有的柵驅(qū)動(dòng)電路相兼容。此外，由于硅MOS結(jié)構(gòu)的引入使得共源共柵氮化鎵器件具有更大的與驅(qū)動(dòng)電路兼容的柵壓擺幅。

然而，如何實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)單片集成Si-GaN共源共柵晶體管是一個(gè)十分困難的問(wèn)題，因?yàn)檫@涉及到兩種完全不同的半導(dǎo)體材料集成在同一個(gè)晶圓上。郝躍院士團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地提出了一種轉(zhuǎn)印和自對(duì)準(zhǔn)刻蝕方法，并首次實(shí)現(xiàn)了晶圓級(jí)的Si-GaN單片異質(zhì)集成的共源共柵晶體管。這項(xiàng)技術(shù)和方法有望實(shí)現(xiàn)多種材料的大規(guī)模異質(zhì)集成并基于此制造功能多樣化的器件和電路，避免了昂貴且復(fù)雜的材料異質(zhì)共生技術(shù)或晶圓鍵合工藝。通過(guò)轉(zhuǎn)印和自對(duì)準(zhǔn)刻蝕的新技術(shù)，使得硅器件與氮化鎵器件的互連距離縮短至100μm以下，僅為傳統(tǒng)鍵合線長(zhǎng)度的5%。據(jù)估算，新型的共源共柵晶體管可以比傳統(tǒng)鍵合方法減少98.59%的寄生電感。Si-GaN單片異質(zhì)集成的共源共柵晶體管的閾值電壓被調(diào)制為2.1V，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)型器件。該器件柵壓擺幅在柵漏電低于10-5mA/mm的范圍內(nèi)達(dá)到了±18V。經(jīng)過(guò)大量器件測(cè)試和可靠性試驗(yàn)后，芯片之間的性能具有良好的一致性，這充分證明了轉(zhuǎn)印和自對(duì)準(zhǔn)刻蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)單片集成共源共柵晶體管的巨大潛力和優(yōu)勢(shì)。