用于AlN襯底上的GaN功率器件的緩沖器

來源：半導(dǎo)體芯科技編譯semiconductor-today

熱膨脹性能越高，生長襯底直徑越大。

比利時和德國的研究人員報告了在200毫米的多晶氮化鋁(poly-AlN)襯底上的氮化鎵(GaN)緩沖結(jié)構(gòu)，其目標(biāo)是>1200V的硬擊穿電源應(yīng)用，如電動汽車[Anurag Vohra et al，Appl. Phys. Lett.，v120，p261902，2022]。使用poly-AlN作為襯底的一個優(yōu)點是，其熱膨脹系數(shù)比其他襯底(如，硅Si(111))，更接近緩沖器中使用的GaN/AlGaN。

據(jù)來自比利時Imec vzw公司、德國Aixtron SE公司以及比利時CMST imec公司和根特大學(xué)的研究小組稱，這為在大直徑襯底上實現(xiàn)更厚的緩沖器結(jié)構(gòu)鋪平了道路，同時保持并實現(xiàn)更高的電壓運行。研究人員使用了Imec專有的反轉(zhuǎn)階梯式超晶格(RSSL)緩沖器方案。他們評論說。"RSSL緩沖方案在應(yīng)力工程方面具有更大的靈活性，因此成為在大尺寸工程襯底上生長厚緩沖結(jié)構(gòu)的更有希望的候選者，這些襯底顯示出與普通硅襯底不同的機械行為。"

研究人員使用了由Qromis公司提供的200毫米工程化聚氮化鋁QST(Qromis Substrate Technology)襯底。外延生長是在Aixtron G5+ C行星反應(yīng)器中進行的。生長襯底包括一個由硅(二)氧化物(SiO)粘合到QST聚鋁上的Si(111)頂層。RSSL緩沖堆(圖1)是在有(Ex C-doped)和沒有特意的碳摻雜情況下生長的。當(dāng)然，在金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)中，一些內(nèi)在的碳摻雜幾乎是不可避免的。例如，人們可以通過調(diào)整生長溫度V/III(N/AlGa)的比例來影響這種內(nèi)在的碳摻入。

這項工作的目的是通過優(yōu)化鋁含量、碳摻雜和緩沖器厚度，最大限度地提高緩沖層堆疊的擊穿電壓。較高的鋁含量應(yīng)增加擊穿的臨界場。在給定的電位下，較厚的緩沖層應(yīng)該在AlN/Si成核界面有一個較低的場。這些層被設(shè)計為管理應(yīng)力，從而避免晶圓過度彎曲。研究人員對來自AlN/Si成核界面的高線程位錯密度感到異常輕松。"缺陷控制并不是本研究的重點，因為人們知道，相反，這些缺陷的大密度實際上可能有助于減少特意碳摻雜緩沖區(qū)的擴散。"

圖1。高電子遷移率晶體管(HEMT)?；趦?nèi)稟(Stack-A和Stack-B)和 外源(Stack-C) C摻雜。Stack-A和Stack-B的緩沖層厚度分別為5.3 ~ 7.4μm到4.8 ~ 6.1μm， Stack-C的厚度為6.8μm。

圖2。(a)測試結(jié)構(gòu)和(b)測量緩沖分散的測試程序。X從-650V到-1200V，取決于堆疊厚度。

低擴散是動態(tài)電源管理的一個關(guān)鍵需求，在這種情況下，器件的性能需要在開關(guān)時與直流操作幾乎相同，并且需要從高電壓應(yīng)力中恢復(fù)。緩沖器的垂直擊穿是在25℃和150℃下測量的。

漏電流密度的目標(biāo)限制分別為1μA/mm2和10μA/mm2。厚度為7.2μm的疊層A達到了超過1200V的目標(biāo)，但正向偏壓和反向偏壓的擊穿電壓是不對稱的，在150℃時相差300V。Stack B在6.1μm的厚度下只能達到約900V的擊穿等級，但該團隊相信，采用這種結(jié)構(gòu)的更厚的7μm堆?？梢赃_到1200V的要求。有利的一面是，性能在正向和反向偏壓之間更加對稱。

研究人員將此歸因于插入了底部的C-GaN和AlGaN夾層。外在的碳摻雜Stack C在正向和反向偏壓下的電流-電壓性能表現(xiàn)出可忽略的差異。研究人員將此歸因于整個晶圓上調(diào)整過的、均勻的碳濃度。對于Stack A和B來說，碳濃度的不均勻性導(dǎo)致晶圓中心部分的故障率低于中間和邊緣區(qū)域。研究小組預(yù)計，通過調(diào)整局部的V/III比例和流動分布，可以看到均勻性的改善。

研究人員更傾向于外在的摻雜方法，并評論道。"通過內(nèi)在摻雜水平來調(diào)整C能級需要對晶體質(zhì)量不利的工藝條件，并大大限制了工藝參數(shù)空間。作為一個首選，碳能級和均勻性可以通過使用一個外部碳能級摻雜源來控制。這允許一個非常寬的工藝窗口，并將非常高的晶體質(zhì)量與為高擊穿而優(yōu)化的碳密度結(jié)合起來，而且?guī)缀鯖]有緩沖區(qū)的擴散。" Stack C在25℃時符合1200V的額定值，但在150℃時在1000-1100V范圍內(nèi)表現(xiàn)出一些故障。

研究人員評論說。"這些突然故障的根本原因還不明白。就目前而言，我們可以排除外在的碳摻雜是這些故障的根源，因為早期的硅基氮化鎵實驗已經(jīng)顯示了器件產(chǎn)量的提高。" 該團隊認為，如果厚度從6.8μm增加到7.2μm，更高的溫度也能滿足150℃下所有測試結(jié)構(gòu)的1200V等級。

二維電子氣體(2DEG)傳輸線法(TLM)結(jié)構(gòu)(圖2)被用來尋找緩沖器的擴散。比較了10秒后門負偏壓之前和之后的電阻，得出擴散。對于堆棧A，擴散的范圍是±25%。對于Stack B，其范圍是±5%，但后門應(yīng)力是-900V而不是-1200V。該小組評論說。"外在的碳摻雜的Stack C顯示出比Stack A的內(nèi)在摻雜的優(yōu)勢，即使在-1200V時，緩沖器的擴散分布也非常窄。" 在25℃和150℃時，Stack C的擴散范圍都低于7%。

RSSL緩沖方案在應(yīng)力工程方面具有更大的靈活性，因此，成為在大尺寸工程襯底上生長厚緩沖結(jié)構(gòu)的更有希望的候選方案，這些襯底顯示出與普通硅不同的機械行為。

審核編輯：湯梓紅