站在“新基建”海潮上的第三代半导体财富 （下）
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外延发展（Epitaxy），是指在原有半导体晶片之上发展出新的半导体晶体层的技能。首要用CVD（Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积）装备，可能MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）装备实现。原有的晶体称为衬底（substrate），发展出的新晶体层称为外延层。 “GaN衬底原料的本钱是限定GaN器件贸易化应用的首要身分。” 因为GaN原料硬度高，熔点高档特征，衬底建造难度高，位错缺陷密度较高导致良率低，技能前进迟钝。因此GaN晶圆的本钱如故居高不下 2005年2寸的GaN衬底片本钱2 万美元，此刻GaN2寸衬底价值如故在3000美元程度。比拟之下，4寸GaAs衬底本钱仅需100-200人民币。 回收外延技能，可以将GaN发展在SiC、Si、蓝宝石、金刚石等其他原料衬底上，有用的办理GaN衬底原料的限定题目。GaNonSiC和GaNonSi是将来的主流技能偏向。
GaNonSi GaN on Si：在Si基板衬底上建造GaN晶体，也能行使和在蓝宝石衬底上发展的低温会萃缓冲层技能，实现与蓝宝石基板上的GaN基内情同的晶体缺陷密度（意会位错密度）。但因为Si基板衬底与GaN性子差别更大，在Si基板上制造时的困难更多的是热膨胀系数差导致的裂纹。GaN与Si的热膨胀系数差较大，因此在发展GaN后举办冷却时会发生很是大的应力，导致有裂纹发生。 GaN on Si外延发展上可回收多层结构防备裂纹：在GaN层与Si基板之间配置AlGaN/GaN多层结构的“形叛变制技能”来防备裂纹。 今朝实现了产物化的GaN功率元件大多是在口径6英寸的Si基板上制造，至少6英寸口径的基板已包办理了裂纹题目。想要进一步低落价值，就必需扩大口径。以比利时微电子研究中心（IMEC）为首，环球正在推进回收8英寸Si基板的GaN开拓。日本英达公司已与Transphorm公司签署了GaN功率元件的前工序出产受托条约，将在日本英达的筑波事宜所导入支持8英寸基板出产的前工序出产线。 海内英诺赛科也宣称实现了8英寸GaN on Si外延发展。
GaN-on-Si将来首要有两条成长路径： 第一是向大功率器件偏向成长，通过体系级封装做成模块化产物。 第二是在中低功率规模SoC化，集成更多被动元件、射频驱动等。业界有厂商已经实现了驱动IC和GaN开关管的集成，进一步低落用户的行使门槛。 今朝主流的GaN技能厂商都在研发以Si为衬底的GaN的器件，晋升外延质量，祈望更换昂贵的SiC衬底。
GaNonSiC GaN on SiC：同样在GaN on SiC上做外延发展必要留意晶格失配和热膨胀不匹配缘故起因造成的裂纹或弯曲，从而影响GaN器件的机能和良率。今朝转移和和谐开释SiC基板上制备GaN外延原料失配应力的要领有：应力协变层技能（包罗缓冲层、柔性层、插入层等）和图形衬底技能。 GaN on SiC外延，SiC衬底散热性更好，并且与氮化镓晶格不匹配题目比Si小。限定在于SiC衬底晶圆的尺寸还做不大，今朝尚未高出6寸。 回收SiC为衬底的GaN外延发展要领示例： MOCVD发展依次将氮化钛层、氮化铝层和氮化镓层沉积在SiC衬底上，空气是以三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基钛(TDEAT)和氨气(NH3)别离作为Ga、Al、Ti和N源，以氢气(H2)为载气。 起首，将SiC衬底置于1200oC回响室举办前烘300s，降温至500oC，通入氨气8000sccm对衬底举办氮化； 然后通入TDEAT三甲基钛气体，流量节制在40sccm，并继承通入氨气8000sccm，时长80s，举办氮化钛沉积，250s举办复兴； 然后通入TMAl三甲基铝气体50sccm，10000sccm氨气，时长100s，举办氮化铝沉积； 最后通入TMGa三甲基镓气体。80sccm，15000sccm氨气，时长150s，举办氮化镓沉积，对回响室空气复兴，完成缓冲层发展。
*各家GaN外延发展要领knowhow纷歧样，属于机要配方 图形衬底技能：对复合缓冲层举办感到耦合等离子体（ICP）刻蚀技能做图形化刻蚀孔形、柱形、条形的一种或多种，并周期性分列，图形由窗口地区和台面地区构成，图形深度小于复合缓冲层厚度，外延发展GaN时，气体原子在台面上回响成核，衬底上被可使的部门即窗口地区，不易成核，膜层沿垂直台面偏向发展，在纵向发展的同时也举办横向发展，跟着厚膜的发展，相邻台面的横向发展地区可以到达归并，当横向发展到达必然水平后氮化镓外延层便能包围整个缓冲层外貌。图形衬底技能操作纵向发展和横向发展的归并，可以低落或克制位错在氮化镓外延层的延长，从而进步氮化镓外延层的晶体质量。 计划 在硅基芯片中，EDA器材跟着摩尔定律一路成长多年，已经形成了相等成熟和极为伟大的一套计划器材。因为CMOS器件工艺尺度化水平极高，EDA器材越发偏重电路级的仿真。 在GaN和SiC芯片规模，计划和仿真更侧重器件级，以及更相同简朴硅基模仿电路，焦点缘故起因是： GaN和SiC的原料特征首要表此刻器件层面，包罗对MOSFET、HEMT等器件布局计划的优化。 GaN和SiC芯片的首要行使场景，包罗RF和Power，都是模仿芯片场景。 GaN和SiC成长较晚，且恒久以来器件的盼望较量迟钝，今朝还没有成长到大局限集成电路阶段。 以GaN射频为例： 无源电路首要用ANSYS的HFSS，Integrand公司旗下的EMX，是德科技旗下的ADS Momentum等仿真器材。 有源电路凡是回收Foundry提供的有源器件model，由于有源电路的仿真精确度较低。 器件物理级此外仿真，最常用的是Synopsis旗下的Sentaurus，包罗器件仿真、制程仿真等成果很是完美。另外，Comsol也是一个优越的仿真器材。但这些仿真根基上只能模仿直流特征。 器件的高频特征，可能说高频model，一样平常都是依靠计划者本身画测试布局，现实测试并提取参数，这样最精确。仿真一样平常只能模仿单个特性频率可能截至频率。 行业领先的GaN/SiC公司如Infineon、Qorvo、GaN Systems、Modelithics也都在起劲开拓本身的计划器材和模子库。 制造 GaN和SiC芯片的制造是财富链的焦点环节。其制造进程与硅基芯片相同，都必要伟大的半导体芯片制造工艺和流程，根基上每一类工艺都对应一种专用的半导体芯片装备，在微米和纳米标准举办制造。 芯片制造环节最重要的是产物良率、出产服从、不变性。因为处理赏罚的原料差异和布局差异，制造装备之间也无法通用。因此，GaN器件、SiC器件都必需成立独立专用的制造产线。 （编辑：湖南网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
