用于电气化的下一代 GaN发展，第二部分

在半导体外延材料制造过程中，会产生位错，即材料中的缺陷。半导体中的缺陷越多，可以在晶片上生产的可用器件就越少，这会增加成本。此外，不良的材料界面会导致更高的器件通道电阻，从而导致更多的能量在运行过程中被浪费，从而降低芯片的能效。

“我们已经安装并运行了一个 MOCVD 反应器，用于在硅晶片上生长 GaN 材料，”Salter 说。“我们正在投资这种设备和基础设施，这需要额外的设备和专业的工艺设施，如气体和冷却水。生长具有低缺陷密度的 GaN 材料是氮化镓面临的最大挑战之一应用，以及在沉积过程中控制材料质量。在沉积过程中控制基础材料和掺杂剂浓度允许在器件级实现低电阻器件接触。这也会影响器件可以承受的击穿电压类型和电流水平。此外，在半导体材料和器件触点之间具有良好的界面有助于优化制造器件的电气性能。”

RISE 测试和演示设施 ProNano 提供各种基础设施来帮助加快启动测试，而无需在昂贵的设备上花费大量资金。纳米线是使用 ProNano 的金属有机化学气相沉积 (MOCVD) 技术制造的，可在硅晶片上产生薄的氮化镓层。晶圆在各个层面都经过处理和确认，以产生氮化镓纳米线可以“生长”的图案，然后结合在一起形成高质量的薄外延层。然后在电子显微镜下检查晶片以检查其质量。

Hexagem 表示，目前 GaN-on-silicon 半导体每平方厘米有 1 亿个缺陷。“这将是 10 8 cm -2数量级的位错密度。当今最先进的 GaN-on-Si 晶圆为中高 10 8 cm -2，”Björk 说。Hexagem 相信我们可以显着提高材料质量，很快就会接近每平方厘米 1000 万个缺陷，从而超越竞争对手。

“缺陷通常是导致非状态泄漏的位错，”Björk 补充道。“借助 Hexagem 技术，我们能够分两步减少位错;首先，通过生长 GaN 纳米线来过滤 GaN 缓冲位错，其次，通过将线仔细合并成平面 GaN 层来控制新位错的形成。”

垂直晶圆

目标是拥有更大的晶圆或生产更厚的垂直氮化镓半导体。根据 Hexagem 的说法，如今两到四微米厚的层很常见。他们的目标是在 2022 年生产出 10 微米厚的解决方案。

“更大的晶圆意味着通过增加每个晶圆的设备数量来提高规模经济，”Björk 说。“缺点是在较大晶圆上控制晶圆弯曲通常更困难。较厚的 GaN 层将使器件具有更高的额定电压，这对于解决 900-1200V 器件市场非常重要。它还将支持垂直设备设计，这将带来一些好处，例如将电压缩放与设备占用空间解耦。Hexagem 旨在为 1200V 器件设计开发高质量的硅基 GaN，并将该技术授权给工业合作伙伴。”

Hexagem 表示，其技术允许电流在晶圆平面上垂直流动，而不是水平流动。这减小了组件的尺寸，但更重要的是，它可以处理更高的电流和电压。

半导体加工

如上所述，MOCVD(金属有机化学气相沉积)是由具有大带隙的半导体材料制造晶体管的主要程序。特定气体(或蒸汽)在特定温度和压力下在 MOCVD 系统中流过基板表面。顶层以这种方式“发展”成晶体结构，一次一个原子层，跨越多个层。该技术被称为外延或晶体生长。为了创建 3D 纳米结构(例如纳米线)，可以在衬底的整个表面或衬底的选定部分上生长层。

可以使用 MOCVD 工艺在不同材料的衬底上生长外延层，例如硅、碳化硅、氮化镓、金刚石或蓝宝石。材料具有不同程度的难于获得很少的晶体缺陷。

接下来，通过半导体制造常见的附加处理步骤(例如光刻、蚀刻或金属或绝缘体沉积)来创建晶片晶体管和其他电子元件。最后，将完成的晶圆切割成邮票大小的小块，封装在电子封装中，进行测试，然后沿着供应链发送给三星、沃尔沃、苹果和爱立信，最后进入微处理器在手机或汽车中。

在硅上制造 GaN 晶圆的主要阶段是衬底清洗，然后是在清洁环境中进行图案生长，以及在图案生长过程中进一步清洁衬底。下一步是通过 MOCVD 外延制造 GaN 半导体。根据特定的技术需要，将基板放入 MOCVD 室中，以生成不同组合的 GaN、AlGaN 或 InGaN 的晶体层。之后，使用电子显微镜检查材料，并进行测试以验证材料的导电性和其他性能。