氮化镓(GaN)是一种宽带隙(WBG)半导体材料，具有优异的电子迁移率、高电流密度和高击穿电压。这些特性使其能够开发出高效、高输出功率的器件，应用范围涵盖消费电子、汽车和工业电源系统。在硅(Si)衬底上生长GaN(硅基氮化镓)是一种极具吸引力的解决方案，因为它结合了GaN优异的材料特性和硅在制造上的可扩展性。

本文概述了GaN的材料特性，重点阐述了其相对于硅(Si)、碳化硅(SIC)和砷化镓(GaAs)等传统材料的优势。同时，文章将深入探讨硅基氮化镓晶圆的制造，从硅衬底的选择到GaN三维纳米结构的构建。

为什么选择GaN?

经济动因推动着系统简化，尤其是在承担成本者可以利用现有工具处理复杂性时。手机、消费类充电器和汽车等设备都是通过采用宽带隙技术而变得更小、更薄、更轻，并最终更加精简的实例。

GaN的特性从根本上对功率电子学有利：高电子迁移率、高电流密度和高击穿电压，使得能够制造高频下工作的高效、高功率器件。与Si、SiC和GaAs相比，GaN分子更小，显示出更高的效率和更高的功率-电压输出。

设计人员可采用多种GaN解决方案，包括：

分立增强型GaN晶体管

与低压硅mosfet级联的高压耗尽型GaN器件

以及一系列集成GaN解决方案

然而，GaN在独立晶圆技术方面尚未得到充分发展。

GaN材料的优势

GaN是一种宽带隙材料，电子会从价带跃迁到导带。GaN的带隙为3.4 eV，远高于Si的1.2 eV带隙。4H-SiC的带隙为3.2 eV。GaN可以在更高温度下工作，从而提高了使用GaN HEMT的转换器的潜在功率密度。GaN衬底的热导率为1.3 W/cm·℃，低于Si(1.5 W/cm·℃)和SiC(4.9 W/cm·℃)。

如表1所示，GaN的击穿电场高达3.3 MV/cm，是Si(0.3 MV/cm)的11倍。这意味着GaN层可以比Si晶圆的外延层薄11倍，同时仍能承受相同的电压。此外，GaN层具有更低的电阻率，从而降低了导通电阻(RoN)[1]。GaN还具有高沟道迁移率(高达2000 cm²/V·s)和高饱和速度(2.5 × 10⁷ cm/s)，这两者都有助于降低RoN。

表1

根据Yole集团的预测，预计到2029年GaN将实现6%的复合年增长率(CAGR)，GaN PowerMOS器件的市场份额主要集中在150毫米和200毫米晶圆上。大规模300毫米GaN晶圆制造可能在2027年实现。

硅衬底(111)取向

如今，硅晶圆(纯度达"11个9"的技术)可用于绝大多数器件应用。GaN采用硅晶圆作为衬底材料，因为它适用于多种尺寸的晶圆，从小直径到300毫米。然而，GaN与Si之间存在较大的晶格失配和热膨胀系数(CTE)差异，这需要采用技术来控制应力和缺陷密度。

解决这些问题始于硅衬底的选择，即根据晶体取向选择晶圆。由于GaN晶体具有六重对称性，具有三重表面对称性的硅(111)晶面是生长的首选。在此表面上，GaN的晶体轴(c轴)垂直于硅表面平面生长，即(0001)AlN平行于(111)Si。

这种晶体取向要求带来了供应链挑战。硅(100)晶体取向的晶圆占据市场主导地位，占需求量的90%以上。硅(111)晶体对GaN生长至关重要，但其产量不到硅晶圆总产量的10%(图1)。

用于(111)晶体的硅晶圆衬底规格包括小直径和300毫米，其发展可总结如表2。

如表2所示，硅衬底的主要客户趋势是：要么需要低电阻率，要么需要高电阻率。低电阻率硅晶圆通常用于功率MOS，氧含量(Oi)值范围很广，从极低的5 ppma到高达30 ppma(旧ASTM标准)。另一种硅晶圆配置要求非常高的电阻率范围和较低的氧含量(低于10 ppma，旧ASTM标准)。这类晶圆通常用于射频应用和光电子学。

表2

硅晶圆厚度

晶圆厚度直接影响硅基氮化镓器件的机械稳定性。GaN和硅之间的热失配与晶格失配在加工过程中会产生显著的应力，导致晶圆翘曲和潜在的破裂。更厚的衬底能更好地抵抗这些力的作用，提供更强的结构支撑。

客户已经找到了采用标准晶圆厚度的解决方案，以节约成本并实现更高效的结构。主要方法之一是在硅衬底上沉积更薄的缓冲层。这很可能是一些客户使用标准SEMI厚度晶圆(如150毫米晶圆为625 µm，200毫米晶圆为725 µm，300毫米晶圆为775 µm)而无需为了控制晶格而加固结构的关键原因。其他客户可能需要厚度从1000 µm到1500 µm的晶圆。

硅晶圆边缘

硅晶圆的边缘轮廓在GaN沉积过程中变得至关重要，因为整个晶圆表面(包括边缘)都会经历热应力和机械应力。边缘几何形状影响晶圆在加工过程中的变形方式。

可能需要结合外延堆叠来考虑所提供晶圆的形状(凸面/凹面)，以便在GaN工艺后获得最佳的翘曲/弯曲组合。高水平的晶圆变形似乎是客户关注的主要问题之一，在文献[2][3]中已有充分报道。

硅晶圆掺杂剂

硅衬底中掺杂剂的选择会影响最终GaN器件的电学行为，特别是漏电流和击穿特性。功率应用和射频应用对电阻率的要求差异很大。

到目前为止，大多数用于GaN的(111)晶体衬底的硅晶圆使用硼掺杂的p型硅。在有限的情况下需要n型掺杂剂;此时，对于高电阻率要求，主要使用磷掺杂。使用砷或磷掺杂可以实现低电阻率范围。

衬底选择

最后是衬底的选择。与其他用于沉积GaN的衬底相比，硅仍然很重要。例如，SiC与GaN的晶格失配小，热膨胀系数低，因此很容易在SiC上实现高质量的GaN外延生长。然而，由于SiC衬底成本高昂，其应用仅限于高功率射频器件，并且需要严格的热管理。

GaN制备

金属有机化学气相沉积(MOCVD)

金属有机化学气相沉积(MOCVD)能够实现外延层的生长，即使在有缺陷的衬底上也可以。MOCVD中使用的衬底材料包括Si、SiC、GaN、金刚石或蓝宝石。这些材料在实现制造大带隙晶体管所需的晶体质量方面提出了不同的挑战。

顶层经过外延工艺处理，一层原子一层原子地"生长"成晶体结构，跨越多个层次。

传统的制备方法是在晶格失配的衬底(如Si、蓝宝石或SiC)上使用MOCVD生长GaN薄膜。镓源和氮源分别是三甲基镓(TMG)和氨气(NH₃)。MOCVD工艺中通常不使用等离子体。

构建纳米结构

为了构建如纳米线之类的三维纳米结构，可以在整个衬底表面或选定区域上生长层。不同组合的GaN、AlGaN或InGaN晶体层将在MOCVD反应室中生长。

此外，硅在与镓接触时容易发生反应，这使得在硅衬底上生长GaN变得困难。这个问题可能会减少提高生产率和加速规模化应用的机会。SiC因其高热导率和低本征载流子密度而成为更好的衬底选择。

一种替代方案是制备一个晶格匹配的衬底用于后续GaN生长，并通过等离子体浸没离子注入结合快速热退火来合成器件级GaN。这种新颖的方法利用宽离子冲击能量分布和多种注入电压，形成展宽的氮深度分布和非晶表面[3][4]。

总结

与Si相比，GaN半导体具有更优越的特性(高电子迁移率、高电流密度、高击穿电压)。这些特性使得GaN成为跨行业高效、高功率电子器件的理想选择。

由于GaN在独立晶圆技术上尚未完全成熟，它通常使用硅晶圆作为衬底。(111)硅晶体取向是GaN生长的首选，尽管其占硅晶圆总需求量的比例不到10%。

挑战来自于GaN与Si之间的晶格失配和热膨胀系数差异，这可以通过使用更厚的硅晶圆或更薄的缓冲层等技术来解决。(111)晶体的客户趋势显示，要么需要低电阻率(用于功率MOS)，要么需要非常高电阻率(用于射频和光电子学)的晶圆。p型(硼掺杂)硅最常见，但有时也使用n型(磷掺杂)硅。

制备GaN薄膜的标准方法是在不匹配的衬底(如Si、蓝宝石或SiC)上使用MOCVD。使用硅衬底时的一个关键挑战是硅容易与镓发生反应，这可能会限制生产效率和规模化应用。