[技術(shù)前沿]異質(zhì)集成氧化鎵：下一代高性能功率半導(dǎo)體器件的新基石
功率半導(dǎo)體器件作為高效電能控制和轉(zhuǎn)換裝置的核心器件，從其誕生之初，便作為電力電子技術(shù)的“幕后英雄”持續(xù)有助于人類社會蓬勃開展。從個人電腦到數(shù)據(jù)中心，從電動汽車到鐵路運(yùn)輸，再到日益成長的風(fēng)電、光伏等新興能源產(chǎn)業(yè)，功率半導(dǎo)體在電力生產(chǎn)、傳輸、儲能和日常應(yīng)用全鏈條發(fā)揮著重要作用。
近年來，隨著全球氣候變化和能源價格增長，能源利用效率正成為電子設(shè)備更新迭代的關(guān)鍵指標(biāo)，主導(dǎo)電子設(shè)備電能轉(zhuǎn)換的高性能功率器件也因此愈發(fā)受到社會關(guān)注。據(jù)預(yù)測，未來全球80%的電能都將經(jīng)由以功率半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的電力電子設(shè)備進(jìn)行處理，先進(jìn)功率半導(dǎo)體技術(shù)因此成為各國競相開展的關(guān)鍵戰(zhàn)略方向之一。
隨著中國在雙碳戰(zhàn)略、能源電子等相關(guān)領(lǐng)域的持續(xù)投入，功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)已進(jìn)入實(shí)質(zhì)性快速開展階段。在有助于現(xiàn)有硅基、碳化硅基功率器件技術(shù)國產(chǎn)替代之外，布局先進(jìn)技術(shù)自主創(chuàng)新已成為我國功率半導(dǎo)體進(jìn)一步開展的重要方向和搶占未來國際市場的重要策略。功率半導(dǎo)體開展主要圍繞器件工藝、集成和材料迭代升級這一主線，其中半導(dǎo)體材料的革新對于行業(yè)具有顛覆性影響。以碳化硅、氮化鎵、氧化鎵為代表的（超）寬禁帶半導(dǎo)體相比于傳統(tǒng)硅材料在開關(guān)效率、尺寸、頻率等功率器件關(guān)鍵性能指標(biāo)上優(yōu)勢明顯；其中，氧化鎵具有能帶更寬、耐壓更強(qiáng)、功耗更低等優(yōu)勢，有望有助于功率器件變革和升級換代?；诩夹g(shù)成熟度和潛在成本優(yōu)勢，業(yè)界普遍認(rèn)為氧化鎵是最有希望快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的超寬禁帶半導(dǎo)體材料，全球主要研究組織以及龍頭半導(dǎo)體企業(yè)已開始提前布局氧化鎵功率半導(dǎo)體技術(shù)。特別地，美國等國家近年來相繼對氧化鎵相關(guān)技術(shù)進(jìn)行出口管制；我國也在政策上高度重視氧化鎵技術(shù)，將其列入“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、中國工程院戰(zhàn)略性新材料以及多省市重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。開展氧化鎵相關(guān)技術(shù)，對于我國在功率半導(dǎo)體技術(shù)上取得國際領(lǐng)先具有重要意義，也是我國順利獲得自主創(chuàng)新引領(lǐng)未來功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的重要戰(zhàn)略機(jī)遇。
氧化鎵功率半導(dǎo)體的優(yōu)勢與局限
相較于傳統(tǒng)硅材料以及碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體，基于氧化鎵的功率半導(dǎo)體器件在高壓、體積、功耗等關(guān)鍵器件指標(biāo)方面優(yōu)勢突出。在電學(xué)特性方面，憑借其超寬帶隙特性（4.8 ～
5.1 eV），氧化鎵的擊穿場強(qiáng)理論上可以達(dá)到8 MV/cm，是硅的20倍以上，氮化鎵的2.5倍、碳化硅的3倍多；同時，氧化鎵功率器件品質(zhì)因子（如直流低損耗Baliga品質(zhì)因子等）明顯優(yōu)于碳化硅、氮化鎵等。因此，在功率器件上使用氧化鎵可顯著提升器件輸出電流密度和功率密度，有望有助于下一代高壓大功率電子設(shè)備的快速開展。在材料制備方面，氧化鎵單晶可基于相對簡單的技術(shù)合成，其缺陷密度相較碳化硅晶圓低至少3個數(shù)量級，可有效提升后續(xù)產(chǎn)品良率。同時，大尺寸氧化鎵晶圓制備技術(shù)正在快速開展，現(xiàn)在國際上已突破6英寸晶圓尺寸，低成本、大尺寸晶圓技術(shù)有望成為氧化鎵行業(yè)爆發(fā)拐點(diǎn)。
盡管氧化鎵半導(dǎo)體優(yōu)勢突出，但其應(yīng)用于功率器件仍面臨材料熱導(dǎo)率偏低的難題，嚴(yán)重制約了氧化鎵功率器件工作性能。具體而言，相比于常見于功率器件中的硅和碳化硅半導(dǎo)體，氧化鎵的熱導(dǎo)率僅為硅的20%、碳化硅的10%。低熱導(dǎo)率使得氧化鎵器件工作時產(chǎn)生的熱量無法從襯底得到有效耗散，從而導(dǎo)致器件結(jié)溫急劇上升、性能嚴(yán)重退化。因此，低熱導(dǎo)率已成為制約氧化鎵在功率器件應(yīng)用方面的最大瓶頸之一，也是國內(nèi)外氧化鎵技術(shù)研究攻關(guān)的核心方向。
探索更具開展前景的氧化鎵襯底散熱技術(shù)
氧化鎵材料自身存在劇烈的聲子-聲子散射，導(dǎo)致其熱導(dǎo)率較低。在不改變其物理性質(zhì)的前提下，將氧化鎵薄膜與其他高導(dǎo)熱襯底集成是提升器件散熱性能的有效方法。在這方面，過往研究主要基于兩條技術(shù)路線：一是在高導(dǎo)熱襯底上進(jìn)行氧化鎵薄膜異質(zhì)外延生長，然而異質(zhì)外延受限于襯底晶格適配度，通常難以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量薄膜，進(jìn)而影響器件性能；二是將氧化鎵襯底進(jìn)行減薄后與其他襯底集成，但機(jī)械減薄過程難以精確控制、容易造成襯底損壞，且其界面質(zhì)量較差，使得氧化鎵界面熱阻過高，無法有效提高器件散熱。
在多項(xiàng)國家科研計劃的支持下，西安電子科技大學(xué)郝躍、韓根全研究團(tuán)隊（以下簡稱“團(tuán)隊”）與合作者們深入探索氧化鎵半導(dǎo)體器件散熱的關(guān)鍵科學(xué)問題，基于離子注入-鍵合剝離技術(shù)提出氧化鎵異質(zhì)集成襯底新工藝，并在氧化鎵晶圓制備和高性能功率器件全流程工藝上取得重要進(jìn)展。
以“氧化鎵薄膜-高導(dǎo)熱襯底”異質(zhì)集成為出發(fā)點(diǎn)，團(tuán)隊結(jié)合氧化鎵單晶材料特性，大幅改進(jìn)傳統(tǒng)離子注入-鍵合剝離技術(shù)，在離子注入劑量、鍵合方法以及剝離溫度等關(guān)鍵參數(shù)方面進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，成功開發(fā)出一套專用于氧化鎵單晶晶圓的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝兼容的智能剝離技術(shù)。該技術(shù)方案工藝流程大致包括：第一時間對原始氧化鎵單晶晶圓進(jìn)行H+離子注入，順利獲得調(diào)節(jié)工藝參數(shù)在氧化鎵內(nèi)部產(chǎn)生深度可控、易于剝離的離子注入層，之后進(jìn)行目標(biāo)襯底（如碳化硅、硅等）與氧化鎵晶圓對準(zhǔn)和直接鍵合，使得氧化鎵表面薄膜與目標(biāo)襯底牢固結(jié)合；經(jīng)上述工序得到穩(wěn)固鍵合后的“氧化鎵-目標(biāo)襯底”晶圓對，隨后再進(jìn)行特殊工藝處理，使得氧化鎵薄膜沿著H+離子注入層解離，即可將所需氧化鎵單晶薄膜從氧化鎵晶圓上剝離，實(shí)現(xiàn)“氧化鎵-目標(biāo)襯底”晶圓級異質(zhì)集成。除了可實(shí)現(xiàn)氧化鎵薄膜與高導(dǎo)熱襯底集成這一重要目標(biāo)以外，該技術(shù)在襯底材料不受晶格匹配限制、被剝離氧化鎵晶圓可循環(huán)使用方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，可進(jìn)一步開展更為復(fù)雜的高質(zhì)量氧化鎵薄膜結(jié)構(gòu)和降低氧化鎵使用成本。
基于該技術(shù)，團(tuán)隊首次在國際上基于碳化硅和硅襯底創(chuàng)新制備了大尺寸、高導(dǎo)熱氧化鎵異質(zhì)集成晶圓（見圖1），現(xiàn)在已成功實(shí)現(xiàn)2寸和4寸氧化鎵異質(zhì)集成晶圓。經(jīng)系統(tǒng)表征，異質(zhì)集成氧化鎵薄膜晶體質(zhì)量、電導(dǎo)率與氧化鎵單晶襯底相當(dāng)，薄膜轉(zhuǎn)移率高于95%、厚度不均勻性小于2%、表面粗糙度低于0.2納米，材料整體散熱性能遠(yuǎn)優(yōu)于同期報道的同質(zhì)外延氧化鎵薄膜，且接近于襯底材料（如碳化硅）的散熱水平。順利獲得選取合適的氧化鎵單晶薄膜厚度，可在異質(zhì)集成晶圓上基于氧化鎵薄膜直接進(jìn)行晶體管器件制備，無需再一次進(jìn)行功能層薄膜外延。另一方面，基于異質(zhì)集成襯底的單晶氧化鎵模板層，也可以進(jìn)行晶格相似材料的高質(zhì)量薄膜二次外延，從而制備更為復(fù)雜的器件結(jié)構(gòu)。
氧化鎵異質(zhì)集成晶圓制備流程圖與氧化鎵(2英寸)/碳化硅(4英寸)異質(zhì)集成晶圓照片
基于異質(zhì)集成晶圓實(shí)現(xiàn)高性能功率器件
團(tuán)隊針對氧化鎵異質(zhì)集成晶圓進(jìn)行了詳細(xì)的散熱性能測試與評估。順利獲得瞬態(tài)熱反射測試并結(jié)合有限元模型擬合測試曲線，可提取氧化鎵異質(zhì)集成晶圓熱導(dǎo)率和界面熱阻等關(guān)鍵信息，如圖2a所示。順利獲得對比氧化鎵/碳化硅異質(zhì)集成晶圓和氧化鎵晶圓的導(dǎo)熱參數(shù)，可以得出結(jié)論：氧化鎵/碳化硅異質(zhì)集成晶圓的熱擴(kuò)散速率幾乎與碳化硅襯底相當(dāng)，遠(yuǎn)高于氧化鎵體材料。同時，順利獲得理論分析，團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)經(jīng)過特殊工藝界面處理的氧化鎵異質(zhì)集成薄膜導(dǎo)熱機(jī)制由常規(guī)的聲子-缺陷散射轉(zhuǎn)變?yōu)楸菊髀曌?聲子散射，大幅提高了異質(zhì)集成結(jié)構(gòu)的散熱性能。為了驗(yàn)證異質(zhì)集成晶圓的散熱效果，團(tuán)隊對氧化鎵肖特基二極管（SBD）進(jìn)行了表面工作溫度紅外測試。從圖2b可以看出，基于氧化鎵/碳化硅異質(zhì)集成結(jié)構(gòu)的器件工作時表面溫度變化很小，且呈現(xiàn)均勻的溫度分布。相比之下，在相同偏置功率的情況下，氧化鎵體材料SBD器件表面最高工作溫度是異質(zhì)集成器件的400%，證明氧化鎵異質(zhì)集成結(jié)構(gòu)對于器件散熱性能具有顯著提升效果。
功率晶體管是氧化鎵未來應(yīng)用的主要器件形式，團(tuán)隊基于異質(zhì)集成結(jié)構(gòu)開發(fā)了高導(dǎo)熱氧化鎵異質(zhì)集成晶體管制備工藝，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)型與耗盡型器件。經(jīng)測試，器件展現(xiàn)出優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性，高溫可靠性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)氧化鎵體材料同質(zhì)外延晶體管。如圖2c所示，在測試溫度由室溫升高到500 K
的情況下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于硅和碳化硅襯底的高導(dǎo)熱氧化鎵異質(zhì)集成晶體管在開態(tài)、關(guān)態(tài)電流以及電流開關(guān)比上幾乎沒有變化；相比之下，同期報道顯示基于氧化鎵單晶襯底的同質(zhì)外延氧化鎵晶體管通常在測試溫度升高到400 K左右時即出現(xiàn)明顯的性能退化，其電流開關(guān)比對比室溫結(jié)果甚至降低近5個數(shù)量級，使得器件在高溫下工作失效。進(jìn)一步地，團(tuán)隊基于Ga?O?/SiC異質(zhì)集成晶圓開發(fā)Recessed-gate晶體管器件，成功實(shí)現(xiàn)上千伏擊穿電壓與高遷移率。受益于異質(zhì)集成晶圓的獨(dú)特特性，以上高性能器件在200℃高溫環(huán)境下僅顯示出微弱的性能退化，見圖2d。團(tuán)隊的這項(xiàng)工作有力證明了基于高導(dǎo)熱異質(zhì)集成襯底的氧化鎵晶體管可有效克服因強(qiáng)烈自熱效應(yīng)導(dǎo)致的晶體管器件性能退化問題，為高性能氧化鎵晶體管給予了一種可行的解決方案，對有助于氧化鎵功率半導(dǎo)體技術(shù)的應(yīng)用有持續(xù)作用。
氧化鎵異質(zhì)集成結(jié)構(gòu)助推器件散熱:(a)針對氧化鎵異質(zhì)集成晶圓的熱瞬態(tài)反射測試;(b)氧化鎵/碳化硅與氧化鎵體材料SBD器件表面溫度對比;(c)基于氧化鎵異質(zhì)集成結(jié)構(gòu)的晶體管器件變溫電學(xué)特性;(d)Recessed-gateGa203/SiC晶體管的電學(xué)特性。(圖片來源:ACS Appl. Electron Mater.,2022,4:494-502;Fundamental Res.,2021，1:691-696;IEEEInternational Electron Devices Meeting (IEDM).2019.12.5.1-12.5.4;lEEE Trans. ElectronDevices,2022,69,1945; lEEE Trans. ElectronDevices,2021,68:1188
未來，功率半導(dǎo)體將繼續(xù)深刻影響世界電力電子系統(tǒng)，相關(guān)變革性技術(shù)的出現(xiàn)將快速有助于能源電子新一輪創(chuàng)新開展。團(tuán)隊將繼續(xù)瞄準(zhǔn)國家重大需求以及國際功率半導(dǎo)體技術(shù)前沿方向，基于異質(zhì)集成晶圓技術(shù)，力爭有助于我國氧化鎵半導(dǎo)體材料、器件、下游應(yīng)用相關(guān)技術(shù)的自主可控開展，為能源電子、雙碳戰(zhàn)略等重點(diǎn)領(lǐng)域給予更多助力。
本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技縱覽》2024年3月刊。
關(guān)注微博
關(guān)注微信
關(guān)注公眾號
關(guān)注抖音號