GaN应用市场扩展还需克服哪些挑战？

（本文编译自Semiconductor Engineering）

氮化镓开始在低端高压宽带隙功率场效应晶体管(FET)市场中取得更大进展，而原来碳化硅一直是该领域的首选技术。这种转变是由GaN更低的成本和与体硅更兼容的工艺推动的。

效率、功率密度（尺寸）和成本是电力电子领域的三大关注点，而GaN可以满足所有这三个标准。然而，为了始终如一地满足这些标准，半导体生态系统需要开发测试、检测和计量方面的最佳实践，以确定哪种方法最适合哪种应用以及在各种条件下的表现。

电源IC在将电压从一个电源升压或降压到另一个电源时起着至关重要的作用。GaN目前广泛用于智能手机和笔记本电脑适配器，但其市场机会正在扩大。GaN很可能将在数据中心和汽车应用中发挥重要作用。由于对AI和边缘计算的兴起，数据中心正在迅速扩张。汽车行业热衷于将GaN电源IC用于逆变器模块，因为它比SiC更便宜，也热衷于将GaN电源IC用于车载电池充电器(OBC)和从电池到车辆中不同应用的各种DC-DC转换。

图1：GaN和SiC功率器件的当前和未来关注领域。

来源：A. Meixner/半导体工程

但要进入新市场，GaN器件制造商需要更快地推出新工艺及其相关产品。由于GaN功率晶体管是一种发展中的工艺技术，测量数据对于确定制造工艺以及新型半导体技术及最终产品的可靠性至关重要。

GaN的成功很大程度上将取决于提供高吞吐量的计量和检测解决方案，以及光学和X射线等无损检测方法。电子显微镜可用于深入了解关键设备参数和缺陷机制。电气测试提供补充数据，有助于产品/工艺验证、可靠性和鉴定、系统级验证，并可用于生产筛选。

碳化硅(SiC)仍然是超高压应用的首选材料。它比硅具有更好的性能和更高的效率。但SiC价格昂贵。它需要的设备与硅不同，SiC晶锭很难生长，而且目前晶圆产能也有限。

相比之下，GaN具有与SiC相同的一些理想特性，并且可以在更高的开关速度下运行。GaN晶圆的生产成本更低，因为它可以利用除GaN外延沉积工具之外的典型硅加工设备在硅基板上制造。这使得采用硅CMOS工艺的晶圆厂/代工厂能够借助在GaN方面经验丰富的工程团队来加速GaN工艺的开发。

当然，成本比较并不完全是一回事。目前市场上电压最高的GaN使用蓝宝石硅(SoS)或其他工程基板，这些基板价格更昂贵。但低于这些电压时，GaN通常具有成本优势，这重新激发了人们对这项技术的兴趣。

Amkor测试技术高级总监Vineet Pancholi表示：“与现有成熟的硅基技术相比，GaN产品的性能范围有所提高。GaN的开关速度使应用能够以硅无法实现的方式实现。但随着GaN产量的增加，这些产品面临着极大的经济压力。生产测试列表包括静态属性。然而，瞬态和动态属性是GaN在最终应用中的主要优势。”

其他人也同意这一观点。NI/Emerson Test & Measurement公司SET副总裁兼技术负责人Frank Heidemann表示：“行业需要更便宜的材料，而GaN很容易制造。氮化镓在较低电压范围内取得了巨大成功——最高可达500V。在这个范围内，GaN工艺控制得很好。现在的问题是制造更高电压的产品是一项挑战。在不久的将来，电压水平甚至会更高。”

这些更高电压的应用需要新的工艺配方、新的功率IC设计，以及随后的产品/工艺验证和合格性验证。

GaN HEMT特性

改进制造GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)所需的工艺，需要对材料特性以及这些材料层叠制造的后果有深入的了解。

宽带隙器件的底层物理和结构与硅高压晶体管有显著不同。硅晶体管依赖于p型和n型材料的掺杂。当在栅极施加电压时，它会创建一个通道，让电流从源极流到漏极。相比之下，宽带隙晶体管是通过分层不同材料的薄膜而构建的，这些材料的带隙能量不同。在栅极施加电压可实现两种材料之间的电子交换，从而驱动这些电子沿着源极和漏极之间的通道流动。

图2：e-mode GaN HEMT器件的横截面动画。

来源：蔡司显微镜

Onto Innovation产品营销高级总监Jiangtao Hu表示：“GaN器件依靠在GaN和AlGaN界面处产生的二维电子气(2DEG)来高速传导电流。为了实现高电子迁移率，必须仔细监控和控制产生复杂多层晶体膜的外延工艺，确保厚度、成分和界面粗糙度等关键膜特性符合严格的规格要求。晶圆尺寸不断扩大的趋势进一步要求在产品上进行测量，并且测量必须是非破坏性的，以控制均匀性。”

图3：基于硅构建的增强型GaN HEMT的SEM横截面。

来源：蔡司显微镜

此外，还需要了解每层的电气特性。Soitec首席技术官兼创新高级执行副总裁Christophe Maleville表示：“在制造过程中尽早确定结构的电气特性、2DEG的薄层电阻、载流子浓度以及通道中载流子的迁移率至关重要，最好是在晶圆级进行无损评估。”

在更高工作范围内开发GaN HEMT器件的工艺配方需要在晶圆制造和器件测试期间进行测量，以验证工艺/产品和生产制造。检测、计量和电气测试侧重于影响器件性能的工艺异常和缺陷。

“位错和堆垛层错等晶体缺陷可能在沉积过程中形成，随后被覆盖和掩埋，即使设备通过了初步测试，也会产生长期可靠性问题，”蔡司研究显微镜解决方案电子战略客户业务开发经理David Taraci表示，“栅极氧化物可能在沉积过程中断裂，从而产生空洞，但这些问题可能不会立即显现出来。”

缓冲层的质量至关重要，因为它会影响击穿电压。“器件的最大击穿电压最终将受到Si衬底和GaN通道之间生长的缓冲层的击穿限制，”Soitec的Maleville表示，“电气评估（高压IV）需要破坏性测量以及器件隔离，这仅基于样本进行。”

提高GaN器件电压极限的一种方法是添加“栅极驱动器”，以保证器件在更高电压下可靠运行。但要进一步将GaN技术的性能范围扩展到更高电压运行，工程师需要理解新的GaN器件可靠性属性。

“我们支持GaN寿命验证，这是对GaN功率器件寿命任务特征的预测，”Emerson的Heidemann说道，“工程师为这些器件构建基于物理的故障模型。接下来，他们研究加速因素。我们如何才能真正正确地进行测试和验证，以便评估其寿命健康状况？”

认证流程需要进行寿命应力测试，即在每个寿命应力期后重复预测的任务概况使用情况以及电气测试。这样工程师就可以确定晶体管特性的变化和彻底的失效。例如，寿命应力期可以从4,000小时开始，以1,000小时为增量增加到12,000小时，在此期间，设备以特定的“开启”时间开启/关闭。

“可靠性预测基于应用任务概况，”IEEE电力电子学会独立顾问兼行业和标准副总裁Stephanie Watts Butler表示，“在某些情况下，GaN会进入新的应用领域，或以不同于硅的方式使用，因此需要阐明其任务概况。这是整个行业共同关注的一个领域。”

作为这一努力的一个例子，Butler指出了JEDEC JEP186规范，该规范提供了指定GaN HEMT器件击穿电压的指南。“JEDEC和IEC都在发布宽带隙器件测试和特性描述方法的指南文件，以及可靠性和认证程序以及数据表参数，以使包括GaN在内的宽带隙器件能够以更快的速度和更高的质量进入市场，”她表示。

电气测试对于筛查零时缺陷和可靠性相关缺陷（例如早期死亡率和寿命缩短）仍然至关重要。这对于筛查晶圆、单片芯片和封装设备同样适用。测试内容包括针对GaN HEMT功率器件性能规格和缺陷监测的特定测试。

由于固有的器件差异，GaN测试列表在某些方面与Si和SiC功率IC有显著差异。评估GaN健康状况以进行鉴定和制造需要静态和动态测试（SiC DC和AC）。部分列表包括零栅极电压漏极漏电流、上升时间、下降时间、动态RDS on和电介质完整性测试。

Teradyne功率分立测试产品经理Tom Tran表示：“对于GaN器件来说，这些测量技术非常耗时。除了静态测量技术之外，还有对捕获电荷的担忧——无论是功能性还是效率——通过动态RDS测试可以发现。”

由于电子迁移率高，因此需要进行瞬态测试，这也是GaN HEMT具有高开关速度的原因。“从测试的角度来看，静态测试失败表示基本工艺失败，而瞬态开关失败则表示边缘或工艺偏差，”Amkor的Vineet Pancholi表示，“在工艺成熟之前，这两种测试对我们的客户仍然很重要。随着电压、电流和开关操作范围的扩大，主流测试设备供应商一直在增加互补的仪器功能。”

ATE供应商也希望缩短测试时间，从而降低成本。“静态和动态测试要求都会使测试时间非常长，”Teradyne的Tran说道，“但目前的GaN与十年前的GaN截然不同。我们能够加速这种测试，这得益于我们的ATE架构的核心特性。我们认为有可能进一步降低客户的测试成本。”

工艺控制和质量管理工具

GaN HEMT器件对薄膜工艺的依赖凸显了了解材料特性和各层之间界面性质的必要性。这需要工艺控制、产量管理和故障分析工具。

Onto Innovation软件产品管理总监Mike McIntyre表示：“GaN器件的性能高度反映了其制造过程中所用薄膜的特性。薄膜厚度、薄膜应力、线宽甚至晶体结构方面的最小工艺变化都会对器件的性能产生巨大影响，甚至会影响器件是否可用于目标市场。对任何变化的容忍度不足给工程师带来了更大的负担，他们需要了解与器件性能及其盈利能力相关的因素。”

非破坏性检测方法在吞吐量和为工程师提供决策细节的程度上有所不同。虽然光学方法速度快，可以覆盖整个晶圆，但它们无法准确地对化学或结构缺陷进行分类，以供工程师/技术人员审查。相比之下，破坏性方法提供了真正了解缺陷性质所需的信息。例如，导电原子力显微镜(AFM)探测速度仍然很慢，但它可以识别缺陷的电性质。为了真正理解晶体缺陷和杂质的化学性质，工程师可以求助于基于电子显微镜的方法。

评估薄膜的另一种方法是使用X射线。Soitec的 Maleville表示：“高分辨率X射线测量有助于控制晶圆晶体质量和缓冲层中的缺陷。缓冲层、阻挡层或封盖层的成分及其层厚度的微小变化都可能导致器件性能出现重大偏差。层的厚度，特别是顶盖层、阻挡层和间隔层的厚度，通常通过XRD测量。然而，XRD系统的吞吐量很低。相反，椭圆偏振法可以提供相当好的吞吐量测量，并且对于开发和生产模式场景都有更多数据点。”

光学技术一直是半导体行业薄膜评估的标准。检测设备供应商长期以来一直在不断改进，不断提高准确性、精确度和良率。提供更好的计量工具有助于设备制造商进行工艺控制和产量管理。

Onto公司的Hu表示：“最近，我们成功开发了一种用于GaN外延工艺监控的无损产品测量功能。它利用我们先进的光学薄膜经验和建模软件，同时测量产品晶圆上的多层外延薄膜厚度、成分和界面粗糙度。”

图4：GaN粗糙度和铝浓度的计量测量。

来源：Onto Innovation

评估电气特性（2DEG薄层电阻、通道载流子迁移率和浓度）是控制制造过程所必需的。非破坏性评估将是对目前使用的破坏性技术（例如SEM）的改进。用于其他电源IC的解决方案不适用于GaN HEMT。截至目前，还没有人提出商业解决方案。

对于提供工程基板的公司来说，检测工具会寻找影响产量的缺陷以及影响晶圆接受度的缺陷。

“对晶圆的缺陷检测旨在寻找颗粒、划痕和其他异常，这些异常可能会导致后续缓冲层和晶体生长出现缺陷，”Thermo Fisher Scientific业务开发经理Antonio Mani说道，“在缓冲层和终止层生长之后，接着是掺杂的GaN层生长，然后进行另一组检查。在这种情况下，它更侧重于检测裂缝、其他宏观缺陷（微管、胡萝卜），并寻找微坑，这些微坑与穿过缓冲层并浮现在GaN顶部表面的穿线位错有关。”

Mani指出，Si和GaN器件的后续检查方法类似。不同之处在于将观察结果与外延后结果联系起来的重要性。

更准确的缺陷库将缩短检测时间。Soitec的Maleville表示：“表面缺陷分析缺乏标准化，阻碍了进展。市场上有不同的工具，而缺陷库仍然由不同的用户开发。缺乏全球认可的表面缺陷分析方法和标准缺陷库，减慢了GaN表面鉴定过程。”

无论是制造测试失败还是现场退货，确定有问题的封装部件的根本原因的必要步骤都是从故障隔离开始。“考虑到GaN带隙的直接性质及其在电压/频率/功率密度方面的操作窗口，传统的故障隔离方法（例如光发射光谱）被迫关注专注于不同波长和典型电缺陷的不同激发范围，” Thermo Fisher的Mani表示，“热载流子对只是一个例子，它凸显了GaN和Si器件之间的根本区别。”

除了故障隔离之外，使用聚焦离子束铣削方法创建GaN器件横截面也存在挑战。