氮化镓，12英寸？

2024年9月，信越化学实现了GaN专用生长衬底300mm QST衬底，并开始发货样品。通过使用大直径衬底，可以降低GaN器件的制造成本。

QST衬底是美国Qromis公司开发的专门用于GaN生长的复合材料衬底，信越化学于2019年获得许可。到目前为止，我们已经销售了直径150mm和200mm的QST衬底，以及QST外延衬底上的GaN。现在，我们已经成功开发出300mm QST基板。在扩大150mm和200mm QST基板设施的同时，我们还将致力于300mm QST基板的量产。

所开发的300mm QST衬底具有与GaN相同的热膨胀系数。这使得可以外延生长厚度为 300 毫米的高质量 GaN，而不会出现“翘曲”或“裂纹”。日本和海外的客户已经开始使用QST衬底和QST外延衬底上的GaN开发功率器件、高频器件和LED。

扩展 GaN 制造能力的创新方法

与传统硅器件相比，氮化镓功率器件具有更高的开关频率和功率密度，以及更高的功率转换效率和简化的拓扑结构。消费应用（如电源适配器）和工业应用（如数据中心电源和太阳能逆变器）已得到广泛采用。在本文中，我们将讨论一种创新方法，以扩展GaN的制造能力，以增加其应用空间，促进单片集成，并在非专用于硅的 Si 兼容工厂中增加晶圆直径。

Qromis 首席执行官兼总裁 Cem Basceri（曾担任美光科技高级总监兼首席技术专家）在接受 Power Electronics News 独家采访时讨论了扩大 GaN 器件电压范围以满足未来电动汽车需求的计划。

Basceri 及其团队试图解决的主要问题是克服 GaN 与通常用于制造 GaN 功率器件的 Si 晶圆之间的巨大热膨胀系数 (CTE) 失配。多年的研究使他们确信，650 V 及更高的电压（需要更厚的 GaN 外延层）很难在 6 英寸以上的基板尺寸中实现，否则会产生严重的制造、产量和可靠性问题。巨大的 CTE 失配会导致晶圆破损，需要非半规格的晶圆厚度，导致高缺陷密度，从而限制制造和封装组装工艺的产量并降低可靠性。缓解措施意味着专用晶圆厂与标准 Si CMOS 制造不兼容，并且还会限制未来可扩展到 12 英寸晶圆尺寸。

Qromis 创造的一项关键突破是工程化衬底，其 CTE 与 GaN 相匹配，因此可以实现 GaN 外延厚度缩放，并实现 12 英寸晶圆直径的发展路线图。这种工程化衬底使用的核心材料称为 Qromis 衬底技术 (QST)，是一种陶瓷聚合氮化铝 (AlN) 层，如图 1 所示。

专有工程层包裹在该核心周围，然后是埋层氧化物和薄顶部 Si (111) 成核表面，从而产生符合标准 Semi 规格的晶圆，该晶圆与 CMOS 晶圆厂兼容，边缘禁区小于 3 毫米，并为 GaN 器件所需的 AlN/AlGaN/GaN 外延层提供生长表面。图 2 显示了这种工程 QST 衬底的 CTE 温度依赖性，与 GaN 以及用于 GaN 沉积的其他传统单晶衬底进行了比较。

QST 的陶瓷芯具有电绝缘性，与 Si 不同，吸收损耗低，因此适合制造 RF 设备。其热导率为 170–220 W/mK，高于 Si。

Qromis 已在 QST 上展示了厚度达 30 μm 的无裂纹 GaN 层。该公司选择将其技术授权给一家代工厂（Vanguard International Semiconductor，简称 VIS），并专注于材料产品。VIS 制造 QST 基板以及外延和器件。目前，ShinEtsu 还获得了基板和外延晶圆产品的第二份许可。

650 V p-GaN 栅极 e-mode HEMT 已在 200 毫米 QST 衬底上成功演示。一项研究1比较了由 GaN-on-QST 衬底制成的该器件与由传统 GaN-on-Si 制成的器件。如图 3 所示，传输特性匹配良好，在晶圆级测量时，QST 器件的输出驱动仅略有下降。

VIS 于 2022 年 11 月将其 650 V GaN-on-QST 投入量产，并开始为业界提供代工服务。这种 0.35 μm 节点技术是在 8 英寸晶圆上生产的。VIS 对该技术进行了广泛的鉴定测试，包括对三个批次进行 1,000 小时的 HTRB 和 HTGB 测试。在各种开关条件下进行的动态 RDS(on) 漂移测试表明，在 400 V、2 A 时，漂移 <20%。特定于封装的 Jedec 环境测试表明 I on漂移 <10%，I g /I off增加可忽略不计。图 4(a) 和 4(b) 突出显示了使用该器件设计的 150 W 升压转换器的一些数据和规格。转换器效率在 500 kHz 的开关频率下超过 96%。

由于空穴迁移率差，缺乏良好的互补 p 通道 GaN 器件，因此 GaN 的单片集成非常困难。GaN 功率级通常由外部栅极驱动器级驱动。然而，GaN 的高开关频率和压摆率会因键合线的寄生电感而带来设计挑战。将栅极驱动器单片集成到 GaN 功率级可使 GaN 发挥其全部潜力。这种在 Si 衬底上的集成存在衬底偏置效应的缺点。绝缘QST 衬底允许在晶片级单片集成 GaN 器件，并通过沟槽提供隔离，如图 5 所示的半桥。

使用图 6 所示的电路原理图演示了 48 至 1 V 降压转换器。此处的单片集成包括 GaN 半桥 HS 和 LS 功率器件、GaN 栅极驱动器 FET H1-H6 以及电阻器 RH 和 RL，它们由 GaN 通道中的 2D 电子气形成。500 kHz 开关下的波形几乎没有过冲和振铃，如图 7 所示。像这样的单级 GaN 转换器可以提高功率密度并简化电路设计。

横向 GaN HEMT 器件采用 8 英寸 QST 衬底，电压缩放概念已在1,200 V 器件中得到验证。使用垂直器件可以更有效地进一步缩放电压。QST 平台通过实现可靠、厚且无应力的外延生长，为垂直 GaN 器件提供了解决方案。垂直 GaN FinFET 已在 QST 衬底上得到验证，目前正致力于将工作电压缩放至 1,200 V。Basceri 还表示计划今年在 300 毫米晶圆上演示 GaN-on-QST。

参考链接

https://www.powerelectronicsnews.com/engineered-substrate-scales-gan-technology/

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来源：半导体行业观察

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