氮化鎵（GaN）裝置的結構與製造工藝

2023-09-09 85

3. 基本特徵總結

由於結構差異，GaN功率元件與矽基元件相比具有不同的特性。

(1) 標準電壓：650V

GaN功率元件的典型電壓為650V。在許多電源應用中，輸入連接到 220V 交流電源。整流後，母線電容上的電壓達到約400V DC。此外，在某些拓樸應用中，還存在電壓尖峰和來自次級側的反射。因此，650V已成為標準電壓要求。

(2) 無雪崩擊穿

GaN功率元件不會發生雪崩擊穿。擊穿一旦發生，將是永久性的，類似於電容器中的介質擊穿。對於650V元件，如果是矽MOSFET，實際擊穿電壓通常在750V左右（設計裕度為10%）。然而，GaN元件需要更高的擊穿電壓設計裕度。 650V元件需要至少900V的擊穿電壓（設計裕度>10%）。

（3）沒有p型GaN電晶體

在矽基技術中，有NMOS（電子載子）和PMOS（電洞載子），但目前還沒有p型GaN HEMT。因此，類比/數位IC的設計與矽基不同。缺乏p型GaN電晶體的主要原因是：首先，在GaN上難以實現鎂離子的離子注入和低溫退火；其次，GaN的電洞遷移率只有30cm2/Vs，遠低於2000cm2/Vs的電子遷移率。

(4) 閘極電壓：7V

由於GaN製程的原因，GaN功率元件的最大閘極電壓被限制在7V，這與現有的矽驅動IC不相容。

裝置製程技術

GaN功率元件與矽基晶片一樣，經歷相似的製造工藝，主要包括設計、外延片生長、晶片製造和封裝測試。

圖 4：GaN 功率元件的典型製造步驟

1. 設計階段

GaN 裝置通常在設計階段使用 TCAD（技術電腦輔助設計）技術進行模擬和建模。這涉及到模擬和分析設備的結構和參數。

2. 外延片製造工藝

GaN外延片可以生長在矽基板、碳化矽基板或藍寶石基板上。出於成本和批量生產的考慮，外延片中各層的沉積通常使用MOCVD（金屬有機化學氣相沉積）技術來進行。

圖5：GaN外延片製造流程

3. 裝置製造工藝

下圖所示為在藍寶石基板上製造耗盡型GaN HEMT（高電子遷移率電晶體）裝置的簡化製程。在矽基板上製造GaN HEMT元件的製程類似。

第一步涉及使用第一個掩模進行平台型隔離蝕刻。第二步驟利用第二掩模來限定源極區和汲極區。第三步涉及源極和汲極的金屬沉積。第四步包括玻璃沉積和退火以形成源極和汲極金屬區域。第五步使用第三個掩模來限定閘極區域。第六步涉及柵極金屬的沉積。第七步需要金屬剝離以形成閘極金屬。第八步涉及沉積氮化矽以進行鈍化和保護。第九步驟利用第四掩模來限定源極區和汲極區的接觸。第十步採用第五掩模來限定場板。第十一步涉及金屬剝離以形成場板，第十二步涉及沉積第二層氮化矽以進行鈍化。

注意：所提及的具體步驟和遮罩編號可能會根據所使用的裝置設計和製造流程而有所不同。

圖 6：在藍寶石基板上製造 D 模式 GaN HEMT 的製程