西電實現晶圓級Si-GaN單片異質集成共源共柵FET

2020-12-06 電子工程專輯

2020年7月，西安電子科技大學微電子學院關於矽與氮化鎵異質集成晶片論文在國際半導體器件權威期刊IEEE Transactions on Electron Devices上發表，郝躍院士團隊的張家祺博士和張葦杭博士為本論文的共同第一作者，張春福教授為論文的通訊作者。國際半導體行業著名雜誌《Semiconductor Today》及時對成果進行了跟蹤報導，受到國內外業界的關注。5KIEETC-電子工程專輯

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據《Semiconductor Today》報導，中國西安電子科技大學研究團隊研發的「轉印與自對準刻蝕技術」有效地實現了晶圓級的異質集成，有望將多種不同的功能材料如矽、氮化鎵等集成在晶圓級的單片上，以此為基礎製造的器件及集成電路理論上具有更加多樣強大的功能與更高的集成度。5KIEETC-電子工程專輯

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基於所研發的低成本轉印與自對準刻蝕新技術，西安電子科技大學團隊首次實現了晶圓級矽與氮化鎵單片異質集成的增強型共源共柵電晶體,取得了矽和氮化鎵晶圓級單片異質集成新突破。該新技術避免了昂貴複雜的異質材料外延和晶圓鍵合的傳統工藝技術，有望成為突破摩爾定律的一條有效技術路徑。5KIEETC-電子工程專輯

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圖1：（a）增強型共源共柵FET電路圖。 （b）製成設備的光學照片。5KIEETC-電子工程專輯

氮化鎵高功率器件在電力電子領域中受到越來越多的關注，在汽車電子、機電控制、光伏產業和各類電源系統中得到越來越多的應用。電力電子器件更加需要常關態增強型氮化鎵功率器件，但由於異質結二維電子氣形成原因，一般的氮化鎵器件主要是耗盡型的。一種可行的方案是由一個增強型矽電晶體與一個耗盡型氮化鎵電晶體級聯組成共源共柵型增強型氮化鎵器件，這種結構擁有穩定的正閾值電壓並且與現有的柵驅動電路相兼容。此外，由於矽MOS結構的引入使得共源共柵氮化鎵器件具有更大的與驅動電路兼容的柵壓擺幅。5KIEETC-電子工程專輯

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圖2：（a）單片Si-GaN共源共柵FET的製造工藝流程。 （b）轉移印刷和自對準蝕刻技術的關鍵步驟。5KIEETC-電子工程專輯

然而，如何實現晶圓級單片集成Si-GaN共源共柵電晶體是一個十分困難的問題，因為這涉及到兩種完全不同的半導體材料集成在同一個晶圓上。郝躍院士團隊創新地提出了一種轉印和自對準刻蝕方法，並首次實現了晶圓級的Si-GaN單片異質集成的共源共柵電晶體。這項技術和方法有望實現多種材料的大規模異質集成並基於此製造功能多樣化的器件和電路，避免了昂貴且複雜的材料異質共生技術或晶圓鍵合工藝。5KIEETC-電子工程專輯

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圖3：（a）漏極懸空的增強型共源共柵FET的柵極擺幅圖。 （b）系列設備的傳輸特性。5KIEETC-電子工程專輯

通過轉印和自對準刻蝕的新技術，使得矽器件與氮化鎵器件的互連距離縮短至100μm以下，僅為傳統鍵合線長度的5%。據估算，新型的共源共柵電晶體可以比傳統鍵合方法減少98.59%的寄生電感。Si-GaN單片異質集成的共源共柵電晶體的閾值電壓被調製為2.1V，實現了增強型器件。該器件柵壓擺幅在柵漏電低於10-5mA/mm的範圍內達到了±18V。經過大量器件測試和可靠性試驗後，晶片之間的性能具有良好的一致性，這充分證明了轉印和自對準刻蝕技術實現晶圓級單片集成共源共柵電晶體的巨大潛力和優勢。5KIEETC-電子工程專輯

論文全文連結：5KIEETC-電子工程專輯

https://ieeexplore.ieee.org/document/91216945KIEETC-電子工程專輯

《Semiconductor Today》報導連結：5KIEETC-電子工程專輯

http://www.semiconductor-today.com/news_items/2020/jul/xu-230720.shtml5KIEETC-電子工程專輯

責編：Luffy Liu5KIEETC-電子工程專輯

本文綜合自西安電子科技大學新聞網、semiconductor-today、寬禁帶半導體材料教育部重點實驗室、陝西省教育廳微博報導5KIEETC-電子工程專輯

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