Нитрид галлия — премьер среди новых материалов полупроводниковой микроэлектроники

Из новых материалов полупроводниковой микроэлектроники для интегральных микросхем и изделий силовой электроники наибольший интерес представляет группа широкозонных полупроводников, и в первую очередь GaN, SiC, Ga₂O₃, алмаз [1]. Их основные физические параметры представлены в таблице 1. Алмаз имеет максимальную ширину запрещенной зоны, но пока является экзотическим и дорогим материалом, время коммерциализации которого еще не наступило. Разработки по оксиду галлия набирают обороты, прежде всего в Японии. Основным проводником оксида галлия на рынке является японская компания FLOSFIA, созданная Киотским университетом [2]. Последние сообщения о партнерстве крупного японского поставщика автокомпонентов DENSO Corporation и FLOSFIA по разработке нового поколения мощных полупроводниковых приборов для электромобилей подтверждают перспективность Ga₂O₃[3]. Однако высокая стоимость и малый диаметр пластин Ga₂O₃ остаются сдерживающим фактором в его коммерциализации.

Наиболее перспективными из этой группы являются GaN и SiC. Каждый из этих материалов обладает характерными преимуществами и недостатками. SiC имеет хорошие динамические параметры и высокую теплопроводность и в 2000‑е годы начал активно применяться для создания мощных высоковольтных и высокотемпературных приборов. Однако высокая цена SiC сдерживает массовое применение ИЭТ на его основе и вытеснение кремниевых аналогов. Несмотря на увеличение диаметра пластин с 76 до 100–150 мм, рынок изделий по карбид-кремниевой технологии пока не растет такими темпами, как ожидалось.

GaN перешел к коммерциализации в силовой электронике позже, чем SiC, однако рынок изделий на основе GaN стал развиваться более динамично и сейчас охватывает не только транзисторы и диоды, но и силовые ИС и радиационно-стойкие ИЭТ (табл. 2). Этому способствовали успешные исследования по эпитаксиальному наращиванию GaN на подложках кремния диаметром до 200 мм.

Рис. 1. Эволюция диаметра пластин различных материалов в 1950–2020 гг.

На рис. 1 показана эволюция изменения диаметра пластин различных материалов, представленная компанией YOLE Developpement в октябре 2015 года, где указан максимальный диаметр пластин объемного GaN всего 100 мм [4]. Переход к гетероструктурам GaN-Si позволил сделать качественный скачок в увеличении диаметра пластин. Сейчас изделия на гетероструктурах GaN-Si успешно коммерциализированы практически всеми известными мировыми компаниями. Последние сообщения компании Intel говорят об исследовании GaN как материала для технологий 7 нм и менее. Новые технологии GaN применяют также давно апробированные в кремниевых процессах изоляцию SOI и trench-структуры.

Однако гетероструктуры GaN-Si имеют один недостаток, который может доставлять проблемы пользователям. Из-за различия в размере кристаллической решетки Si (3,85) и GaN (3,19) пластины с эпитаксиальными структурами GaN-Si подвержены механическим деформациям и прогибу, особенно при увеличении толщины эпитаксиальной пленки GaN и диаметра пластин. При эпитаксиальном наращивании разнородных материалов подложки и эпитаксиальной пленки соответствие постоянной их кристаллической решетки является одним из наиболее важных параметров. Несоответствие между ними должно быть не более чем 0,1%. Но несоответствие между GaN и Si превышает 14%. Второй важный параметр — близость коэффициентов термического расширения подложки и эпитаксиальной пленки. Поскольку у GaN коэффициент термического расширения выше, чем у Si, то при охлаждении от температуры эпитаксии (около +1000 °C) до комнатной температуры происходит деформация и искривление гетероструктуры вплоть до ее растрескивания (рис. 2).

Рис. 2. Деформация гетероструктур GaN-Si при нагревании и охлаждении:
а) типовой метод эпитаксии;
б) улучшенный метод с буферным слоем

Решение этой проблемы достигается двумя способами:

• использованием буферных слоев между GaN и Si, которые имеют коэффициент термического расширения, более близкий к кремнию;
• использованием вместо кремния подложки с более близким коэффициентом термического расширения к GaN.
• Первое решение сейчас является одним из основных для гетероструктур GaN-Si, и фактически эпитаксиальные пленки GaN представляют собой сложные многослойные структуры, осаждаемые в одной реакторной камере. Одно из решений второй проблемы ученые видят в применении материалов подложки, обладающей лучшей совместимостью с GaN, в частности poly AlN (рис. 3) [5].

Рис. 3. а) Постоянные кристаллических решеток GaN и Si; б) физические параметры некоторых материалов

Быстрой коммерциализации приборной GaN-технологии способствовали успехи в разработке и промышленном освоении оборудования и технологии эпитаксиального наращивания GaN на подложках кремния большого диаметра 150 и 200 мм. Компании EpiGaN, IMEC, AZURRO Semiconductor, VEECO, Oxford Semiconductor, NTT, AIXTRON и другие созданием технологии и оборудования получения гетероструктур GaN-Si на пластинах большого диаметра обеспечили быстрое снижение стоимости пластин и полупроводниковых изделий. В 2014 году компания ALLOS Semiconductor купила патенты, технологии и ноу-хау AZURRO Semiconductor и в настоящее время предлагает на рынке услуги, решения и гетероструктуры GaN-Si диаметром 150 и 200 мм [6]. Замена дорогих гетероструктур GaN-сапфир на более дешевые GaN-Si большого диаметра будет играть в ближайшее время основную роль в снижении стоимости светодиодов и светодиодного оборудования. Усовершенствованный компанией ALLOS Semiconductor процесс MOCVD/MOVPE наращивания GaN на Si обеспечивает толщину слоя GaN до 9 мкм и его максимальное значение до 20 мкм без повреждения и деформации пластин [7].

Первого февраля 2018 года ALLOS Semi-conductor сообщила, что в исследовательском центре IEMN во Франции на прототипах, изготовленных на ее гетероструктурах GaN-Si, достигнуты пробивные напряжения 1400–1600 В, а значения толщины слоя нитрида галлия на подложках кремния доведены до 30 мкм без необратимых деформаций и повреждений гетероструктур [8]. Это означает, что GaN-Si начинает превосходить SiC не только в категории силовых приборов на 600 В, но и для напряжений 1200 В и более.

Ранее, 1 ноября 2017 года, компания VEECO сообщила, что совместно с ALLOS Semiconductor реализовала техпроцесс MOCVD наращивания GaN толщиной 30 мкм на кремниевых подложках 200 мм [9]. Процесс реализован на установке Propel Single-Wafer MOCVD System и предназначен для производства светодиодов. Еще раньше, в марте 2015 года, один из мировых лидеров — тайваньский производитель светодиодов компания Epistar приобрела лицензию у ALLOS Semiconductor на технологию GaN на Si для пластин диаметром 150 и 200 мм [10].

Еще недавно область высоковольтных полупроводниковых приборов напряжением 1200 В принадлежала кремниевым IGBT- и SiC MOSFET-транзисторам и диодам. Однако успехи, достигнутые в технологии наращивания толстых слоев GaN на кремниевых подложках, позволили разработчикам GaN-приборов быстро перейти от освоенных устройств на напряжения 650 В к изделиям на 1200 В.

Израильская компания VisIC Technologies является одним из лидеров в разработке продуктов силовой электроники по технологии GaN-Si. В ее продуктовой линейке есть транзисторные ключи на 650 В [11]. В сентябре 2016 года компания анонсировала разработку нового семейства высоковольтных приборов для силовой электроники. Первым ее продуктом в этом семействе стал интеллектуальный силовой модуль VM40HB120D, представляющий собой полумост на 1200 В и состоящий из GaN-транзисторных ключей и датчиков температуры и тока в одном корпусе. В январе 2017‑го VisIC привлекла и инвестировала $11 млн в коммерциализацию своей GaN-технологии [12]. В феврале 2018 года компания сообщила о партнерстве с мировым лидером по фаундри-изготовлению чипов компанией TSMC по промышленному освоению своего модуля на 1200 В. Производство чипов GaN-транзистора с напряжением 1200 В будет выполняться на TSMC по 0,65‑мкм техпроцессу [13].

В октябре 2017 года американская компания Navitas Semiconductor также анонсировала освоение на TSMC технологии производства интегральных микросхем силовой электроники GaN на Si [14]. В разработанных Navitas микросхемах марки AlGaN с интегрированными на одном чипе драйвером управления и мощным транзистором в сравнении с традиционным кремнием достигнуто в 100 раз лучшее быстродействие, пятикратное повышение плотности мощности, повышение энергоэффективности на 40% и снижение стоимости на 20%. Значительного улучшения параметров преобразователей напряжения с применением интегрированных ИС марки AlGaN удалось добиться и в сравнении с дискретными драйвером и GaN-транзистором (рис. 4) [15].

Рис. 4. Параметры преобразователей напряжения с применением кремниевых и GaN-компонентов

ИЭТ на основе гетероструктур GaN-Si обладают хорошей радиационной стойкостью, подтвержденной одной из ведущих компаний по разработке приборов по нитрид-галлиевой технологии — американской EPC (рис. 5) [16]. Это позволяет использовать такие изделия в условиях глубокого космоса.

Рис. 5. Исследования радиационной стойкости GaN-Si MOSFET компании EPC

Шестого февраля 2018 года мировой лидер в области мощных СВЧ-транзисторов и монолитных интегральных микросхем (MMIC) американская компания MACOM Technology и европейская STMicroelectronics (STM) подписали соглашение о внедрении на производстве STM техпроцесса изготовления СВЧ-транзисторов на основе гетероструктур GaN-Si [17]. Обе компании могут использовать эти чипы для создания собственных продуктов, в том числе в новых приложениях СВЧ-энергетики и автоэлектроники. MACOM рассчитывает получить доступ к мощным производственным возможностям STM для замены на основных рынках кремниевых LDMOS-транзисторов на GaN-приборы. Компания STM заинтересована в использовании этих приборов в плазменном зажигании автомобилей и СВЧ-энергетике для повышения эффективности и долговечности осветительных приборов. Как полагают эксперты, потенциальные поставки таких новых приложений, включая микроволновые печи, автомобильное освещение, зажигание и плазменное освещение, достигают миллиардов долларов. Еще недавно казавшиеся незыблемыми рыночные позиции кремниевых LDMOS-транзисторов буквально зашатались с появлением нитрид-галлиевых аналогов, и им прочат постепенное падение спроса с заменой их нитрид-галлиевыми (рис. 6) [18]. MACOM и STM являются также производителями военных кремниевых и нитрид-галлиевых СВЧ-транзисторов, и подобное соглашение только усилит их позиции в этой сфере.

Рис. 6. Доли мирового рынка СВЧ GaN-, GaAs-транзисторов и Si LDMOS в 2015–2025 гг.

За последние пять лет в США, Европе и Азии значительно выросло количество компаний, занимающихся исследованиями материалов и технологий, разработкой и производством приборов на основе гетероструктур GaN-Si. Очевидно, что GaN уже стал премьером среди новых материалов микроэлектроники в самых разных ее сегментах и объемы продаж его продуктов будут только возрастать.

Выводы

1. Решение проблем деформации пластин с гетероструктурами GaN-Si способствовало созданию технологии и оборудования для их формирования на пластинах большого диаметра (до 200 мм) и их активной коммерциализации и снижению стоимости.
2. Нитрид галлия является наиболее универсальным из новых материалов для всех приложений микроэлектроники: мощных полупроводников, ИС, светодиодов.
3. Разработанные на основе гетероструктур GaN-Si высоковольтные (до 1200 В) полупроводниковые приборы превосходят кремниевые аналоги и составляют техническую и коммерческую конкуренцию изделиям из карбида кремния.
4. Быстрый переход к массовому освоению нитрид-галлиевых приборов на крупных фабриках сделает их еще более востребованными и конкурентными в ближайшей перспективе.