Поскольку устройства GaN переходят от исследовательских заводов к производству больших объемов, кремний стал наиболее экономически выгодным субстратом для эпитаксии GaN большого диаметра.ГаН-на-Си В результате, если ширина пластинки превышает 150 мм, а особенно к 200 и 300 мм, возникает механическая проблема, которая часто более ограничивает плотность или подвижность пластинки.

В отличие от электрических дефектов, механические деформации не сразу появляются в IV кривых или измерениях Холла.точность наложения, ухудшающая качествоПонимание и смягчение проблемы дуги, следовательно, не является вопросом периферийных материалов, а основной проблемой интеграции.

Физическое происхождение дуги в структурах GaN-on-Si

Волокно в GaN-on-Si возникает в результате сочетания теплового несоответствия, напряжения решетки и накопления напряжения пленки.

Коэффициент теплового расширения GaN (~5,6 × 10−6 K−1) значительно выше, чем у кремния (~2,6 × 10−6 K−1).При охлаждении от температуры эпитаксиального роста, превышающей 1000 °CЭто дифференциальное сокращение вызывает натяжное напряжение в слое GaN и сжатие в кремнии,в результате макроскопической кривизны пластины.

По мере увеличения диаметра пластинки эта кривизна увеличивается нелинейно.даже если толщина пленки и ее состав остаются неизменными.

Инженерное строительство буферного слоя как первая линия защиты

Наиболее эффективная стратегия для сокращения дуги начинается не с активного слоя GaN, а с буферного стека под ним.

Современная эпитаксия GaN-on-Si опирается на сложные многослойные буферные архитектуры, обычно включающие слои нуклеации AlN, за которыми следуют градационные структуры AlGaN или суперрешетки.Эти слои одновременно служат двум целям: устранение несоответствия решетки и управление тепловым напряжением.

Тщательно настраивая градиенты алюминиевого состава, толщину буфера и периодичность сверхрешетки,можно ввести контролируемое сжатие, которое частично компенсирует напряжение натяжения, возникающее во время охлажденияБуфер эффективно действует как механический амортизатор между GaN и кремниевым.

Однако буферные слои вводят компромисс: чрезмерная толщина уменьшает теплопроводность и увеличивает эпитаксиальное время, в то время как агрессивная компенсация стресса может увеличить плотность трещин.Поэтому оптимальные конструкции требуют совместной оптимизации механических и тепловых характеристик, а не отмены напряжения грубой силой.

Ориентация и толщина подложки: недооцененный рычаг

Выбор кремниевой подложки часто рассматривается как фиксированное граничное условие, но на самом деле это мощный параметр настройки.

Более толстые кремниевые пластинки обладают более высокой жесткостью на изгибе, что уменьшает конечный лук при том же эпитаксиальном напряжении.увеличение конфликтов толщины с совместимостью оборудования и стандартными протоколами обработкиПоэтому многие фабрики работают в узком толщине окна, заставляя контроль напряжения обратно в эпитаксиальную стек.

Кристаллическая ориентация также имеет значение. Большинство растений GaN-on-Si использует Si ((111), что обеспечивает совместимость шестиугольной симметрии с GaN.может влиять на пути расслабления от стресса и поведение распространения трещин, косвенно влияя на макроскопическую деформацию.

По мере увеличения диаметров, инженерия подложки становится меньше о совпадении решетки и больше о дизайне механической системы.

Управление температурой роста и тепловая рампировка

Тепловая история играет решающую роль в определении окончательной формы пластины.

Быстрые температурные скачки во время охлаждения, как правило, "замыкают" градиенты напряжения по толщине пластины, усиливая лук и неравномерную оболочку.многоступенчатые профили охлаждения позволяют частично ослабить напряжение с помощью вывихного скольжения, уменьшая остаточную кривизну.

Аналогичным образом, снижение температуры пикового роста, когда это совместимо с качеством материала, уменьшает общую тепловую экскурсию и, следовательно, абсолютную деформацию несовместимости CTE.Хотя это может незначительно повлиять на кристаллическое качество, компромисс может быть благоприятным для изготовления на больших диаметрах.

На практике оптимизация дуги пластины часто требует переопределения оптимальных условий роста за пределами чисто электронных показателей производительности.

Симетрия напряжения и роль техники на заднем плане

Появляющийся подход к управлению луком фокусируется на восстановлении стрессовой симметрии по всей пластине.

Задние пленки, такие как инженерные диэлектрические покрытия или стрессокомпенсирующие слои, могут быть отложены после эпитаксии, чтобы противодействовать напряжению GaN на передней стороне.эта концепция до сих пор относительно недостаточно изучена в производстве GaN-on-Si.

Удаление неравномерной толщины вводит градиенты кривизны, которые могут либо усугубить, либо частично исправить эпитаксиальную дугу.в зависимости от контроля процесса.

Поскольку GaN-on-Si движется к истинной CMOS-линейной совместимости, такие целостные стратегии балансирования напряжения на уровне пластины, вероятно, приобретут важность.

Обратная связь, основанная на метрологии: лук - это переменный процесс, а не дефект

Одним из наиболее важных концептуальных сдвигов в эпитаксии GaN большого диаметра является лечение лука вафры как контролируемого параметра процесса, а не дефекта после роста.

Высокоразрешенное отображение лука и изгиба, коррелирующее с дизайном буфера, температурными профилями и историей вафры, позволяет оптимизировать замкнутый цикл.Цели на носу все чаще определяются на каждом этапе процесса., а не просто как окончательные критерии приема.

Этот подход, основанный на данных, согласовывает производство GaN с философией, давно используемой в кремниевой стремной инженерии, где напряжение преднамеренно вводится, измеряется,и использовать, а не просто минимизировать.

Оглядываясь в будущее: от борьбы со стрессом к борьбе со стрессом

Минимизируя лук вафли в эпитаксии GaN на Si большого диаметра больше не о ликвидации стресса - невозможная задача с учетом фундаментальных несоответствий материала.Речь идет о разумном проектировании напряжения в масштабах длины., от атомных интерфейсов до механики полных пластин.

Поскольку промышленность движется к 200 мм и выше, успех будет зависеть меньше от постепенного улучшения материалов и больше от совместного проектирования на уровне системы субстратов, буферов, тепловых процессов,и метрологииВ этом смысле, лук пластинки - это не параметр неудобства, а диагностическое окно в механическое состояние всей эпитаксиальной стеки.

Для GaN-on-Si овладение кривизной может в конечном итоге быть таким же важным, как овладение электронами.