GaN|芬兰阿尔托大学和Okmetic公司合作展现绝缘体上硅(SOI)基氮化镓在功率电子应用中的良好前景

大国重器2021-09-10 09:36:45

今天的第一篇推送是将绝缘体上硅做衬底将进一步提升硅基GaN器件的性能。

第二篇推送是法国泰利斯和瑞典SAAB分别为丹麦海军和印度战机提供GaN基发射机和GaN基雷达产品。

 

芬兰阿尔托大学和硅晶圆企业Okmetic公司合作,就以金属有机物气相外延(MOVPE)方式在6英寸绝缘体上硅(SOI)衬底上生长氮化镓(GaN)展开研究,证实SOI是实现功率电子器件具有前景的平台。

 

背景

将硅基GaN用于功率电子器件的热度在持续增加,特别是整流二极管和高电子迁移率晶体管。硅基GaN的优势是可提供与现有最高8英寸互补金属氧化物半导体(CMOS)制造厂兼容的现成衬底。硅同样表现出高导热性,这对于功率器件是一个非常明显优势。

但是,当使用标准的硅衬底,可获得的材料质量受限于晶格和热膨胀失配。这就是为什么硅基GaN似乎更适合低电压功率电子器件(600-1200V范围),而碳化硅基GaN则较适合需要更高性能的应用。

 

研究起点

芬兰阿尔托大学以使用SOI衬底作为研究起点,因SOI衬底有能力来减轻晶格和热失配所产生的不利影响,还可吸收外延过程中产生的部分应力。其他研究同样证实SOI衬底的绝缘埋氧层改进了功率电子器件的击穿特性,能在更高工作电压范围使用硅基GaN功率电子器件。

 

实验过程

研究人员计划全面研究不同衬底晶体质量和应力所产生的影响。在研究中,GaN层分别生长在标准硅衬底、1μm厚埋氧层SOI、2μm厚埋氧层SOI上。GaN层通过使用标准AlGaN和AlN低压MOVPE来生长。生长在硅和SOI晶圆上的2μm厚外延层的标准偏差分别是1.25%和1.36%。

 

实验结果

·根据X射线衍射分析,生长在SOI衬底上的GaN层显示出更低的应力。

·选择性刻蚀缺陷测量显示,使用SOI衬底将位错密度大约减少2倍。

·在保证相同晶体质量的前提下,在SOI衬底上生长可使用比标准硅衬底更薄的AlGaN衬底。

·同步辐射X射线形貌分析证实,SOI基GaN外延的应力释放机制是在器件硅层上形成位错网络的原因。

·埋氧层能显著改善垂直泄露特性,击穿电压的起点被提高了大约400V。

这些结果都证实SOI基GaN是功率电子应用的一个有前景的平台。

 

下一步工作

Okmetic正在与其他伙伴开展研究合作,来进一步提高GaN的电阻率。


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