這項(xiàng)技術(shù)或?qū)氐赘膶懙壴谏漕l領(lǐng)域的成本格局。
一項(xiàng)新技術(shù)攻克了制約硅基氮化鎵半導(dǎo)體在主流射頻領(lǐng)域落地的核心性能瓶頸。半導(dǎo)體材料企業(yè)Atomera總裁兼首席執(zhí)行官Scott Bibaud表示，該技術(shù)依托低成本硅襯底實(shí)現(xiàn)射頻性能突破，將徹底改寫氮化鎵在射頻領(lǐng)域的成本格局。
面向高性能射頻場(chǎng)景的氮化鎵器件，傳統(tǒng)上均采用碳化硅襯底制造。這類器件性能優(yōu)異，但成本高昂且難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)。反觀硅襯底，不僅成本更低、更易擴(kuò)產(chǎn)，還可適配大尺寸晶圓，同時(shí)與主流硅基制造工藝具備高度兼容性。
但硅與氮化鎵的晶格結(jié)構(gòu)并不匹配，兩種材料的過(guò)渡區(qū)域會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)，并向上延伸至氮化鎵有源層，大幅劣化器件性能。隨著外延層厚度增加，位錯(cuò)密度通常會(huì)有所降低。650伏氮化鎵功率器件的氮化鎵層厚度一般約為4至5微米，較厚的膜層能夠在一定程度上降低位錯(cuò)密度。而射頻用氮化鎵的膜層厚度通常僅2微米左右，因此位錯(cuò)問(wèn)題會(huì)更加突出。此外，兩種半導(dǎo)體材料的熱膨脹系數(shù)存在差異。當(dāng)晶圓從約1000攝氏度的外延生長(zhǎng)溫度冷卻至室溫時(shí)，會(huì)出現(xiàn)翹曲變形。
為解決上述問(wèn)題，業(yè)內(nèi)會(huì)在生長(zhǎng)氮化鎵之前，先逐層沉積多種不同組分的材料。其中首層為成核層，主流材料為氮化鋁。行業(yè)長(zhǎng)期投入大量工程資源，用以抑制位錯(cuò)、控制晶圓翹曲。目前相關(guān)技術(shù)已發(fā)展成熟，硅基氮化鎵功率器件具備商業(yè)化價(jià)值，憑借優(yōu)異性能，其市場(chǎng)規(guī)模也實(shí)現(xiàn)高速增長(zhǎng)。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Yole預(yù)測(cè)，未來(lái)五年氮化鎵功率器件市場(chǎng)的年均復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到40%。
而硅基氮化鎵在射頻領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)度落后于功率領(lǐng)域，核心原因是硅襯底界面會(huì)形成寄生電荷層，造成射頻損耗增加，同時(shí)線性度與功率承載能力也不及其他技術(shù)。制造過(guò)程中，鋁、鎵元素會(huì)滲入硅襯底并形成P型摻雜，進(jìn)而生成這類有害的寄生電荷層。即便采用高阻硅襯底，在制備成核層及后續(xù)晶圓加工環(huán)節(jié)，界面處依然會(huì)積累電荷。
寄生溝道的形成原理示意圖
受寄生溝道損耗影響，硅基氮化鎵在射頻應(yīng)用中表現(xiàn)不佳，高頻工況下效率下滑問(wèn)題尤為突出。Atomera推出的米爾斯硅技術(shù)（MST）有效降低了此類損耗，為5G及其他高頻射頻設(shè)備打造出兼具高線性度與低成本的氮化鎵解決方案。
米爾斯硅技術(shù)是一種基于量子工程的薄膜技術(shù)。該技術(shù)在硅晶圓表層生成一層經(jīng)氧改性的薄層，為氮化鎵外延生長(zhǎng)打造更優(yōu)質(zhì)的基底，讓硅襯底能夠更好地支撐高性能射頻器件的研發(fā)制造。這一可控薄層可改變硅晶格結(jié)構(gòu)，阻擋電摻雜劑擴(kuò)散，進(jìn)而提升氮化鎵與硅結(jié)合界面的晶體品質(zhì)。
Atomera與比利時(shí)射頻半導(dǎo)體測(cè)試服務(wù)商Incize達(dá)成合作，針對(duì)MST樣品開展了全面射頻性能表征。在小信號(hào)射頻測(cè)試，首輪測(cè)試采用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)開展小信號(hào)射頻測(cè)試，測(cè)算射頻損耗，并進(jìn)一步換算為晶圓等效電阻率。多組晶圓完成測(cè)試后，XRD表現(xiàn)最優(yōu)的那款MST結(jié)構(gòu)，同樣在射頻測(cè)試中拔得頭籌。
最優(yōu)MST樣品的射頻損耗與等效電阻率頻率特性。
在大信號(hào)射頻測(cè)試，輸入功率測(cè)試區(qū)間約為-15dBm至+40dBm，同步采集二次、三次諧波功率數(shù)據(jù)。在輸入功率+15dBm時(shí)，最優(yōu)MST樣品的二次諧波功率為-96dBm，三次諧波功率為-115dBm；該樣品900兆赫茲下等效電阻率達(dá)16千歐?厘米。作為參照，普通硅基氮化鎵對(duì)比晶圓的二次諧波功率為-67dBm，三次諧波功率為-87dBm。換算可知，MST樣品的二次、三次諧波功率，均比對(duì)比晶圓低約1000倍，線性度實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。
各類射頻技術(shù)性能對(duì)標(biāo)曲線
實(shí)測(cè)表明，米爾斯硅技術(shù)可全面提升氮化氧化硅平面器件的各項(xiàng)晶圓級(jí)可靠性指標(biāo)。Incize創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Mostafa Emam稱：“除小信號(hào)性能得到優(yōu)化外，大信號(hào)測(cè)試結(jié)果尤為亮眼。同時(shí)器件在大功率工作區(qū)間也實(shí)現(xiàn)了線性度提升，性能已接近高端射頻SOI技術(shù)水平。”
Atomera內(nèi)部測(cè)試結(jié)果顯示，米爾斯硅技術(shù)可將寄生溝道電荷降低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，從根源減少射頻功率損耗，顯著提升硅基氮化鎵器件的高頻性能。測(cè)試數(shù)據(jù)同時(shí)證明，搭載該技術(shù)的器件在高負(fù)載、高功率工況下，仍能穩(wěn)定保持信號(hào)品質(zhì)與線性度。
Atomera創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官Robert Mears補(bǔ)充道，線性度是射頻設(shè)計(jì)人員最為關(guān)注的指標(biāo)。他表示：“最新測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，采用米爾斯硅技術(shù)的硅基氮化鎵產(chǎn)品，射頻損耗與線性度指標(biāo)均可媲美高端高陷阱射頻SOI器件。在30毫瓦標(biāo)準(zhǔn)輸入功率下，其線性度較普通硅基氮化鎵對(duì)比晶圓提升了千倍，表現(xiàn)十分出色。”
來(lái)源： 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫
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