GaN-on-SOI 用于先进器件：将 GaN 的性能与键合 SOI 的隔离特性相结合，实现高效、紧凑的功率和射频解决方案的单片集成。

大规模验证：迄今为止，已交付近五十万片晶圆，支持高产率的 GaN 生长。

本文引自OKEMTICS网站

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引言
氮化镓（GaN）由于其卓越的材料特性，正在半导体行业中迅速崭露头角，使得它在高功率电子、射频（RF）应用、LED 和光电子学领域具有出色的表现。GaN 的宽禁带、高击穿电压和高电子迁移率使得器件能够在比传统硅基技术更高的电压、温度和频率下有效工作（图 1）。这些特性使 GaN 成为功率和射频应用的理想选择，因为这些领域对效率、可靠性和性能有着严格要求。

然而，在硅基板上生长高质量的 GaN 薄层面临着一些挑战。GaN 和硅之间显著的晶格失配以及热膨胀系数差异可能导致高位错密度、晶圆弯曲，甚至在高温外延生长过程中出现裂纹。这些机械和热应力必须得到精确管理，以确保器件的可靠性和制造良率。

本文探讨了优化的硅晶圆和键合的硅绝缘体（SOI）基板在支持 GaN 生长中的作用，重点关注它们在功率和射频器件中的优势。虽然 GaN-on-Silicon 和 GaN-on-SOI 提供了成本和可扩展性的优势，但解决晶格和热失配的内在挑战需要先进的缓冲层工程和优化的基板设计相结合。通过定制硅和 SOI 基板中的关键参数，如晶圆厚度、间隙氧浓度、边缘轮廓和电阻率，可以缓解应力、抑制缺陷形成，并提高 GaN 外延过程中的机械稳定性。

除了这些优势，GaN-on-SOI 还提供了单片集成的额外优势，使得多个功能可以集成在单个芯片上，进一步简化了整体器件架构。这些综合优势使得硅和键合 SOI 基板非常适合用于 GaN 在功率转换、LED 器件、5G 和其他高频系统中的应用。

GaN 生长与基板选择
硅是成本效益高且可扩展的选择

GaN 生长在高性能功率和射频应用中变得越来越关键。外延方法，如金属有机化学气相沉积（MOCVD），通常用于在各种基板上生长 GaN，包括硅（Si）、键合硅绝缘体（SOI）、碳化硅（SiC）和蓝宝石。如图 2 所示，每种基板在 GaN 生长中都提供了独特的优势和挑战。

与 SiC 晶圆相比，硅晶圆显著更为经济且广泛可用，使其成为制造商的经济选择。除了较低的材料成本外，硅晶圆因其与 CMOS 的兼容性和更大尺寸（最大可达 300 毫米）而支持大规模生产，这增加了每片晶圆的芯片数量。成熟的硅供应链和现有的制造基础设施进一步降低了成本，因为不需要专用设备，使硅成为 GaN-on-Si 技术的理想平台。此外，GaN-on-Si 的制造通常比 GaN-on-SiC 更环保，因为 SiC 的生产需要更高的能耗，并涉及更多资源密集型的过程。

在基于硅的选择中，键合的硅绝缘体（SOI）基板已经成为一个重要的选择。

图 2. 用于 GaN 外延生长的不同基板

硅是成本效益高且可扩展的选择
GaN 生长在高性能功率和射频应用中变得越来越关键。外延方法，如金属有机化学气相沉积（MOCVD），通常用于在各种基板上生长 GaN，包括硅（Si）、键合硅绝缘体（SOI）、碳化硅（SiC）和蓝宝石。如图 2 所示，每种基板在 GaN 生长中提供了不同的优势和挑战。

与 SiC 晶圆相比，硅晶圆显著更为经济且广泛可用，使其成为制造商的经济选择。除了较低的材料成本外，硅晶圆由于与 CMOS 的兼容性和提供更大尺寸（最大可达 300 毫米）的能力，支持大规模生产，这增加了每片晶圆的芯片数量。成熟的硅供应链和现有的制造基础设施进一步降低了成本，因为不需要专用设备，这使得硅成为 GaN-on-Si 技术的理想平台。此外，GaN-on-Si 的制造通常比 GaN-on-SiC 更加环保，因为 SiC 的生产需要更高的能量消耗，并涉及更多资源密集型的过程。

在基于硅的选择中，键合的硅绝缘体（SOI）基板已经成为 GaN 生长的一个有前途的替代方案，提供了更好的晶体质量和更少的裂纹，因为在外延过程中改进了应力管理[Lemettinen]。SOI 的优势，包括其对功率和射频组件的单片集成潜力，使其成为下一代 GaN 器件平台的有吸引力的选择。

除了较低的材料成本外，硅晶圆还因其与 CMOS 的兼容性以及可提供更大尺寸（最大可达 300 毫米）而支持大规模生产，从而增加了每片晶圆的芯片数量。

如何通过基板优化克服 GaN-on-Si 的挑战

GaN 和硅之间的热膨胀和晶格失配在 GaN 生长和冷却过程中会产生显著的机械应力（图 3）。这些应力可能导致晶圆弯曲、翘曲、裂纹和高位错密度，从而负面影响器件性能和良率。解决这些机械挑战对于实现高质量的 GaN 外延生长在硅基板上至关重要。

虽然外延工程，特别是使用如 AlN 或 AlGaN 等材料的缓冲层设计，对于管理应力和减少位错（图 4）是至关重要的，但成功的 GaN-on-Si 生长的一个重要因素在于使用高质量、优化的硅基板。优化的硅基板提供了支持先进外延结构并增强 GaN 薄膜性能所需的机械稳定性和表面质量。

图 3. GaN-on-Si 的晶格和热失配。
上图：GaN 与硅的晶格常数不同（GaN 较大），这在成核过程中引入应力。这可能导致缺陷，如在系统尝试缓解应力时形成穿透位错。
下图：在从高温冷却过程中，硅比 GaN 收缩更多，如果硅基板未针对 GaN 生长进行优化，会导致 GaN 薄膜出现弯曲/翘曲和裂纹形成。

图 4. 两种常用缓冲层设计的示意图：超晶格缓冲层（左）和步进梯度缓冲层（右），用于在优化的硅基板上进行 GaN-on-Si 生长。除了缓冲层工程，硅基板的质量和优化在应力和缺陷管理中也起着至关重要的作用，提供成功的 GaN 外延生长所需的机械稳定性。超晶格缓冲层由重复的 AlGaN/AlN 层组成，逐步解决晶格和热失配问题，而步进梯度缓冲层通过逐层变化铝含量来放松应力并减少晶圆弯曲。

优化的硅基板用于高质量 GaN 外延生长

全面的基板工程方法是成功实现 GaN-on-Si 生长的关键。可以通过精细调整多个基板参数来支持高质量的外延生长并减少与应力相关的缺陷：

• <111> 方向与严格的表面方向公差有助于管理应力、减少晶格失配效应并提高良率
• 较厚的晶圆减少了原位弯曲，确保均匀的外延生长
• 控制杂质，如间隙氧（Oi），防止滑移，增强机械强度
• 设计优化的边缘有助于气体流动和热分布，确保一致的处理
• 为射频或功率器件需求优化电阻率

虽然外延工程，特别是缓冲层设计，对于管理应力和减少位错至关重要，但成功实现 GaN-on-Si 生长的一个重要因素在于使用高质量、优化的硅基板。

取向与厚度
硅，特别是具有 <111> 取向和严格表面方向公差的硅，通常被选用于 GaN 生长，因为它提供了更好的晶格兼容性，有助于减少应力并在外延过程中提高晶体质量。

然而，由于硅与 GaN 之间存在显著的晶格常数和热膨胀系数失配，通常需要更厚的硅晶圆来管理在高温处理过程中产生的机械和热应力。通过原位晶圆弯曲测量，可以实时监测晶圆弯曲的变化，从而为应力演变和生长过程中的机械稳定性提供见解。

如图 5 所示，较厚的 1,000 微米晶圆相比于较薄的 725 微米晶圆表现出更稳定和平滑的弯曲演变，而薄晶圆则显示出更大的波动和更大的弯曲变化。这表明，增加晶圆厚度有助于增强机械稳定性，并减少在 GaN 外延过程中对弯曲的敏感性。更稳定的晶圆弯曲或翘曲有助于提高薄膜均匀性，并有助于减轻潜在的良率问题，如错位、局部应力或缺陷形成。

控制氧含量
此外，精确控制硅基板中的间隙氧（Oi）水平对增强机械强度和提高晶圆稳定性至关重要。良好管理的 Oi 浓度可以提高晶圆抵抗滑移形成的能力，帮助减少翘曲，并确保在 GaN 外延的高温条件下具有更好的耐久性。滑移线是由于热应力下的塑性变形而形成的位错网络，它们的存在可能表示晶圆内的机械损伤。

氧沉淀是热处理过程中形成的小氧原子簇，它们在增强材料强度方面发挥着有益的作用。当氧沉淀足够小，它们可以钉扎位错 [Zeng, Sueoka]，增强材料的强度，使其更耐变形。这些沉淀通常在高温处理过程中形成，此时多余的氧原子在硅晶格中迁移并聚集在一起。虽然较高的间隙氧含量往往会促进更多沉淀物的形成并改善机械性能，但它们的生长必须严格控制，以避免引入不需要的缺陷。

图 6. X 射线衍射成像（XRDI）分析显示，优化过的 Oi 水晶圆（b）相比于未优化的水晶圆（a）具有更少的滑移线。GaN 生长中的滑移线较少表明较低的应力和更好的材料质量。

如图 6 所示，通过 X 射线衍射成像（XRDI）分析，优化过 Oi 水晶圆（图 6 b）相比于未优化的水晶圆（图 6 a），滑移线显著减少，突显了 Oi 控制对于保持晶圆完整性的重要性。更少的滑移线意味着更好的器件性能和更强的机械稳定性，确保 GaN 应用中更高的可靠性。

良好管理的 Oi 浓度提高了晶圆对滑移形成的抵抗力，帮助减少翘曲，并确保在 GaN 外延的高温条件下具有更高的耐久性。

边缘工程

工程化的晶圆边缘在优化 GaN 外延生长中发挥着重要作用，通过促进晶圆表面均匀的气体流动和热分布来实现。适当的边缘形状可以减少局部温度梯度，抑制可能导致薄膜厚度不均或缺陷的边界相关异常。这有助于提高生长过程的一致性，改善外延层的均匀性、表面形态，并最终提高器件的良率。

在大直径晶圆中，边缘效应更为显著，因此边缘工程尤其重要，它可以影响工艺稳定性和材料质量。

边缘工程有助于提高生长过程的一致性，改善外延层均匀性、表面形态，并最终提高器件的良率。

电阻率

硅晶圆的电阻率在 GaN-on-Si 外延生长中起着关键作用，影响生长过程和最终器件的性能。Okmetic 的高级磁控铸晶（A-MCz®）晶体生长工艺提供高质量的硅基板，具有精确调控的电阻率水平，以满足射频（RF）和功率应用的具体要求。

对于功率电子应用，通常使用低电阻率硅晶圆（通常 <0.02 欧姆·厘米）。在功率器件中，外延堆叠一般较厚，因此需要更具机械强度的基板，以保持加工和工作过程中的结构完整性。

相比之下，对于射频应用，通常使用高电阻率硅晶圆（通常 >1,000 欧姆·厘米），以减少射频信号与硅基板之间的非期望相互作用。这可以减少射频信号损失，增强线性度和信号完整性，这对高频、高线性器件（如射频开关和功率放大器）至关重要。

因此，选择合适的晶圆电阻率对于优化 GaN-on-Si 器件的机械和电气性能，满足不同目标市场的需求至关重要。

Okmetic 的高级磁控铸晶（A-MCz®）晶体生长工艺提供高质量的硅基板，具有精确调控的电阻率水平，以满足射频（RF）和功率应用的具体要求。

GaN-on-SOI 是一项新兴技术
GaN-on-SOI（氮化镓在绝缘体上硅）是一项在半导体应用中迅速崛起的技术，尤其在功率电子和射频（RF）器件中取得了显著进展。它将 GaN 的高性能特性与 SOI 的电气隔离和机械优势相结合，提供了显著的器件效率和整体性能提升。GaN-on-SOI 技术解决了电气隔离和减少寄生效应等关键挑战，成为下一代功率和射频应用器件的理想平台。

GaN-on-SOI 的一个关键优势是能够实现单片集成，这简化了器件架构，通过将多个功能集成到单一基板上。这种集成提高了可靠性，并允许更紧凑的设计。随着对高效能和迷你化的需求不断增加，GaN-on-SOI 技术在推动下一代半导体创新方面具有重要地位。连接的 SOI 中的埋氧化物（BOX）层显著减少了寄生电容、泄漏和串扰，从而实现更快的开关速度、较低的导通损失以及优越的隔离性，这些特性对高压功率转换至关重要。

Okmetic（连接型）GaN SOI 基板晶圆专门设计用于优化 GaN 性能，提供开发先进 GaN 器件的理想平台，适用于功率和射频应用。我们的基板经过精心设计，能够满足这些应用的需求，同时提供卓越的电气隔离性、低缺陷率、强大的热性能和机械强度。

与我们的 GaN 硅基板晶圆一样，我们的 GaN SOI 基板晶圆的所有参数都可以根据您的具体应用需求进行定制，包括：
• 器件层厚度、晶向、电阻率、Oi 水平
• BOX（埋氧化物）层厚度
• 支撑晶圆厚度、晶向、电阻率、Oi 水平

无论您从事高压功率转换还是下一代射频系统，我们的晶圆都能够根据您的具体需求提供最佳性能。

GaN-on-SOI 是一项新兴技术，将 GaN 的高性能特性与 SOI 的电气隔离和机械优势相结合，提供了显著的器件效率和整体性能提升。

GaN-on-SOI 实现单片集成
GaN 器件在先进基板上的单片集成，如连接的 SOI 晶圆，在功率、射频（RF）和 LED 应用中提供了显著的优势，通过简化系统设计、提升性能并减少寄生损耗。

目前，大多数 GaN 功率系统由多个离散芯片组成。像 GaN HEMT 这样的器件通常是分别制造的，然后组装到印刷电路板上。虽然这种模块化的方法很常见，但它带来了复杂性、增加了成本，并可能限制整体系统效率。

一个更有效的替代方案是单片集成，将多个 GaN 功率器件一起制造在一个芯片上。一个从这种方法中受益显著的拓扑结构是半桥转换器，它包括低端和高端开关。这些开关在不同的电压潜力下工作，需要有效的电气隔离。单片集成可以通过先进的基板和隔离策略解决这一问题，包括连接的 SOI 晶圆中存在的埋氧化物（BOX）层。这不仅简化了封装并减少了寄生损耗，还提升了紧凑型功率系统的性能。

GaN 器件在先进基板上的单片集成，如连接的 SOI 晶圆，在功率、射频（RF）和 LED 应用中提供了显著的优势，能够简化系统设计、提升性能并减少寄生损耗。

Okmetic 的连接 SOI 功率 GaN 晶圆
Okmetic 的连接 SOI 功率 GaN 晶圆为全 GaN 集成电路（IC）提供了出色的平台，能够最小化串扰和背栅效应 [Li]，提供卓越的电气隔离性并提升器件性能。
这种性能的实现通过使用 SOI 基板进行 GaN 外延生长，并结合槽隔离方法（图 7），该方法完全隔离高电子迁移率晶体管（HEMT）及其相应的硅器件层。通过将源极端子连接到各自的 Si <111> 器件层，可以完全消除背栅效应。

图 7. 单片集成半桥的示意横截面，其中低端和高端器件采用 200 毫米 (a) GaN-on-Si 和 (b) GaN-on-SOI (带槽隔离) 制造。来自 [Li]

如图 8 所示，当相邻器件的 SOI 基片在 -200 V 到 200 V 之间偏置时，转移特性几乎没有变化。相比之下，当在硅基片上进行偏置时，转移特性发生偏移，表明这些器件的性能退化。这种集成方法减少了寄生电感，缩小了芯片尺寸，消除了背栅效应，并最终提高了功率效率。

图 8. 在 150°C 下的 HEMT 转移特性 (a) 使用普通硅基片偏置从 -200 V 到 200 V (GaN-on-Silicon)， (b) 同时对相邻的硅 (111) HEMT 层施加不同电压偏置 (GaN-on-SOI)，显示出几乎没有影响。来自 [Li]

Okmetic-IMEC GaN-on-SOI 功率器件合作

近期（2024）由比利时大学微电子中心（IMEC）进行的一项研究考察了 Okmetic 的 GaN 优化和非优化 SOI 晶圆，比较了它们对 GaN 生长、晶圆弯曲和稳定性的影响。IMEC 成功地在 Okmetic 的 SOI 晶圆上生长了 4.4 微米的 GaN 外延层（图 9）。研究结果突出了基底引起的机械稳定性在高质量 GaN 外延生长过程中对热和机械应力条件的关键作用。

GaN 优化和非优化的 SOI 晶圆在设备和埋氧化物层以及支撑层厚度方面具有相同的规格。两种晶圆均采用 <111> 晶向，这种晶向有助于提高晶圆的耐用性。两者之间的关键区别在于 GaN 优化 SOI 晶圆，这些晶圆在支撑层中具有更高的掺杂和氧间隙浓度。这一优化大大提高了晶圆在高温 GaN 生长过程中对机械应力的耐受力和稳定性，为 GaN 外延生长提供了理想平台，而不会影响其结构完整性。

GaN优化的SOI晶圆在高温GaN生长过程中展现出的稳健性和稳定性，为GaN外延生长提供了理想平台，且不影响结构完整性。

Okmetic-IMEC GaN-on-SOI电气测试
电气测试确认了晶圆在高性能GaN器件中的适用性，表现出低漏电流、高缓冲击穿电压（反向750V，正向850V），以及最小的电荷俘获效应，正如扩散测量所示（图10a和b）。此外，均匀的AlGaN帽层厚度变化最小（图10c），确保了GaN HEMT中稳定的2DEG特性和可靠的阈值电压，支持在先进功率应用中的长期可靠性和性能。

GaN-on-SOI在射频设备中的应用

Okmetic的键合SOI GaN基板晶圆在射频GaN器件应用中具有显著优势。主要优点包括单片集成能力、低寄生电容、减少基板损耗、高电气隔离性，以及与标准CMOS集成工艺的兼容性——这些特点在高频射频系统中极为宝贵。研究[Tham]、[Jiang]表明，SOI基板可以减少垂直泄漏并改善GaN器件的外延层质量。通过调整BOX层厚度和选择器件及承载晶圆的参数，可以定制基板结构，以满足射频组件的高性能要求。这些因素使得单片集成成为可能，从而在使用Okmetic的键合SOI射频GaN基板晶圆时，支持更紧凑的电路设计并提升整体射频系统性能。

Okmetic的键合SOI GaN基板晶圆实现了单片集成，具有低寄生电容和高电气隔离性，提供了增强的性能和紧凑性，适用于高频射频GaN器件。

结论

GaN-on-Si技术在射频和功率应用中变得越来越重要，这一发展受到更高效率、改进的热管理和成本效益规模化的推动。从2020年到2024年，Okmetic成功交付了约500,000片基板，证明了其解决方案在市场上的强大接受度和可靠性。

硅基板为GaN器件提供了稳定的性能，同时具有无与伦比的成本效益、可扩展性和环境优势，而键合SOI基板则为集成和增强设备性能开辟了新的可能性。实现高质量、可靠的GaN-on-Si和GaN-on-SOI器件需要一个全面的方法，解决多个关键的晶圆特性。优化硅的晶体取向、晶圆厚度、间隙氧浓度、边缘和电阻率对于管理机械应力、最小化晶圆弯曲和滑移形成以及提升器件性能至关重要。这些参数每个都起着不同的作用。因此，晶圆特性的全面优化是推动针对射频和功率电子应用需求量身定制的稳健、高产率GaN生长过程的关键。

Okmetic持续开发GaN优化硅和SOI基板，并通过IMEC等合作验证，展示了公司致力于推动下一代GaN技术的发展。Okmetic的基板提供了一个强大且可靠的平台，支持功率转换和射频通信的进步，同时其可定制的晶圆参数也满足特定设备需求。