Ponieważ urządzenia GaN migrują z fabryk badawczych do produkcji dużych objętości, krzem stał się najbardziej ekonomicznie opłacalnym podłożem do epitaxy GaN o dużej średnicy.GaN-on-Si W przypadku przesuwania płytek powyżej 150 mm, a zwłaszcza w kierunku 200 mm i 300 mm, pojawia się wyzwanie mechaniczne, które często jest bardziej ograniczające niż gęstość lub ruchomość wychylenia: łuk płytki i warpage.

W przeciwieństwie do wad elektrycznych, deformacje mechaniczne nie pojawiają się natychmiast w krzywych IV lub pomiarach Halla.dokładność nakładki degradacyjnejZrozumienie i łagodzenie problemu łuku nie jest zatem kwestią materiałów peryferyjnych, ale podstawowym problemem integracji.

Fizyczne pochodzenie łuku w strukturach GaN na Si

Łuk płytki w GaN-on-Si pochodzi z połączenia niezgodności termicznej, napięcia siatki i akumulacji naprężenia filmu.

Współczynnik rozszerzenia termicznego (CTE) GaN (~ 5,6 × 10−6 K−1) jest znacznie wyższy niż w przypadku krzemu (~ 2,6 × 10−6 K−1).Podczas chłodzenia z temperatury wzrostu epitaksjalnego przekraczającej 1000 °C, GaN kurczy się bardziej niż podstawa krzemu.powodując makroskopowe zakrzywienie płytki.

W miarę wzrostu średnicy płytki, zakrzywienie rośnie w sposób nieliniowy.nawet jeśli grubość folii i jej skład pozostają niezmienione.

Inżynieria warstwy buforowej jako pierwsza linia obrony

Najbardziej skuteczna strategia redukcji łuku rozpoczyna się nie od aktywnej warstwy GaN, ale od podkładki buforowej pod nią.

Współczesna epitaxia GaN-on-Si opiera się na złożonych, wielowarstwowych architekturach buforów, zazwyczaj zawierających warstwy nukleacji AlN, po których następują stopniowe struktury AlGaN lub superlattice.Te warstwy służą dwóm celom jednocześnie: dostosowanie się do niezgodności siatki i zarządzanie napięciem cieplnym.

Dzięki starannemu dostosowaniu gradientów składu aluminium, grubości bufora i okresowości superlattice,możliwe jest wprowadzenie kontrolowanego naprężenia ciśnieniowego, które częściowo równoważy naprężenie rozciągające powstałe podczas chłodzeniaBufor działa skutecznie jako mechaniczny “absorbent wstrząsów” między GaN a krzemu.

Jednak warstwy buforowe wprowadzają kompromisy: nadmierna grubość zmniejsza przewodność cieplną i zwiększa czas epitaksyalny, podczas gdy agresywna kompensacja naprężenia może zwiększyć gęstość pęknięć.Optymalne konstrukcje wymagają zatem współoptymalizacji wydajności mechanicznej i termicznej, a nie anulowania naprężenia siłą brutalną.

Orientacja i grubość podłoża: nieoceniona dźwignia

Wybór podłoża krzemowego jest często traktowany jako stały warunek graniczny, ale jest to w rzeczywistości potężny parametr dostosowujący.

Gęstsze płytki krzemowe wykazują wyższą sztywność gięcia, zmniejszając ostateczny łuk dla tego samego naprężenia nawierzchniowego.zwiększenie konfliktów grubości ze zgodnością sprzętu i standardowymi protokołami obsługiWiele fabryk działa zatem w wąskim oknie grubości, zmuszając kontrolę naprężeń z powrotem do stosu epitaksjalnego.

W większości procesów wzrostu GaN-on-Si wykorzystuje się Si ((111), co zapewnia zgodność symetrii sześciokątnej z GaN.może wpływać na szlaki relaksu stresu i zachowanie rozprzestrzeniania się pęknięć, pośrednio wpływając na makroskopową warpage.

Wraz z wzrostem średnic inżynieria podłoża staje się mniej związana z dopasowaniem siatki, a bardziej z projektowaniem mechanicznym systemu.

Zarządzanie temperaturą wzrostu i rampowanie termiczne

Historia termiczna odgrywa kluczową rolę w określeniu ostatecznego kształtu płytki.

Szybkie wzrosty temperatury podczas chłodzenia mają tendencję do "zablokowania" gradientów naprężeń w grubości płytki, wzmacniając łuk i nierównomierną warpage.Profile chłodzące wieloetapowe umożliwiają częściowe rozluźnienie naprężeń poprzez przesuwanie z wychylenia i przesuwanie się powierzchni, zmniejszając pozostałe zakrzywienie.

Podobnie obniżenie temperatury szczytowej wzrostu, gdy jest zgodne z jakością materiału, zmniejsza całkowitą ekskurzję termiczną, a tym samym absolutne niezgodności CTE.Choć może to mieć niewielki wpływ na jakość kryształu, kompromis może być korzystny dla możliwości produkcji w dużych średnicach.

W praktyce optymalizacja łuku płytki często wymaga ponownej definicji optymalnych warunków wzrostu poza czysto elektronicznymi wskaźnikami wydajności.

Symetria naprężenia i rola inżynierii tylnej

Pojawiające się podejście do kontroli łuku koncentruje się na przywróceniu symetrii naprężenia w całej płytce.

Filmów z tylnej strony, takich jak powłoki dielektryczne inżynieryjne lub warstwy kompensujące naprężenie, można odkładać po epitaksji, aby przeciwdziałać naprężeniu GaN z przodu.pojęcie to jest nadal stosunkowo mało zbadane w produkcji GaN na Si.

Wykluczenie nierównomiernej grubości wprowadza gradienty zakrzywienia, które mogą zaostrzyć lub częściowo skorygować łuk epitaksjalny,w zależności od kontroli procesu.

Ponieważ GaN-on-Si zmierza w kierunku prawdziwej kompatybilności linii CMOS, takie holistyczne strategie równoważenia naprężenia na poziomie płytki prawdopodobnie zyskają na znaczeniu.

Odpowiedzi z metrologii: Łuk jest zmiennym procesem, a nie wadą

Jedną z najważniejszych zmian koncepcyjnych w epitacji GaN o dużej średnicy jest traktowanie łuku płytki jako kontrolowalnego parametru procesu, a nie defektu po wzroście.

Wysokiej rozdzielczości mapowanie łuku i warpage, skorelowane z zaprojektowaniem bufora, profili temperatury i historii płytki, umożliwia optymalizację zamkniętej pętli.Celowe cele łuku są coraz częściej definiowane na etapie procesu, nie tylko jako ostateczne kryteria akceptacji.

Takie podejście oparte na danych dopasowuje produkcję GaN do filozofii długo stosowanej w silnikich silnikowych, gdzie naprężenie jest celowo wprowadzane, mierzone,i wykorzystywane zamiast po prostu zminimalizowane.

Patrzenie w przyszłość: od kontroli szkód do projektowania stresu

Minimalizowanie łuku płytki w dużych średnicy GaN-on-Si epitaxy nie jest już o eliminowaniu stresu - niemożliwe zadanie biorąc pod uwagę podstawowe niezgodności materiału.Chodzi o inteligentne projektowanie napięć w skali długości., od interfejsów atomowych po mechanikę pełnych płytek.

W miarę jak przemysł będzie się przesuwał w kierunku 200 mm i dalej, sukces będzie zależał mniej od stopniowych ulepszeń materiałów, a bardziej od współprojektowania na poziomie systemu podłoża, buforów, procesów termicznych,i metrologiiW tym sensie, łuk płytki nie jest parametrem uciążliwym, ale diagnostycznym okienkiem do stanu mechanicznego całego stosu epitaksjalnego.

Dla GaN-on-Si, opanowanie krzywizny może być ostatecznie tak samo ważne jak opanowanie elektronów.