Mentre i dispositivi GaN migrano dai laboratori di ricerca alla produzione ad alto volume, il silicio è emerso come il substrato più economicamente praticabile per l'epitaxia del GaN di grande diametro.GaN-on-Si Infatti, la diffusione di una banda di più di 150 mm e soprattutto verso i 200 e i 300 mm introduce una sfida meccanica spesso più limitante della densità di dislocazione o della mobilità: l'arco e la curvatura dei wafer.

A differenza dei difetti elettrici, la deformazione meccanica non appare immediatamente nelle curve IV o nelle misurazioni Hall.precisione di sovrapposizione degradanteLa comprensione e la mitigazione dell'arco non è quindi una questione di materiali periferici, ma un problema di integrazione centrale.

L'origine fisica dell'arco nelle strutture GaN-on-Si

L'arco di wafer in GaN-on-Si proviene da una combinazione di disallineamento termico, deformazione del reticolo e accumulo di tensione del film.

Il coefficiente di espansione termica (CTE) del GaN (~ 5,6 × 10−6 K−1) è significativamente superiore a quello del silicio (~ 2,6 × 10−6 K−1).Durante il raffreddamento da temperature di crescita epitaxiale superiori a 1000 °CQuesta contrazione differenziale induce lo stress di trazione nello strato di GaN e lo stress di compressione nel silicio,risultante in una curvatura macroscopica della wafer.

Con l'aumentare del diametro del wafer, questa curvatura aumenta in modo non lineare.anche se lo spessore e la composizione della pellicola rimangono invariati.

Ingegneria dello strato tampone come prima linea di difesa

La strategia più efficace per la riduzione dell'arco inizia non con lo strato attivo di GaN, ma con la pila tampone sotto di esso.

L'epitaxia moderna di GaN-on-Si si basa su architetture di tamponi complesse e multilivello, che in genere incorporano strati di nucleazione di AlN seguiti da AlGaN o strutture superreticolari graduate.Questi strati hanno due scopi contemporaneamente: accogliere la disadattamento del reticolo e gestire lo stress termico.

Aggiustando attentamente i gradienti di composizione dell'alluminio, lo spessore del tampone e la periodicità del superreticolo,è possibile introdurre una tensione di compressione controllata che controbilanci parzialmente la tensione di trazione generata durante il raffreddamentoIl tampone agisce efficacemente come un "assorbente di scosse" meccanico tra GaN e silicio.

Tuttavia, gli strati tampone introducono compromessi: uno spessore eccessivo riduce la conduttività termica e aumenta il tempo epitaxiale, mentre una compensazione aggressiva dello stress può aumentare la densità delle crepe.Le progettazioni ottimali richiedono quindi una co-ottimizzazione delle prestazioni meccaniche e termiche piuttosto che la cancellazione delle sollecitazioni da forza bruta.

Orientamento e spessore del substrato: una leva sottovalutata

La selezione del substrato di silicio è spesso trattata come una condizione di confine fissa, ma è in realtà un potente parametro di sintonizzazione.

I wafer di silicio più spessi presentano una rigidità di piegatura più elevata, riducendo l'arco finale per la stessa sollecitazione epitaxiale.aumento dei conflitti di spessore con la compatibilità delle attrezzature e i protocolli di movimentazione standardMolte fabbriche, pertanto, operano all'interno di una finestra di spessore ristretto, costringendo il controllo dello stress a rientrare nella pila epitassiale.

L'orientamento del cristallo è anche importante. La maggior parte della crescita di GaN su Si utilizza Si ((111), che fornisce compatibilità di simmetria esagonale con GaN.può influenzare le vie di rilassamento dello stress e il comportamento di propagazione delle crepe, influenzando indirettamente la curvatura macroscopica.

Con l'aumentare dei diametri, l'ingegneria dei substrati diventa meno una questione di corrispondenza tra reticolo e più una questione di progettazione di sistemi meccanici.

Gestione della temperatura di crescita e rampa termica

La storia termica svolge un ruolo fondamentale nel determinare la forma finale del wafer.

Rapide rampe di temperatura durante il raffreddamento tendono a bloccare i gradienti di stress attraverso lo spessore del wafer, amplificando l'arco e la curvatura non uniforme.Profili di raffreddamento a più passaggi consentono un rilassamento parziale dello stress attraverso lo scivolamento dislocato e lo slittamento interfaciale, riducendo la curvatura residua.

Allo stesso modo, l'abbassamento della temperatura di picco di crescita – quando compatibile con la qualità del materiale – riduce l'escursione termica totale e quindi la deformazione assoluta del disallineamento CTE.Anche se questo potrebbe avere un marginale impatto sulla qualità cristallina, il compromesso può essere favorevole per la fabbricabilità a grandi diametri.

In pratica, l'ottimizzazione dell'arco del wafer richiede spesso di ridefinire le condizioni di crescita ottimali al di là delle metriche di prestazione puramente elettroniche.

La simmetria di sforzo e il ruolo dell'ingegneria sul retro

Un approccio emergente al controllo dell'arco si concentra sul ripristino della simmetria dello stress attraverso il wafer.

Le pellicole posteriori – come i rivestimenti dielettrici ingegnerizzati o gli strati di compensazione dello stress – possono essere depositate dopo l'epitaxia per contrastare lo stress GaN del lato anteriore.questo concetto è ancora relativamente poco esplorato nella produzione di GaN-on-Si.

I processi di sottilizzazione e lucidatura posteriori influenzano anche la curvatura finale.a seconda del controllo del processo.

Man mano che il GaN-on-Si si muove verso la vera compatibilità CMOS, tali strategie olistiche di bilanciamento dello stress a livello di wafer probabilmente guadagnano importanza.

Feedback della metrologia: l'arco è un processo variabile, non un difetto

Uno dei più importanti cambiamenti concettuali nell'epitaxia del GaN di grande diametro è trattare l'arco del wafer come un parametro di processo controllabile piuttosto che un difetto post-crescita.

La mappatura ad alta risoluzione dell'arco e della curvatura, correlata al design del buffer, ai profili di temperatura e alla cronologia del wafer, consente l'ottimizzazione a circuito chiuso.gli obiettivi di prua sono sempre più definiti per fase di processo, non solo come criteri di accettazione finali.

Questo approccio basato sui dati allinea la produzione di GaN con la filosofia utilizzata da tempo nella progettazione di deformazioni del silicio, in cui lo stress viene deliberatamente introdotto, misurato,e sfruttato piuttosto che semplicemente minimizzato.

Guardando al futuro: dal controllo dei danni alla progettazione dello stress

Minimizzare l'arco dei wafer nell'epitaxia di grande diametro GaN-on-Si non riguarda più l'eliminazione dello stress, un compito impossibile date le discrepanze fondamentali del materiale.Si tratta di progettare la tensione in modo intelligente attraverso le scale di lunghezza, dalle interfacce atomiche alla meccanica dei full-wafer.

Mentre l'industria si muove verso i 200 mm e oltre, il successo dipenderà meno da miglioramenti incrementali dei materiali e più dalla co-progettazione a livello di sistema di substrati, tamponi, processi termici,e metrologiaIn questo senso, l'arco del wafer non è un parametro fastidioso, ma una finestra diagnostica sulla salute meccanica dell'intera pila epitaxiale.

Per il GaN-on-Si, la padronanza della curvatura può essere alla fine importante quanto la padronanza degli elettroni.