西电郝跃院士团队实现硅与GaN器件的晶圆级单片异质集成

2020年7月，实验室关于硅和氮化镓异质集成芯片的相关研究成果在国际半导体器件权威期刊IEEE Transactions on Electron Devices上发表，郝跃院士团队的张家祺博士和张苇杭博士为本论文的共同第一作者，张春福教授为论文的通讯作者。国际半导体行业著名杂志《Semiconductor Today》及时对成果进行了跟踪报道，受到国内外业界的关注。

《Semiconductor Today》总部位于英国，是国际半导体行业著名杂志和网站，专注于报道国际半导体领域的重要研究进展和最新行业动态，具有很强的行业影响力。《Semiconductor Today》指出：中国西安电子科技大学研究团队研发的“转印与自对准刻蚀技术”有效地实现了晶圆级的异质集成，有望将多种不同的功能材料如硅、氮化镓等集成在晶圆级的单片上，以此为基础制造的器件及集成电路理论上具有更加多样强大的功能与更高的集成度。基于所研发的低成本转印与自对准刻蚀新技术，西安电子科技大学团队首次实现了晶圆级硅与氮化镓单片异质集成的增强型共源共栅晶体管,取得了硅和氮化镓晶圆级单片异质集成新突破。该新技术避免了昂贵复杂的异质材料外延和晶圆键合的传统工艺技术，有望成为突破摩尔定律的一条有效技术路径。

氮化镓高功率器件在电力电子领域中受到越来越多的关注，在汽车电子、机电控制、光伏产业和各类电源系统中得到越来越多的应用。电力电子器件更加需要常关态增强型氮化镓功率器件，但由于异质结二维电子气形成原因，一般的氮化镓器件主要是耗尽型的。一种可行的方案是由一个增强型硅晶体管与一个耗尽型氮化镓晶体管级联组成共源共栅型增强型氮化镓器件，这种结构拥有稳定的正阈值电压并且与现有的栅驱动电路相兼容。此外，由于硅MOS结构的引入使得共源共栅氮化镓器件具有更大的与驱动电路兼容的栅压摆幅。

然而，如何实现晶圆级单片集成Si-GaN共源共栅晶体管是一个十分困难的问题，因为这涉及到两种完全不同的半导体材料集成在同一个晶圆上。郝跃院士团队创新地提出了一种转印和自对准刻蚀方法，并首次实现了晶圆级的Si-GaN单片异质集成的共源共栅晶体管。这项技术和方法有望实现多种材料的大规模异质集成并基于此制造功能多样化的器件和电路，避免了昂贵且复杂的材料异质共生技术或晶圆键合工艺。通过转印和自对准刻蚀的新技术，使得硅器件与氮化镓器件的互连距离缩短至100μm以下，仅为传统键合线长度的5%。据估算，新型的共源共栅晶体管可以比传统键合方法减少98.59%的寄生电感。Si-GaN单片异质集成的共源共栅晶体管的阈值电压被调制为2.1V，实现了增强型器件。该器件栅压摆幅在栅漏电低于10-5mA/mm的范围内达到了±18V。经过大量器件测试和可靠性试验后，芯片之间的性能具有良好的一致性，这充分证明了转印和自对准刻蚀技术实现晶圆级单片集成共源共栅晶体管的巨大潜力和优势。