近年来，氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）凭借其高频率、高效率和高功率密度的优势，正在革新电源管理和射频领域。然而，要将外延片真正转化为高性能芯片，GaN HEMT的制造工艺面临着一系列严峻的工程挑战。

对于GaN HEMT的从业者来说，核心工作主要围绕以下四个关键目标展开：材料缺陷控制、异质结界面精确控制、寄生效应抑制以及高可靠性实现。我们将按照芯片制造的关键流程，揭示这些“核心工程问题”及其解决方案。

外延与材料(Epitaxy & Material)

外延是所有GaN器件性能的基石，核心是解决异质外延带来的应力和缺陷。

核心问题A:晶格与热失配导致的缺陷

问题描述：GaN在Si或蓝宝石等异质衬底上生长时，存在巨大的晶格失配和热失配。

后果：产生高密度的位错（Dislocations）和巨大的张应力（Tensile Stress）。位错是器件的漏电通道，降低击穿电压（BV）。张应力会导致晶圆翘曲（Warpage）和开裂（Cracking），严重影响后续光刻和良率。

解决方案：精确设计多层缓冲层（BufferLayer），如AlN成核层和AlGaN/GaN超晶格应力调控层。

核心问题B:高位错密度与背景掺杂

问题描述：异质外延导致GaN层的位错密度仍高于Si或SiC同质衬底。同时，MOCVD生长过程中可能引入不可避免的杂质。

后果：影响2DEG电子的迁移率（Mobility），降低器件性能；高背景掺杂影响缓冲层的隔离性（BufferIsolation），导致漏电。

解决方案：优化MOCVD生长参数（温度、压力、V/III比），使用高纯度NH3和金属源。

芯片制程与结构定义(FEOL)

芯片制程关注于如何将平整的外延片转化为具有特定电学性能的晶体管。

核心问题C:欧姆接触的低电阻率与形貌

问题描述：欧姆接触需要实现极低接触电阻率（ρc），减小导通电阻Ron。

后果：高接触电阻率是GaN器件高Ron的主要来源。同时，高温合金化容易导致金属表面形貌粗糙（“结球”），影响后续工艺覆盖。

解决方案：精细调控Ti/Al/Ni/Au金属堆栈的比例和RTA高温退火的温度与时间，以在实现氮空位（VN）和形成TiN的同时，保持良好的表面形貌。

核心问题D:栅极刻蚀的精度与界面损伤(p-GaN E-mode特有)

问题描述：制作p-GaNE-mode栅极时，必须精确刻穿p-GaN层，并停止在极薄的AlGaN势垒层表面。

后果：

刻蚀不足：阈值电压(Vth)漂移或器件无法完全关断。

刻蚀过度：损伤AlGaN势垒层，破坏2DEG通道，导致栅极漏电，器件报废。刻蚀损伤：刻蚀过程中对AlGaN表面造成的损伤（陷阱），影响器件可靠性。

解决方案：利用AlOx的自保护特性实现高选择性刻蚀，结合OES终点检测实现纳米级精度。

核心问题E:表面陷阱与电流崩塌（Current Collapse）

问题描述：GaN器件在高电压/高功率开关状态下，由于表面和界面缺陷，电子会被俘获，导致器件的导通电阻(Ron)在动态工作时远高于静态测试值。

后果：严重限制GaN的高频应用和实际功率输出能力。

解决方案：高质量的器件级钝化（Passivation）。通常在栅极制作后，通过LPCVD沉积低应力、致密的SiNx介质层，覆盖整个GaN表面，从而“中和”或“钝化”陷阱。

互连与封装过程(BEOL&Packaging)

互联和封装过程主要影响器件的实际使用性能、功率密度和可靠性。这个过程中的问题如下：

核心问题F:器件隔离与侧壁漏电

问题描述：Mesa刻蚀用于物理切断2DEG通道。

后果：刻蚀对Mesa侧壁造成损伤，产生新的陷阱态，在高压下成为侧壁漏电，降低器件的击穿电压。

解决方案：侧壁钝化（SiNx覆盖），优化ICP刻蚀配方以减小物理损伤。

核心问题G:高寄生电感与散热限制

问题描述：这是高性能功率GaN的主要瓶颈。传统引线键合（WireBonding)引入巨大的寄生电感，限制了开关速度。同时，厚衬底（尤其是Si）的导热性差，限制了功率密度。

后果：增加开关损耗，导致器件效率下降和热失效。

解决方案：采用先进封装和互连技术，如源极背面引出（Source-on-Back）涉及衬底减薄、TSV刻蚀和背面金属化，以实现低寄生电感和高效率散热。

核心问题H:阈值电压(Vth)的稳定性和漂移

问题描述：p-GaN HEMT的Vth极易受工艺偏差和温度变化影响而漂移。

后果：影响电路设计和可靠性，尤其在高温工作时。

解决方案：优化p-GaN外延层（Mg掺杂的均匀性），精确控制p-GaN刻蚀深度和栅介质层的质量，以提高栅极界面的稳定性。

综上所述，GaN HEMT的量产，本质上是在“低缺陷外延”、“精确界面控制”和“抑制表面陷阱”这三个核心矛盾中寻找最佳的平衡点。每一个纳米级的优化和每一层材料的精确控制，都决定了最终产品的性能和可靠性。正是工程师们对这些核心工程问题的不断攻克，才推动了GaN技术在电力电子和射频领域的持续突破。

来源：芯氮鎵速记

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