ALD技术在GaN功率器件上的优势

氮化镓（GaN） 是由氮和镓组成的一种半导体材料，因为其禁带宽度大于2.2eV，又被称为宽禁带半导体材料。宽禁带半导体材料有着更高得多的临界雪崩击穿场强，较高的热导率。基于宽禁带半导体材料的电力电子器件具有比硅器件高得多的耐受高电压的能力，低得多的通态电阻，更好的导热性能和热稳定性，更强的耐受高温和射线辐射的能力。它是微波功率晶体管的优良材料，也是蓝色光发光器件中的一种具有重要应用价值的半导体。GaN材料的研究与应用是目前全Q半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料。

氮化镓延片可分为同质外延片与异质外延片。在氮化镓单晶衬底上生长的化为同质外延片，生长在其他衬底材料上为异质外延片。目前常用的衬底材料包括蓝宝石、碳化硅、硅与金刚石。其中硅基氮化镓（GaN on Si）和碳化硅氮化镓（GaN on SiC）是未来的主流技术方向。

氮化镓（GaN）由于其宽禁带特性而成为电力电子产品的绝佳材料。随着交通电气化，GaN功率器件变得越来越重要，器件成本和效率也随之成为了至关重要的因素。对于许多应用而言，增强型或常闭模式器件对于故障安全要求是非常必要的，并且栅介电层（例如Al2O3）对于获得更高效的在增强型模式下工作的器件也是至关重要的。

然而ALD技术使GaN功率器件增效方面有很大的优势，主要体现在以下五个方面：膜质量 (Film Quality)，一致性 (Conformality)，可控性 (Control)，低损伤 (Low Damage)，预处理 (Pre-treatments)。

膜质量 (Film Quality)

氮化镓晶体管的栅极电介质薄膜必须是高质量的，这样才能降低电流的泄漏，从而产生更高的击穿电压。等离子增强ALD（PEALD）技术的优点是可以准确可靠地沉积致密层的，从而优化器件性能。只有在高电压下才会发生击穿，而膜层具备高击穿电压的原因主要有两方面：膜层质量高，以及由于ALD填充空穴的能力而造成针孔缺陷水平低。有意思的是，这些特性只有在200-400°C的适度温度才可以产生，无需其他技术所需要的高温过程。

一致性 (Conformality)

凹槽结构对于许多定向沉积技术（比如磁控溅射）都非常具有挑战性，然而在氮化镓中用到的凹槽几何结构具有相对适中的高宽比，因此对于大多数ALD工艺来说是十分容易做到的。ALD工艺的独特优势就是使得生长的膜层在整体器件结构中连续且厚度基本一致，且对高宽比变化不敏感，因此工艺窗口较大，一般不需要通过改变工艺菜单来保证沉积条件。

可控性 (Control)

在生产及研究过程中，厚度和性能控制都是必不可少的。ALD的工艺独特性能使其在大尺寸衬底沉积中具有更优异的均匀性，从而使所有的器件都具有相同的性能。由于所得到的薄膜厚度是根据所选择的ALD循环次数来确定的，具有良好的重复性，因此不管是不同机台之间，或者同一机台的不同时间段都有非常好的沉积厚度重复性。ALD有着良好的阶梯覆盖特性，工艺菜单易于管理，同一腔室可以兼容多种材料沉积。这些特性使其符合未来材料改性和工艺改进的趋势。例如，使用更高介电材料（如二氧化铪）以及氮化电介质（如氮化铝）。

低损伤 (Low Damage)

在电子工业中，氮化镓与其他半导体相比是加工敏感性的材料之一，然而远程可控等离子ALD（PEALD）技术对氮化镓造成的损耗却很低。优化工艺条件以及控制离子能量和通量能够使界面和薄膜产生较低的缺陷密度，与此同时，活性反应组分密度和通量足以生长高质量的膜层材料，且具备量产能力。

预处理 (Pre-treatments)

在ALD前序工艺中或者只是在空气中暴露后，氮化镓表面可能会产生低质量的表面氧化物，并可能含有缺陷和杂质，比如碳。远程可控等离子体脉冲和ALD前驱体脉冲都可以用来减少上述缺陷和杂质。三甲基铝(TMA)是一种常用于电介质氧化铝生长的ALD前驱体。有意思的是，TMA实际上可以作为还原剂去除氮化镓表面的一些氧化物。正如我们熟知的，氢和氮等离子体能够减少表面氧化物，并且能够去除杂质，比如碳。

GaN功率器件市场具有广阔的发展前景，在未来几年内市场规模有望继续增长。全Q市场和中国市场对于这些领域的需求增加，对于碳化硅和氮化镓功率器件的需求亦将不断增长。在未来的市场竞争中，通过技术创新和质量提升将是半导体企业保持竞争力和获得更多市场份额的重要策略，而ALD技术将会成为这一战略中不可缺少的一员。