Повышение эффективности нитрида галлия: партнерство Atomera и Национальных лабораторий Сандия

Компании Atomera и Sandia Labs совместно работают над улучшением нитрида галлия (GaN) на кремнии (Si) для повышения эффективности высоковольтных устройств

Компания Atomera и Центр интегрированных нанотехнологий при Национальных лабораториях Сандия договорились о совместной работе по тестированию и совершенствованию технологии изготовления кремниевых интегральных схем Mears (MST) для выращивания нитрида галлия (GaN) на поверхностях из кремния (Si). Цель данного исследования – подтвердить, что новшества, которые уже наблюдаются в качестве материала эпитаксиальных пленок GaN, выращенных на кремниевых подложках, приводят к улучшению электрических характеристик транзисторов, изготовленных на основе этого материала.  Одним из ожидаемых результатов проекта станет изготовление и тестирование высоковольтных транзисторов, работающих в режиме более 650 В, что будет иметь решающее значение для внедрения технологии.

Бизнес полупроводников быстро меняется, поскольку все больше и больше применений в таких областях, как силовая электроника и телекоммуникации, требуют материалов, работающих хорошо и эффективно. Шон Томас, руководитель подразделения передовых логических узлов и питания в Atomera, рассказал в интервью о том, как новые материалы могут помочь в улучшении процесса выращивания GaN на Si, что приведет к созданию более эффективных чипов.

Шон Томас

Atomera применяет свою кремниевую технологию в широком спектре приложений для устройств – от комплементарных МОП-структур на основе кремния до динамической оперативной памяти, высокочастотной и силовой электроники на основе кремния, а относительно недавно и для GaN на Si. За последние 10 лет Atomera провела множество испытаний с ведущими учеными и бизнес-лидерами в области традиционных устройств на Si и опыт показал, что MST обеспечивает значительный прирост производительности без значительных дополнительных затрат или изменения способа изготовления полупроводников.  Было продемонстрировано, что технология может повысить энергопотребление и скорость, эквивалентные полной усадке узла, что приводит к повышению производительности, снижению энергопотребления и уменьшению вариативности.  Теперь они стремятся решить проблемы GaN на Si, чтобы ускорить внедрение.

Томас сказал: «Наша с лабораторией цель – продемонстрировать, что снижение плотности дефектов, а также лучший изгиб и отсутсвие перекосов делает GaN более полезным и эффективным для производителей, что позволяет более широко использовать его во многих областях». Кремний – это хорошо известный и недорогой базовый материал, который необходимо совершенствовать для использования GaN-технологий на пластинах размером до 300 мм. Такая модернизация становится все более важной, поскольку индустрия переходит к более высокому уровню интеграции устройств с использованием GaN, что позволяет сократить расходы и повысить производительность.

Кремниевая технология

В технологии изготовления кремниевых интегральных схем используется процесс эпитаксии, заключающийся в нанесении слоев полупроводниковых элементов, таких как кислород, на полупроводниковый материал, такой как кремний. Эти слои могут изменять или улучшать свойства полупроводников и характеристики устройств различными способами, включая блокирование диффузии, уменьшение вариабельности, повышение мобильности, сведение к минимуму утечки затвора и повышение надежности.

Повышение мобильности позволяет устройствам выдавать больший ток при том же напряжении, что повышает производительность, или снижать ток утечки в выключенном состоянии при том же уровне производительности. Уменьшение рассеивания на границе раздела диэлектрик-затвор приводит к тому, что эффект повышения мобильности становится все более заметным по мере уменьшения размеров плоских устройств и снижения рабочего напряжения. Технология эффективно снижает как инверсионную, так и накопительную утечку затвора. Данное полезное свойство наблюдается в различных затворных диэлектриках, включая диэлектрики с высоким содержанием K.

Кроме того, при данном подходе улучшается ряд показателей надежности на уровне пластин в планарных устройствах с азотированным оксидом, например, время до пробоя диэлектрика, время от заряда до пробоя диэлектрика и температурная нестабильность отрицательного смещения p-канального МОП-транзистора. Также было показано, что в устройствах с металлическими затворами с высоким содержанием K, MST усиливает температурную нестабильность с положительным смещением. Решая ключевые задачи, связанные с производительностью и надежностью полупроводниковых приборов, указанная технология  позволяет разрабатывать высокоэффективные электронные компоненты, необходимые для современных приложений.

Рис. 1: Улучшение подвижности

Рис. 2: Деградация подзатворного диэлектрика

Технология изготовления кремниевых интегральных схем Mears основана на стандартных для отрасли методах эпитаксиального осаждения при пониженном давлении, которые подходят для современных полупроводниковых приборов. Компания Atomera нанесла кремниевый слой с использованием инструментов ведущих производителей оборудования для эпитаксиального осаждения.

Благодаря запатентованным эпитаксиальным методам, обеспечивающим точный атомистический рост и осаждение, инженеры компании приобрели значительный опыт в разработке пленок с особыми свойствами. Эти процедуры гарантируют высокое качество MST-пленок, которые благодаря спектроскопической эллипсометрии (SE) и разработанным собственными силами методологиям позволяют проводить мониторинг при массовом производстве. Эта способность помогает Atomera поддерживать строгую однородность производства MST-пленок и контроль качества, тем самым повышая производительность и надежность полупроводниковых устройств. Компания Atomera гарантирует, что MST-технология может быть легко внедрена в современные процессы производства полупроводников благодаря использованию их сложных методов осаждения и метрологии, что позволяет повысить производительность и КПД устройств.

Рис. 3: Концепция MST-технологии

Сотрудничество с Национальными лабораториями Сандия

Совместная работа Atomera и Национальных лабораторий Сандия направлена на проверку и совершенствование кремниевых интегральных схем Mears для получения GaN на кремниевых подложках. Томас подчеркнул важность этого партнерства, заявив: «Сотрудничество с лабораториями Сандия позволяет нам использовать их обширные ресурсы и опыт в области полупроводниковых материалов для тщательного тестирования и MST». Сотрудничество будет включать в себя углубленное изучение характеристик материалов с акцентом на повышение производительности GaN-устройств, особенно в высоковольтных применениях.

«Мы стремимся продемонстрировать значительные улучшения в подвижности электронов и напряжениях пробоя с помощью MST-технологии, что укрепит ее роль в качестве важнейшей технологии для устройств питания следующего поколения», - сказал Томас. В совокупности эти инициативы не только дадут эмпирическое подтверждение преимуществ MST, но и помогут разработать масштабируемые производственные GaN-технологии.

Томас также отметил необходимость этой работы: «По мере того, как промышленность переходит к электрификации, потребность в эффективных решениях в области энергетики как никогда велика». Обеспечение наших потребностей надежными и высокопроизводительными материалами зависит от нашего сотрудничества с Национальными лабораториями Сандия.

Учитывая спрос на высокопроизводительные силовые устройства в таких областях, как передовые вычисления, возобновляемые источники энергии и электромобили, этот альянс особенно актуален. В рамках проекта предполагается использовать MST для повышения качества и производительности GaN на кремнии, что позволит электрифицировать несколько областей применения, таких как серверы и автомобильные технологии.

Влияние на рынок полупроводников и перспективы на будущее

MST от Atomera и сотрудничество компании с лабораториями Сандия помогли усовершенствовать GaN-технологии, тем самым преобразив рынок полупроводников. «Мы стремимся завоевать значительную долю рынка высоковольтных устройств, особенно в применениях, требующих эффективного управления питанием, предоставляя экономичную альтернативу традиционным решениям из карбида кремния», - заявил Томас.

Технология MST от Atomera особенно интересна, поскольку отрасль испытывает все большее давление в плане развития и удовлетворения растущих потребностей в электрификации, а также преодоления существующих препятствий. Томас сказал: «Бизнес полупроводников находится на ключевом этапе, когда акцент смещается в сторону устойчивости и производительности. Наша работа не только отвечает этим требованиям, но и повышает конкурентоспособность GaN-технологии».

Он добавил, что MST не только повышает производительность, но и поддерживает переход к более экологичным технологиям, отметив повышенное внимание к экологичности и энергоэффективности. Он подчеркнул, что разработки Atomera помогут удовлетворить ожидания рынка в отношении снижения энергопотребления и улучшения терморегулирования.

Томас также рассказал о конкурентной среде: «По мере того, как на рынок GaN выходит все большее число игроков, потребность в надежных и масштабируемых решениях становится все более острой». Он считает, что MST от Atomera обладает явным преимуществом, поскольку совместима с современными технологиями производства материалов из кремния и обеспечивает более высокие показатели производительности. Более быстрое внедрение и интеграция в существующие производственные линии, ставшие возможными благодаря такой совместимости, помогают компании Atomera занять лидирующие позиции в быстро меняющейся отрасли.