GaN cihazları araştırma fabrikalarından yüksek hacimli üretime geçerken, silikon, büyük çaplı GaN epitaksisi için en ekonomik açıdan uygulanabilir alt katman olarak ortaya çıktı. Ancak, GaN-on-Si'nin 150 mm'nin ötesine —ve özellikle 200 mm ve 300 mm'ye doğru— ölçeklenmesi, dislokasyon yoğunluğu veya hareketlilikten daha fazla sınırlayıcı olan mekanik bir zorluk ortaya çıkarır: gofret eğilmesi ve çarpılması.

Elektriksel kusurların aksine, mekanik deformasyon IV eğrilerinde veya Hall ölçümlerinde hemen görünmez. Bunun yerine, litografi odağını bozarak, bindirme doğruluğunu düşürerek ve taşıma sırasında gofret kırılma riskini artırarak sessizce verimi aşındırır. Bu nedenle, eğilmeyi anlamak ve azaltmak, çevresel bir malzeme sorunu değil, temel bir entegrasyon sorunudur.

GaN-on-Si Yapılarında Eğilmenin Fiziksel Kökeni

GaN-on-Si'deki gofret eğilmesi, termal uyumsuzluk, kafes gerginliği ve film gerilimi birikiminin bir kombinasyonundan kaynaklanır.

GaN'in termal genleşme katsayısı (CTE) (~5,6 × 10⁻⁶ K⁻¹), silikonunkinden (~2,6 × 10⁻⁶ K⁻¹) önemli ölçüde daha yüksektir. 1000 °C'yi aşan epitaksiyel büyüme sıcaklıklarından soğuma sırasında, GaN, alttaki silikon alt tabakadan daha fazla büzülür. Bu diferansiyel büzülme, GaN katmanında çekme gerilimi ve silikonda sıkıştırma gerilimi indükleyerek makroskopik gofret eğriliğine neden olur.

Gofret çapı arttıkça, bu eğrilik doğrusal olmayan bir şekilde ölçeklenir. 100 mm'lik bir gofrette tolere edilebilir bir eğilme, film kalınlığı ve bileşimi değişmeden kalsa bile, 200 mm'lik bir gofrette litografi özelliklerini aşabilir.

Savunmanın İlk Hattı Olarak Tampon Katman Mühendisliği

Eğilmeyi azaltmaya yönelik en etkili strateji, aktif GaN katmanıyla değil, altındaki tampon yığınıyla başlar.

Modern GaN-on-Si epitaksisi, tipik olarak AlN nükleasyon katmanlarını ve ardından dereceli AlGaN veya süper kafes yapılarını içeren karmaşık, çok katmanlı tampon mimarilerine dayanır. Bu katmanlar aynı anda iki amaca hizmet eder: kafes uyumsuzluğunu gidermek ve termal gerilimi yönetmek.

Alüminyum bileşimi gradyanlarını, tampon kalınlığını ve süper kafes periyodunu dikkatlice ayarlayarak, soğuma sırasında üretilen çekme gerilimini kısmen dengeleyen kontrollü sıkıştırma gerilimi uygulamak mümkündür. Tampon, GaN ve silikon arasında etkili bir mekanik “şok emici” görevi görür.

Ancak, tampon katmanlar ödünleşimler getirir. Aşırı kalınlık, termal iletkenliği azaltır ve epitaksiyel süreyi artırırken, agresif gerilim telafisi çatlak yoğunluğunu artırabilir. Bu nedenle, optimal tasarımlar, kaba kuvvet gerilim iptali yerine mekanik ve termal performansın birlikte optimizasyonunu gerektirir.

Alt Tabaka Yönü ve Kalınlığı: Yetersince Değerlendirilmeyen Bir Kol

Silikon alt tabaka seçimi genellikle sabit bir sınır koşulu olarak değerlendirilir, ancak aslında güçlü bir ayarlama parametresidir.

Daha kalın silikon gofretler, aynı epitaksiyel gerilim için daha yüksek bükülme sertliği sergileyerek nihai eğilmeyi azaltır. Ancak, kalınlığın artırılması, ekipman uyumluluğu ve standart taşıma protokolleriyle çelişir. Bu nedenle, birçok fabrika dar bir kalınlık penceresi içinde çalışır ve gerilim kontrolünü epitaksiyel yığına geri döndürmeye zorlar.

Kristal yönü de önemlidir. Çoğu GaN-on-Si büyümesi, GaN ile altıgen simetri uyumluluğu sağlayan Si(111) kullanır. Ancak, hafif kesme açıları, gerilim gevşeme yollarını ve çatlak yayılma davranışını etkileyerek, dolaylı olarak makroskopik çarpılmayı etkileyebilir.

Çaplar arttıkça, alt tabaka mühendisliği, kafes eşleşmesinden daha çok mekanik sistem tasarımına dönüşür.

Büyüme Sıcaklığı Yönetimi ve Termal Rampa

Termal geçmiş, nihai gofret şeklini belirlemede kritik bir rol oynar.

Soğuma sırasında hızlı sıcaklık rampaları, gofret kalınlığı boyunca gerilim gradyanlarını “kilitleme” eğilimindedir ve eğilmeyi ve düzensiz çarpılmayı artırır. Kontrollü, çok aşamalı soğutma profilleri, dislokasyon kayması ve arayüzey sürünmesi yoluyla kısmi gerilim gevşemesine izin vererek, artık eğriliği azaltır.

Benzer şekilde, tepe büyüme sıcaklığını düşürmek—malzeme kalitesiyle uyumlu olduğunda—toplam termal geziyi ve dolayısıyla mutlak CTE uyumsuzluk gerilimini azaltır. Bu, kristal kalitesini marjinal olarak etkileyebilirken, ödünleşim büyük çaplarda üretilebilirlik için uygun olabilir.

Uygulamada, gofret eğilmesi optimizasyonu genellikle, “optimal” büyüme koşullarını yalnızca elektronik performans ölçütlerinin ötesinde yeniden tanımlamayı gerektirir.

Gerilim Simetrisi ve Arka Taraf Mühendisliğinin Rolü

Eğilme kontrolüne yönelik ortaya çıkan bir yaklaşım, gofret boyunca gerilim simetrisini geri kazanmaya odaklanır.

Arka taraf filmleri—mühendislik ürünü dielektrik kaplamalar veya gerilim dengeleyici katmanlar gibi—ön taraf GaN gerilimini dengelemek için epitaksi sonrası biriktirilebilir. MEMS imalatında yaygın olmakla birlikte, bu kavram GaN-on-Si üretiminde hala nispeten az araştırılmıştır.

Arka taraf inceltme ve parlatma işlemleri de nihai çarpılmayı etkiler. Düzensiz kalınlık giderme, işlem kontrolüne bağlı olarak epitaksiyel eğilmeyi artırabilen veya kısmen düzeltebilen eğrilik gradyanları oluşturur.

GaN-on-Si gerçek CMOS hattı uyumluluğuna doğru ilerledikçe, bu tür bütünsel gofret seviyesinde gerilim dengeleme stratejilerinin önem kazanması muhtemeldir.

Metroloji Odaklı Geri Bildirim: Eğilme Bir Süreç Değişkenidir, Bir Kusur Değil

Büyük çaplı GaN epitaksisinde en önemli kavramsal değişikliklerden biri, gofret eğilmesini, büyüme sonrası bir kusurdan ziyade kontrol edilebilir bir süreç parametresi olarak ele almaktır.

Tampon tasarımı, sıcaklık profilleri ve gofret geçmişi ile ilişkilendirilen yüksek çözünürlüklü eğilme ve çarpılma haritalaması, kapalı döngü optimizasyonunu sağlar. Gelişmiş fabrikalarda, eğilme hedefleri giderek artan bir şekilde yalnızca nihai kabul kriterleri olarak değil, süreç adımı başına tanımlanmaktadır.

Bu veri odaklı yaklaşım, GaN üretimini, gerilimin kasıtlı olarak uygulandığı, ölçüldüğü ve faydalanıldığı, basitçe en aza indirilmediği silikon gerilim mühendisliğinde uzun süredir kullanılan felsefeyle uyumlu hale getirir.

Geleceğe Bakış: Hasar Kontrolünden Gerilim Tasarımına

Büyük çaplı GaN-on-Si epitaksisinde gofret eğilmesini en aza indirmek artık gerilimi ortadan kaldırmakla ilgili değil—temel malzeme uyumsuzlukları göz önüne alındığında imkansız bir görev. Bunun yerine, atomik arayüzlerden tam gofret mekaniğine kadar, uzunluk ölçeklerinde gerilimi akıllıca tasarlamakla ilgilidir.

Endüstri 200 mm ve ötesine doğru ilerledikçe, başarı, artan malzeme iyileştirmelerine değil, alt tabakaların, tamponların, termal işlemlerin ve metrololojinin sistem düzeyinde ortak tasarımına daha fazla bağlı olacaktır. Bu anlamda, gofret eğilmesi bir rahatsızlık parametresi değil, tüm epitaksiyel yığının mekanik sağlığına dair bir teşhis penceresidir.

GaN-on-Si için, eğriliğe hakim olmak, nihayetinde elektronlara hakim olmak kadar önemli olabilir.