前言
本文件按照 GB/T 1.1—2020《标准化工作导则 第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
本文件采信第三代半导体产业技术创新战略联盟发布的 T/CASAS 060—2025《用于 HEMT 功率器件的硅衬底氮化镓外延片》。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由全国半导体设备和材料标准化技术委员会（SAC/TC 203）及全国半导体设备和材料标准化技术委员会材料分会（SAC/TC 203/SC 2）共同提出并归口。
本文件起草单位:苏州晶湛半导体有限公司、北京第三代半导体产业技术创新战略联盟、华润微电子（重庆）有限公司、厦门市三安集成电路有限公司、珠海镓未来科技有限公司、广东工业大学、大连理工大学、中山大学、北京中博芯半导体科技有限公司、中国科学院微电子研究所、工业和信息化部电子第五研究所、北京大学东莞光电研究院、南京盛鑫半导体材料有限公司、重庆平创半导体研究院有限责任公司、江苏能华微电子科技发展有限公司。
本文件主要起草人:向鹏、程凯、杨露、高伟、郑晨焱、叶念慈、张铭宏、贺致远、黄火林、刘扬、陈正昊、康玄武、施宜军、刘强、宋占洋、陈显平、夏远洋。
引言
氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）功率器件具有高工作频率、低损耗和耐高温等优点，能够有效提高功率电子系统的效率和功率密度，在电力电子器件领域具有广泛的应用前景，如消费电子、数据中心、电机驱动和航空航天等领域。硅衬底氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）功率器件结合了氮化镓功率器件高性能和硅衬底大尺寸的优势，且与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容，成为目前氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）功率器件主流路线，实现了规模化商业量产。硅衬底氮化镓外延材料的性能，如翘曲度、二维电子气密度、缓冲层漏电等参数直接决定了 HMET 的器件性能和可靠性，是制备氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）功率器件的关键基础。由于受到异质外延晶格失配、热失配影响，外延材料性能的精确控制存在一定挑战。本文件旨在规范用于 HEMT 功率器件的硅衬底氮化镓外延片的关键参数要求、试验方法、检验规则、包装、运输、贮存等方面的内容，为后续生产氮化镓功率器件提供良好基础。
本文件采信第三代半导体产业技术创新战略联盟发布的 T/CASAS 060—2025《用于 HEMT 功率器件的硅衬底氮化镓外延片》，与已经发布的团体标准 T/CASAS 060—2025《用于 HEMT 功率器件的硅衬底氮化镓外延片》相比，产品的衬底材料、外延层厚度不均匀性、几何参数等技术要求有修改，对应的试验方法也进行了修改。
1 范围
本文件规定了用于高电子迁移率晶体管（HEMT）功率器件的硅衬底氮化镓外延片（以下简称“氮化镓外延片”）的分类、技术要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输、贮存、随行文件和订货单内容。
本文件适用于在硅衬底上生长的用于功率电子领域高电子迁移率晶体管的氮化镓外延片。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T 2828.1 计数抽样检验程序 第1部分:按接收质量限（AQL）检索的逐批检验抽样计划
GB/T 4326 非本征半导体单晶霍尔迁移率和霍尔系数测量方法
GB/T 14146 硅外延层载流子浓度的测试 电容⁃电压法
GB/T 14264 半导体材料术语
GB/T 30653 Ⅲ族氮化物外延片结晶质量测试方法
GB/T 32189 氮化镓单晶衬底表面粗糙度的原子力显微镜检验法
GB/T 32280 硅片翘曲度和弯曲度的测试 自动非接触扫描法
GB/T 40279 硅片表面薄膜厚度的测试 光学反射法
GB/T 43313 碳化硅抛光片表面质量和微管密度的测试 共焦点微分干涉法
GB/T 43885 碳化硅外延片
YS/T 28 硅片包装和标志
3 术语和定义
GB/T 14264 界定的术语和定义适用于本文件。
4 分类
4.1 氮化镓外延片按直径分为 150 mm 和 200 mm 两种类型。
4.2 氮化镓外延片按应用场景分为耗尽型和增强型两种类型。
5 技术要求
5.1 总则
氮化镓外延片合格质量区的边缘去除宽度为 3 mm。
5.2 衬底材料
氮化镓外延片衬底各项参数应符合表 1 的规定，衬底质量由供方保证，如有需求，可由供方提供检测值。
| 参数 | 要求 | |
| 150 mm | 200 mm | |
| 晶向 | <111>±0.5° | <111>±0.5° |
| 主定位边方向 | [1-10] | [1-10] |
| 弯曲度(Bow)(绝对值)μm | ≤50 | ≤50 |
| 翘曲度(Warp)μm | ≤50 | ≤50 |
5.3 外延层结晶质量
氮化镓外延层的结晶质量应符合表 2 的规定。
| 特征峰 | GaN(0002) | GaN(10-12) |
| 半峰宽FWHM(arcsec) | <800 | <1 500 |
5.4 外延层厚度不均匀性
氮化镓外延层厚度不均匀性应不大于 3%。
5.5 几何参数
氮化镓外延片的几何参数应满足表 3 的规定。
| 分类 | 150 mm | 200 mm |
| 弯曲度(Bow)(绝对值)μm | ≤50 | ≤50 |
| 翘曲度(Warp)μm | ≤50 | ≤50 |
5.6 电学特性
氮化镓外延片的电学特性应符合表 4 的规定。
| 应用场景 | 耗尽型 | 增强型 |
| 二维电子气密度cm-2 | >7×1012 | >5×1012 |
| 迁移率cm2/Vs | >1600 | >1200 |
| 方块电阻Ω/sq | <500 | <800 |
| 方块电阻不均匀性 | <5% | <5% |
| 额定电压下垂直漏电流muA/mm2 | <0.1 | |
| 1.5倍额定电压下垂直漏电流muA/mm2 | <10 | |
5.7 正表面质量
氮化镓外延片的正表面质量应符合表 5 的规定。
| 分类 | 150 mm | 200 mm |
| 边缘裂纹mm | <3 | <5 |
| 划痕、划伤 | 无 | 无 |
| 颗粒数(直径>0.3 μm)个 | <200 | <200 |
| 颗粒数(直径>1 μm)个 | <100 | <100 |
5.8 表面粗糙度
氮化镓外延片表面粗糙度 Ra 应符合表 6 的规定。
| 应用分类 | 耗尽型 | 增强型 |
| 表面粗糙度Ra,(5 ×5) mum2范围内 | <0.5 | <1 |
5.9 其他
需方对氮化镓外延片有其他要求时，由供需双方协商确定，并在订货单中注明。
6 试验方法
6.1 外延层结晶质量检测
氮化镓外延片外延层结晶质量的检测按 GB/T 30653 的规定进行。
6.2 外延层厚度不均匀性检测
氮化镓外延片外延层总厚度的检测按 GB/T 40279 的规定进行。厚度不均匀性的计算按 GB/T 43885的规定进行。
6.3 几何参数检测
氮化镓外延片几何参数的检测按 GB/T 32280 的规定进行。
6.4 电学特性检测
6.4.1 二维电子气密度检测
氮化镓外延片二维电子气密度的检测按 GB/T 14146 或 GB/T 4326 的规定进行，仲裁时按 GB/T 14146的规定进行。
6.4.2 迁移率检测
氮化镓外延片迁移率的检测按 GB/T 4326 的规定进行。
6.4.3 方块电阻检测
6.4.3.1 氮化镓外延片方块电阻按公式（1）进行计算。
Rs = 1/(ne μH)(1)
式中:
Rs 方块电阻，单位为欧姆每方块 (Ω/sq) ；
n ——二维电子气密度，单位为每平方厘米 (cm-2)
e 电子电量，单位为库仑（C）；
μH 迁移率，单位为平方厘米每伏特秒 (cm2cdotV-1⋯-1) 。
方块电阻平均值（R）按公式（2）计算。
R = 1/J Σi=1J yi(2)
式中:
yi 每个测试点位的方块电阻，单位为欧姆每方块 (Ω/sq) ；
J——测试点数。
6.4.3.2 氮化镓外延片方块电阻不均匀性 (RSD) ，按公式（3）进行计算。
RSD = 1/R √(1/(J -1) Σi=1J (yi - R)2) ×100 %(3)
式中:
R ——方块电阻平均值，单位为欧姆每方块 (Ω/sq)
J ——测试点数；
yi 每个测试点位的方块电阻，单位为欧姆每方块（Ω/sq）。
6.4.4 垂直漏电流检测
氮化镓外延片缓冲层垂直漏电流的检测按附录 A 的规定进行。
6.5 正表面质量检测
氮化镓外延片正表面质量的检测按 GB/T 43313 的规定进行。
6.6 表面粗糙度检测
氮化镓外延片表面粗糙度的检测按 GB/T 32189 的规定进行。
7 检验规则
7.1 检验和验收
7.1.1 产品由供方或第三方进行检验，保证产品质量符合本文件和订货单的规定，并填写随行文件。
7.1.2 需方可对收到的产品按本文件的规定进行检验，若检验结果与本文件或订货单的规定不符时，应在收到产品之日起三个月内向供方提出，由供需双方协商解决。
7.2 组批
产品应成批提交验收，每批由同一炉次、同一类型的氮化镓外延片组成。
7.3 检验项目
每批产品应对外延层结晶质量、外延层厚度不均匀性、几何参数、电学特性、正表面质量和表面粗糙度进行检验。
7.4 取样
产品的取样应符合表 7 的规定。如按其他方案进行取样，由供需双方协商确定，并在订货单中注明。
| 检验项目 | 取样 | 接受质量限(AQL) | 技术要求 | 试验方法 | |
| 外延层结晶质量 | 按照GB/T 2828.1中一般检验水平II,正常检验一次抽样方案 | 1.0 | 5.3 | 6.1 | |
| 外延层厚度不均匀性 | 按照GB/T 2828.1中一般检验水平II,正常检验一次抽样方案 | 1.0 | 5.4 | 6.2 | |
| 几何参数 | 按照GB/T 2828.1中一般检验水平II,正常检验一次抽样方案 | 1.0 | 5.5 | 6.3 | |
| 电学特性 | 二维电子气密度 | 按照GB/T 2828.1中特殊检验水平S-3,正常检验一次抽样方案 | 1.0 | 5.6 | 6.4 |
| 迁移率 | 按照GB/T 2828.1中特殊检验水平S-3,正常检验一次抽样方案 | 1.0 | |||
| 检验项目 | 取样 | 接受质量限(AQL) | 技术要求 | 试验方法 | |
| 电学特性 | 方块电阻及不均匀性 | 按照GB/T 2828.1中特殊检验水平S-3,正常检验一次抽样方案 | 1.0 | 5.6 | 6.4 |
| 垂直漏电流 | 无需抽样,每批次生产前进行缓冲层标定检验并提供检验报告 | 1.0 | |||
| 正表面质量 | 按照GB/T 2828.1中一般检验水平II,正常检验一次抽样方案 | 1.0 | 5.7 | 6.5 | |
| 表面粗糙度 | 按照GB/T 2828.1中一般检验水平II,正常检验一次抽样方案 | 1.0 | 5.8 | 6.6 | |
7.5 检验结果的判定
7.5.1 外延层结晶质量、外延层厚度不均匀性、电学特性有任何一项检验结果不合格，判该批产品不合格。
7.5.2 几何参数、正表面质量、表面粗糙度中有任何一项检验结果不合格，则应双倍抽取试样重复测试，如仍有任意一项检验结果不合格，判该批产品不合格。
8 标志、包装、运输、贮存和随行文件
8.1 标志、包装
8.1.1 包装箱外应有“小心轻放”“防腐防潮”“易碎”字样或标记，并注明:
a） 产品名称；
b） 产品数量；
c） 供方名称。
8.1.2 产品的包装按 YS/T 28 的规定进行，或由供需双方协商确定。
8.2 运输与贮存
8.2.1 产品在运输过程中应轻装轻卸、勿挤勿压，并有防震措施。
8.2.2 产品应贮存在洁净、干燥的环境中。
8.3 随行文件
每批产品应附随行文件，注明:
a） 供方名称；
b） 产品名称和产品规格；
c） 产品批号；
d） 产品数量；
e） 硅衬底片生产厂家及主要技术参数；
f） 各项检验结果及检验部门印记；
g） 检验和审核人员的签字；
h） 生产日期；
i） 本文件编号；
j） 其他。
9 订货单内容
需方可根据自身的需要，在订购本文件所列产品的订货单内，列出以下内容:
a） 产品名称；
b） 产品规格；
c） 产品数量；
d） 产品类型；
e） 本文件编号；
f） 其他。
附录 A（规范性） 缓冲层（Buffer）垂直漏电流检测方法
A.1 方法概述
HEMT 作为高耐压功率器件，其晶体管漏极在关断时需承受较大的工作电压，同时维持源漏电流在一个较低的水平。由于器件关态时栅极下方二维电子气耗尽，漏极高电压产生的电场无法在水平方向上产生较大的电流（U=Ed，电场强度与距离相关，高压器件通常栅漏距离大于 5 μm，超过氮化镓外延片垂直方向的厚度），但在垂直方向上存在朝衬底延伸的电场，该电场强度高于一定值时，极易在缓冲层与硅衬底的界面处产生大电流，从而使器件击穿。因此，在氮化镓外延层的厚度小于器件栅漏距离的情况下，其垂直击穿决定了器件的耐压水平。
用金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长硅衬底上的缓冲层结构，在缓冲层上沉积固定面积的金属电极。电极上加电压，衬底接地，通过在缓冲层上方及硅衬底之间施加一定电压，测量两者之间的漏电流，从而得到缓冲层的垂直漏电流的电流⁃电压（I⁃V）曲线。
A.2 仪器设备
可进行脉冲和直流电流⁃电压（I⁃V）测量的高压探针台和半导体参数分析仪。
A.3 试验条件
A.3.1 环境温度:18 ℃~28 ℃。
A.3.2 相对湿度:<60%。
A.3.3 仪器安装场地及附近无强震动源、强声源。
A.4 样品
样品表面应洁净无污染，采用沉积及光刻法，在样品表面沉积固定面积的金属电极，电极面积应大于高压探针针尖接触面积。
A.5 试验步骤
按以下步骤进行测试:
a） 仪器开机与标片校准，确保仪器处于正常工作状态；
b） 将待测样品放入载台并形成真空吸附，确保样品不会移动；
c） 探针与金属电极形成良好接触，避免接触不良或针尖刺入电极过深；
d） 设置电压测试范围，衬底为低电位，金属电极为高电位，从 0 V 开始向正偏压逐渐增大，对待测样品进行电流⁃电压（I⁃V）测试，采集电流连续变化数据并储存数。
A.6 试验数据处理
根据测量所得电流⁃电压（I⁃V）曲线，提取 1 倍额定电压下及 1.5 倍额定电压下相应的电流值，根据电极面积计算电流密度，取不同点位测试数据平均值作为外延片在 1 倍额定电压下及 1.5 倍额定电压下的漏电流值。
A.7 试验报告
试验报告应包括以下内容:
a） 样品的类型、规格及编号；
b） 电流⁃电压（I⁃V）曲线；
c） 缓冲层垂直电流测试结果；
d） 本文件编号。
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