ركيزة هندسية موازين GaN

مقارنة بأجهزة السيليكون التقليدية ، أظهرت أجهزة طاقة نيتريد الغاليوم ترددات تبديل وكثافة طاقة أعلى ، فضلاً عن كفاءة أكبر في تحويل الطاقة باستخدام طبولوجيا مبسطة. شهدت التطبيقات الاستهلاكية مثل محولات الطاقة والتطبيقات الصناعية مثل إمدادات الطاقة لمراكز البيانات ومحولات الطاقة الشمسية اعتمادًا واسع النطاق. في هذه المقالة ، سنناقش نهجًا مبتكرًا لتوسيع القدرة التصنيعية لـ GaN لزيادة مساحة التطبيق ، وتسهيل التكامل المترابط وزيادة أقطار الرقاقة في فاب متوافق مع Si غير مخصص للسيليكون.

ركائز هندسية للجاليوم

في مقابلة حصرية مع Power Electronics News ، ناقش Cem Basceri ، الرئيس التنفيذي ورئيس Qromis ، الذي شغل سابقًا منصب المدير الأول وكبير التقنيين في Micron Technology ، خططًا لتوسيع نطاق الجهد لأجهزة GaN لتلبية الطلب المستقبلي على EV.

المشكلة الرئيسية التي يحاول Basceri ومجموعته حلها هي التغلب على معامل التمدد الحراري الكبير (CTE) غير المتطابق بين GaN ورقاقة Si المضيفة ، والتي تُستخدم بشكل شائع لإنشاء أجهزة طاقة GaN. أقنعتهم سنوات من البحث أن الفولتية التي تبلغ 650 فولت وأعلى ، والتي تحتاج إلى طبقات epi أكثر سمكًا من GaN ، سيكون من الصعب تحقيقها في أحجام الركيزة التي تزيد عن 6 بوصات دون مشاكل كبيرة في التصنيع والإنتاجية والموثوقية. يمكن أن يؤدي عدم تطابق CTE الكبير إلى تكسر الرقائق ، ويحتاج إلى سماكة غير مطابقة للمواصفات ، وينتج عنه كثافات عالية للعيوب من شأنها أن تحد من العائد من خلال عمليات التصنيع وتجميع العبوات وتقليل الموثوقية. قد تعني خطوات التخفيف لهذا الأمر تصنيعًا مخصصًا غير متوافق مع تصنيع Si CMOS القياسي ، كما أنه يحد من قابلية التوسع في المستقبل إلى أحجام بسكويت الويفر مقاس 12 بوصة.

إن الإنجاز الرئيسي الذي أنشأه Qromis هو ركيزة هندسية تتطابق مع CTE مع GaN وبالتالي تسمح بقياس سمك GaN epi ، بالإضافة إلى تمكين خارطة طريق لأقطار رقاقة 12 بوصة. المادة الأساسية المستخدمة في هذه الركيزة المصممة هندسيًا ، والتي تسمى تقنية ركيزة Qromis (QST) ، هي طبقة من نيتريد متعدد الألومنيوم (AlN) ، كما هو موضح في الشكل 1.

الطبقات المصممة بشكل خاص والملفوفة حول هذا اللب ، متبوعة بأكسيد مدفون وسطح تنوي رفيع (111) ينتج عنه رقاقة تلبي المواصفات القياسية شبه القياسية ، وهي متوافقة مع CMOS-fab مع منطقة استبعاد حافة بحجم <3 مم وتوفر سطح نمو لطبقات AlN / AlGaN / GaN epi اللازمة لأجهزة GaN. يوضح الشكل 2 اعتماد درجة حرارة CTE لركيزة QST المصممة هندسيًا ، مقارنةً بـ GaN ، والركائز أحادية البلورة التقليدية الأخرى المستخدمة في ترسيب GaN.

جوهر السيراميك في QST عازل كهربائيًا ومتوافق مع تصنيع أجهزة الترددات اللاسلكية نظرًا لانخفاض فقد الامتصاص ، على عكس Si. لها موصلية حرارية 170-220 واط / مللي كلفن ، أعلى من Si.

أظهر Qromis طبقات خالية من الكراك يصل سمكها إلى 30 ميكرومتر من GaN في QST. اختارت الشركة ترخيص تقنيتها لمسبك (Vanguard International Semiconductor أو VIS) والتركيز على منتجات المواد. تقوم VIS بتصنيع ركائز QST ، بالإضافة إلى epi والأجهزة. كما تم الآن منح ترخيص ثان لشركة ShinEtsu لمنتجات الطبقة السفلية وويفر epi.

جهاز GaN وأداء الدائرة في QST

تم عرض HEMTs ذات البوابة الإلكترونية ذات الوضع الإلكتروني 650-V p-GaN بنجاح على ركائز QST بحجم 200 مم. دراسة¹ قارن هذا الجهاز المصنوع من ركيزة GaN-on-QST بآخر على GaN-on-Si التقليدي. كما يوضح الشكل 3 ، كانت خصائص النقل متوافقة جيدًا ، مع انخفاض طفيف فقط في محرك الإخراج على جهاز QST ، كما تم قياسه على مستوى الرقاقة.

أصدرت VIS سيارتها 650-V GaN-on-QST في الإنتاج الضخم في نوفمبر 2022 وبدأت في تقديم خدمات مسبك للصناعة. يتم إنتاج تقنية العقدة 0.35 ميكرومتر هذه على رقائق 8 بوصة. أجرت VIS اختبارات تأهيل مكثفة على هذه التقنية ، بما في ذلك اختبارات HTRB و HTGB لمدة 1000 ساعة على ثلاث مجموعات. أظهرت اختبارات الانجراف الديناميكي RDS (on) عبر ظروف التحويل المختلفة تشتت <20٪ إلى 400 فولت ، 2 أ. أظهرت اختبارات بيئة Jedec الخاصة بالحزمة نسبة أقل من 10٪ I_على الانجراف والإهمال أنا_ز/أنا_عن يزيد. يوضح الشكلان 4 (أ) و 4 (ب) بعض البيانات والمواصفات على محول دفعة بقوة 150 واط مصمم مع هذا الجهاز. تتجاوز كفاءة المحول 96٪ بتردد تحويل 500 كيلو هرتز.

يعد التكامل الأحادي في GaN أمرًا صعبًا بسبب عدم وجود جهاز GaN جيد وتكميلي لقناة p بسبب ضعف حركة الفتحة. عادةً ما يتم تشغيل مراحل طاقة GaN باستخدام مراحل محرك البوابة الخارجية. ومع ذلك ، فإن التردد العالي للتبديل والمعدلات الكبيرة التي تتيحها GaN تخلق تحديات في التصميم بسبب المحاثات الطفيلية من أسلاك السندات. يُمكِّن الدمج المتجانس لبرنامج تشغيل البوابة في مرحلة طاقة GaN من تشغيل GaN بكامل إمكاناته. هذا التكامل على ركائز Si له عيوب من تأثير انحياز الركيزة.² تسمح الركيزة العازلة QST بإمكانية التكامل الأحادي على مستوى الرقاقة لأجهزة GaN مع العزل الذي توفره الخنادق ، كما هو موضح في الشكل 5 لنصف الجسر.

تم عرض محول باك 48 إلى 1 فولت³ باستخدام مخطط الدائرة الموضح في الشكل 6. يشتمل التكامل الأحادي هنا على أجهزة طاقة نصف جسر GaN و HS و LS ، ومحرك بوابة GaN FETs H1-H6 والمقاومات RH و RL ، والتي تتكون من غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد في قناة GaN. تظهر الأشكال الموجية عند التبديل 500 كيلوهرتز القليل من التجاوز والرنين ، كما هو موضح في الشكل 7. يمكن لمحول GaN أحادي المرحلة مثل هذا أن يحسن كثافة الطاقة ويبسط تصميم الدائرة.

نظرة مستقبلية

تم بالفعل توضيح مفهوم تحجيم الجهد على جهاز GaN HEMT الجانبي مع ركائز QST مقاس 8 بوصات لجهاز بقوة 1200 فولت. يتم إجراء مزيد من قياس الجهد بشكل أكثر كفاءة باستخدام الأجهزة الرأسية. توفر منصة QST ، من خلال السماح بنمو epi الموثوق والسميك والخالي من الإجهاد ، حلاً لأجهزة GaN الرأسية. تم عرض عمودية GaN FinFETs على ركائز QST ،⁴ مع العمل الجاري لتوسيع نطاق جهد التشغيل إلى 1200 فولت ، أشار Basceri أيضًا إلى خطط لإثبات GaN-on-QST على رقاقة بحجم 300 مم هذا العام.

مراجع

¹جينس وآخرون. (2019). “HEMTs ذات قدرة بوابة p-GaN 650 فولت على ركائز مصممة هندسيًا 200 مم.” 2019 IEEE 7^ذ ورشة عمل حول الأجهزة والتطبيقات ذات فجوة الحزمة الواسعة (WiPDA).

²وايس وآخرون. (2017). “تأثيرات انحياز الركيزة في رقاقة GaN عالية الجهد ومتكاملة نصف جسر متجانسة.” 2017 IEEE 7^ذ ورشة عمل حول الأجهزة والتطبيقات ذات فجوة الحزمة الواسعة (WiPDA).

³لي وآخرون. (سبتمبر 2019). “عرض توضيحي لجسر نصف الجسر المتكامل مع محركات على الرقاقة على ركائز مصممة هندسيًا مقاس 200 مم.” رسائل جهاز IEEE الإلكتروني.

⁴الزبير وآخرون. (2020). “أول عرض توضيحي للطاقة العمودية GaN FinFETs على ركائز هندسية.” 2020 مؤتمر أبحاث الأجهزة.

حصل Sonu Daryanani على درجة الدكتوراه. حصل على درجة الدكتوراه في هندسة الإلكترونيات عام 1993 من جامعة برادفورد بإنجلترا أثناء إجراء بحث في مختبرات AT&T Bell ، نيوجيرسي على الإلكترونيات الضوئية GaAs. على مدار الـ 25 عامًا الماضية ، كان مهندسًا لتكامل الأجهزة / العمليات في Microchip Technology ، AZ حيث عمل على وحدات التحكم الدقيقة والأجهزة المنفصلة. وهو الآن مستشار وكاتب في PowerElectronics News. يمكن الوصول إليه على sldaryanani@gmail.com