تتيح منصة QST إمكانية تصنيع GaN القابل للتطوير

يستند هذا المقال إلى العرض الذي قدمه الرئيس والمدير التنفيذي لشركة Qromis Inc.، جيم باسيري، في المؤتمر الدولي لتكنولوجيا تصنيع أشباه الموصلات المركبة.¹ عقدت في مايو في توكسون، أريزونا. سنركز على منصة الركيزة QST التي طورتها Qromis، ونستكشف كيف يمكنها التغلب على التحديات المتعلقة بقابلية تصنيع نيتريد الغاليوم وقابلية التوسع في GaN من 100 فولت إلى 2000 فولت وما بعدها.

فوائد GaN وتحديات الركيزة

إن عالم إلكترونيات الطاقة على أعتاب تحول كبير مدفوع بتكنولوجيا GaN. في حين أن السيليكون كان منذ فترة طويلة المادة المهيمنة لأجهزة الطاقة، فإن GaN يقدم مزايا كبيرة من حيث الكفاءة وكثافة الطاقة وسرعة التبديل.

تواجه أجهزة الطاقة التقليدية القائمة على السيليكون قيودًا في التطبيقات عالية التردد والطاقة العالية، مما يؤدي إلى زيادة خسائر التوصيل والتبديل وانخفاض الكفاءة الإجمالية. على العكس من ذلك، يتفوق GaN بسبب خصائصه المادية الجوهرية:

• يتميز GaN بفجوة نطاق أوسع مقارنة بالسيليكون. وهذا يُترجم إلى أداء أفضل عند الفولتية ودرجات الحرارة الأعلى، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات الصعبة، مثل السيارات الكهربائية وأنظمة الطاقة المتجددة.
• تتحرك الإلكترونات بحرية داخل GaN، مما يتيح سرعات تبديل أسرع وتقليل فقدان الطاقة أثناء التشغيل. وهذا يترجم إلى كفاءة أعلى وأنظمة إلكترونيات طاقة أكثر إحكاما.
• يقوم GaN بتوصيل الحرارة بكفاءة، مما يقلل من المشكلات الحرارية التي يمكن أن تصيب أجهزة السيليكون وتحد من أدائها.

في حين أن GaN مناسب للعديد من تطبيقات الطاقة نظرًا لأدائه المتفوق على السيليكون، فإنه يعاني من قيود على الركائز الموجودة. ترجع هذه العقبات إلى عدم تطابق التمدد الحراري بين خصائص مادة GaN والركائز غير الأصلية شائعة الاستخدام، مثل السيليكون والياقوت وكربيد السيليكون. يؤدي عدم التطابق هذا إلى الضغط والعيوب داخل طبقة GaN، مما يؤدي في النهاية إلى إعاقة أداء الجهاز وموثوقيته.

وفقًا لقروميس، يجب أن يواجه التطبيق الواسع النطاق لـ GaN في إلكترونيات الطاقة تحديات تتعلق بالركائز غير الأصلية (مثل GaN-on-Si وGaN-on-sapphire وGaN-on-SiC) وGaN-on-GaN المكلفة للغاية. . علاوة على ذلك، فإن هذه التحديات تتزايد بشكل كبير مع حجم رقاقة GaN.

تقليديًا، يتم ترسيب GaN على ركائز مثل السيليكون أو الياقوت أو SiC أو حتى GaN نفسه (الشكل 1). تسبب الركائز غير الأصلية قيودًا على الأداء وقابلية التوسع وقابلية التصنيع لإلكترونيات طاقة GaN بسبب عدم تطابق التمدد الحراري. يؤدي هذا إلى مشكلات مثل تكسير GaN، والضغط العالي والقيود على بنية الجهاز والإنتاجية، بالإضافة إلى نفقات البحث والتطوير الكبيرة لتحقيق الحد الأدنى من التحسينات، والتي تستغرق سنوات عديدة على حساب الهياكل التي لا تزال غير ذات مواصفات SEMI، وزيادة تكلفة epi وانخفاض عائدات.

الركيزة المتقدمة لقرميس

تعد شركة Qromis، وهي شركة خاصة تابعة لشركة fabless ومقرها في وادي السيليكون بولاية كاليفورنيا، رائدة في مجال مواد أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسع (WBG) منذ تأسيسها في عام 2015. نظرًا لحلولها المبتكرة والمثبتة في تقنيات الركيزة والأجهزة، والتي تسمح بقابلية تطوير لا مثيل لها، الأداء والقدرة على تحمل التكاليف، تتمتع Qromis بوضع جيد لتصبح لاعبًا رائدًا في سوق WBG الذي يتوسع بسرعة.

تقود شركة Qromis جهود تسويق حلولها الفريدة من خلال شبكة تصنيع المسابك والمواد من المستوى الأول. بالإضافة إلى توفير الوصول إلى منصات تكنولوجيا العمليات المتطورة، توفر الشركة وشركاؤها من مصنعي المواد والمسبك أيضًا خدمات مسبك أجهزة WBG ومنتجات المواد التجارية لعملائهم وشركائهم التجاريين. ومن بين تلك الخدمات إلكترونيات الطاقة، وشاشات العرض المتطورة، ومصابيح LED، وإلكترونيات الترددات اللاسلكية وغيرها من الأسواق عالية الأداء والموفرة للطاقة.

العوامل الرئيسية QST

باعتبارها شركة رائدة في مجال ابتكار تكنولوجيا تصنيع أشباه الموصلات المركبة، قامت Qromis بتطوير مادة ركيزة جديدة (تسمى QST، وهي اختصار لـ Qromis Substrate Technology) التي تتغلب على العقبات المذكورة سابقًا، مما يتيح تصنيع أجهزة طاقة GaN قابلة للتطوير وفعالة من حيث التكلفة في مصانع CMOS القياسية والجمع بين جميع مزايا أجهزة GaN الأخرى المنتجة على منصات مختلفة، مثل السيليكون والياقوت وSiC والسيليكون على العازل (SOI) وGaN. إن تقنية QST الخاصة بـ Qromis محمية بما يقرب من 300 براءة اختراع عالمية.

تمثل ركيزة QST الخاصة بـ Qromis (الشكل 2) طفرة في تكنولوجيا GaN. ويمكن تلخيص أهم خصائصه على النحو التالي:

• تُظهر QST معامل تمدد حراري يتطابق بشكل وثيق مع طبقات GaN/AlGaN الفوقية على نطاق واسع من درجات الحرارة. وهذا يقلل من الضغط والإجهاد داخل طبقة GaN، مما يؤدي إلى تحسينات كبيرة في أداء الجهاز وموثوقيته. يسمح انخفاض الضغط أيضًا بتصنيع أجهزة GaN على شرائح أكبر، مما يتيح وفورات الحجم وخفض التكلفة.
• مع البنية المتطابقة لـ CTE، لا تتطلب طبقات GaN epitaxy في QST طبقات إدارة إجهاد معقدة ومكلفة، والتي تعتبر ضرورية لـ GaN-on-Si وغيرها من منصات الفوقية غير المتجانسة. على هذا النحو، تتيح منصة GaN-on-QST تخفيضًا كبيرًا في تكلفة تغطية GaN، وتبسيط العملية وزيادة وقت تشغيل المفاعل من خلال تقليل أوقات المعالجة مع إنتاج طبقات GaN أكثر سمكًا. يُظهر التحسن الجذري في التكلفة والأداء من دراسة مقارنة جنبًا إلى جنب بقيادة Shin-Etsu Chemical، والتي تم تقديمها في SEMICON تايوان 2023، أن وقت نمو GaN الفوقي قد انخفض إلى النصف بالنسبة لـ GaN-on-QST مقارنةً بـ GaN -على-سي.
• تتميز QST بمقاومة عالية وثابت عازل منخفض، مما يقلل من تيارات التسرب ويتيح تشغيل الجهاز بكفاءة، ولا يوجد تأثير خلفي للدوائر المتكاملة.
• تسمح خصائص QST بتصنيع أجهزة GaN في منشآت تصنيع السيليكون القياسية (CMOS fabs). يعمل هذا على تعزيز البنية التحتية للتصنيع الحالية، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة وتعقيد إنتاج أجهزة طاقة GaN مقارنة بمصانع GaN المخصصة.

تستخدم شركة QST نيتريد الألومنيوم متعدد البلورات (poly-AlN) كمادة أساسية لها، والتي تتمتع بموصلية حرارية قريبة من GaN، مما يقلل من قيود الضغط والأداء. وهذا يسمح بتصنيع أجهزة GaN قابلة للتطوير وبكميات كبيرة في مصانع CMOS القياسية، مما يقلل التكاليف وتعقيد التصنيع.

يسمح قلب poly-AlN بتبديد الحرارة بكفاءة، مما يتيح تشغيل الأجهزة بشكل أكثر برودة. بالإضافة إلى ذلك، يتم تقليل ضغط عدم تطابق المواد بشكل كبير، مما يؤدي إلى أجهزة GaN ذات أداء أعلى وأكثر موثوقية. يمكن تحقيق مجموعة متنوعة من السُمك الفوقي لـ GaN وبنيات الأجهزة في QST.

القرميس: قيادة ثورة GaN

تعمل شركة Qromis بنشاط على ترجمة إمكانات QST إلى حلول ملموسة. فيما يلي لمحة عن عروضهم الحالية وخريطة الطريق المستقبلية:

• تقدم Qromis والمرخص لها ShinEtsu Chemical ركائز QST مقاس 8 بوصات بتكوينات مختلفة لتلبية متطلبات أجهزة طاقة GaN المتنوعة. يتم استهداف ركائز QST مقاس 12 بوصة لأخذ العينات في وقت لاحق من هذا العام.
• توفر الرقائق الفوقية GaN-on-QST، المتوفرة بسماكات وخصائص مختلفة، أساسًا لتصنيع أجهزة GaN مع فوائد تكامل QST.
• تعمل شركة VIS المرخصة من Qromis على تطوير خدمات مسبك أجهزة الطاقة GaN-on-QST (التي تقدم حاليًا GaN HEMTs التجارية عالية الأداء ذات الوضع الإلكتروني 650 فولت على رقائق مقاس 8 بوصات). سيتم إطلاق الأجزاء الصناعية وأجزاء السيارات في وقت لاحق من هذا العام (حاليًا يتم أخذ العينات للعملاء).
• تعمل Qromis على تجاوز الحدود من خلال استكشاف حلول GaN SoC مع شريكها imec الذي يدمج أجهزة طاقة GaN مع دوائر التحكم على شريحة واحدة. وهذا يعد بمزيد من التصغير وتحسين الكفاءة وتصميم مبسط لإلكترونيات الطاقة.

تتضمن الخطط أجهزة ذات جهد أعلى (1200 فولت) (أهداف VIS في أوائل عام 2026)، وحلول GaN-on-QST SoC واستكشاف بنيات أجهزة GaN العمودية باستخدام عملية ربط الأفلام البلورية.

الطريق أمامنا

يستعد اعتماد إلكترونيات الطاقة GaN لتحقيق نمو كبير، مدفوعًا بمزايا أداء GaN والتصنيع الفعال من حيث التكلفة الذي تتيحه QST (الشكل 3). تعد شركة كروميس في طليعة هذه الثورة، حيث تقدم حلولاً مبتكرة للركائز وتمهد الطريق لجيل جديد من إلكترونيات الطاقة الأصغر حجمًا والأكثر كفاءة والأكثر موثوقية.

يوفر هذا النص الموسع نظرة عامة أكثر شمولاً على إلكترونيات الطاقة GaN، والتحديات التي تواجه الركائز التقليدية والحلول التي تقدمها تقنية QST الخاصة بـ Qromis. كما أنه يسلط الضوء على عروض المنتجات الحالية للشركة وخريطة طريق التطوير المستقبلية، مما يوضح التزامها بقيادة التحول نحو إلكترونيات الطاقة القائمة على GaN.

تعد منصة QST الخاصة بـ Qromis حلاً واعدًا للتغلب على قيود تصنيع أجهزة GaN التقليدية. من خلال تمكين أجهزة GaN القابلة للتطوير والفعالة من حيث التكلفة وعالية الأداء في مصانع CMOS القياسية، تمتلك QST القدرة على إحداث ثورة في صناعة إلكترونيات الطاقة.

مرجع

قرميس. (2024). “الارتقاء بـ GaN إلى المستوى التالي من 100 فولت إلى 2000 فولت وما بعد قابلية التوسع باستخدام منصة التصنيع الثورية لشركة QST.” المؤتمر الدولي لتكنولوجيا تصنيع أشباه الموصلات المركبة.

منشور QST Platform يتيح تصنيع GaN القابل للتطوير ظهر لأول مرة على Power Electronics News.