تعمل تقنية البوابة الغائرة على تجديد ترانزستورات GaN ذات الوضع الإلكتروني

تركز إلكترونيات الطاقة (PE) على تحويل الطاقة من شكل إلى آخر. نظرًا لأن الهدف النهائي لمصمم النظام هو زيادة الكفاءة وكثافة الطاقة إلى الحد الأقصى، فيجب أن تعتمد PE على الابتكار المستمر في أشباه موصلات الطاقة. لقد لعب السيليكون دورًا كريمًا في العقود الأربعة الماضية، لكن القيود المتأصلة دفعت إلى تطوير تقنيات جديدة مثل الأجهزة ذات فجوة النطاق الواسعة، والتي يمثل فيها نيتريد الغاليوم وكربيد السيليكون شركاء متميزين ومحترمين. استجابةً للمصالح المتزايدة في GaN، المتعلقة بفوائدها غير المتنازع عليها على السيليكون، ازدهرت الأنشطة المحمومة من حيث الاستثمارات وعمليات الاستحواذ والتعاون الاستراتيجي وتوحيد الصناعة.

تعتمد أجهزة GaN على هياكل AlGaN/GaN المتغايرة، والتي تسمح بإنشاء غاز إلكترون ثنائي الأبعاد (2DEG) ذو قدرة عالية على الحركة لتحقيق كثافة تيار عالية، وهو عنصر أساسي في PE. تتم زراعة مثل هذه البنية المتغايرة على ركائز سيليكون تنافسية للغاية مقاس 150 مم و200 مم، والتي يتم تصنيعها اليوم بكميات كبيرة جدًا ويمكن أيضًا دمجها باستخدام تقنية CMOS السيليكونية الراسخة.

غان هيمت

GaN هو مركب ثنائي يحتوي على ذرة واحدة من الغاليوم (المجموعة III، Z = 31) وذرة واحدة من النيتروجين (المجموعة V، Z = 7) مع هيكل سداسي الورتزايت. ترتبط ذرات الغاليوم والنيتروجين برابطة كيميائية أيونية قوية جدًا تنتج فجوة طاقة كبيرة. هذه الميزة تجعل GaN مستقرًا جدًا ومناسبًا تمامًا للعمل في درجات حرارة عالية وفي البيئات القاسية. تسمى الترانزستورات – التي تظهر عادةً بنية جانبية – والمبنية بهذه التقنية بالترانزستورات عالية الحركة للإلكترونات (HEMTs). يعود اسم HEMT إلى القناة الموصلة منخفضة المقاومة التي شكلتها 2DEG عند واجهة حاجز AlGaN وطبقات GaN العازلة. يمكن فهم تراكم 2DEG بمساعدة الشكل 1.

يتمتع النيتروجين بسالبية كهربية أعلى – والتي تحدد ميل ذرة معينة لجذب زوج مشترك من الإلكترونات – من الغاليوم والألومنيوم. ولذلك، فإن إزاحة الشحنة تسبب الاستقطاب الكهربائي التلقائي (P_sp). من ناحية أخرى، الإجهاد والانفعال الميكانيكي في طبقات epi مع ثوابت شعرية مختلفة¹ يسبب الاستقطاب الكهرضغطي (P_pe). ويحدث هذا لأن التشوه يؤدي إلى إزاحة الذرات المشحونة داخل البلورة، مما ينتج عنه عزم كهربائي ثنائي القطب صافي. ص_pe يكون سالبًا للشد وإيجابيًا لطبقات AlGaN المتوترة المضغوطة. لذلك، فإن اتجاه الاستقطاب التلقائي والكهروضغطي يكون متوازيًا في حالة إجهاد الشد ومضاد التوازي في حالة إجهاد الضغط. في AlGaN، يكون ثابت الشبكة أصغر من ثابت GaN. لذلك، يطبق AlGaN ضغطًا على طبقة GaN، مما يؤدي إلى زيادة P_pe.

الاستقطاب الكلي (ص_sp + ص_pe) من AlGaN أكبر، مما يخلق شحنة موجبة صافية في واجهة AlGaN/GaN. تؤدي الموجات الحاملة الحرة (الإلكترونات) التي يتم إنشاؤها في الواجهة غير المتجانسة لتحييد الاستقطابات التلقائية والكهرضغطية الثابتة إلى تكوين طبقة 2DEG ذات حركة إلكترونية عالية جدًا (في حدود 1500 إلى 2000 سم²/ضد). يعتبر هذا 2DEG موصلًا للغاية، ويرجع ذلك أساسًا إلى حبس الإلكترونات داخل منطقة صغيرة جدًا في الواجهة. وبما أن القدرة على الحركة أعلى، فلا حاجة إلى تعاطي المنشطات، مما يقلل من ظاهرة تشتت الشوائب المتأينة.

سوف تنتج الطبقة 2DEG مفتاح تشغيل عادي (وضع الاستنفاد، أو وضع d) – أي بجهد عتبة سالب (V_ذ). لتبسيط تشغيل البوابة وجعل الترانزستور يعمل بشكل آمن كما تتطلب دوائر الطاقة الإلكترونية عادةً، هناك حاجة إلى خطوات إضافية لضمان إمكانية إيقاف تشغيل الجهاز مع تطبيق 0 فولت على البوابة. ويبين الشكل 2 هيكلين عامين لوضع التحسين (الوضع الإلكتروني)، أو وضع إيقاف التشغيل عادة، لـ HEMT.

الوضع الإلكتروني HEMT

ويصور الشكل 2 تطبيقين لـ GaN HEMTs بشكل طبيعي: p-gate (مع اتصال بوابة Schottky) والبوابة المريحة، على التوالي. الخيار الثالث، غير الموضح، يتكون من HEMT ذو الوضع d في تكوين cascode مع MOSFET السيليكون منخفض الجهد، المعتمد من قبل بعض الموردين.

توفر ترانزستورات تأثير المجال ذات البوابة المعزولة مع عازل البوابة المعزولة خصائص مرغوبة، مثل تسرب البوابة المتناقص والتأرجح الكبير لجهد البوابة. تحقق FETs للعوازل المعدنية وأشباه الموصلات (MISFETs) تشغيل الوضع الإلكتروني عن طريق إزالة طبقة حاجز AlGaN بالكامل أسفل البوابة من خلال عملية حفر البلازما المحلية بحيث يتم إيقاف تشغيل الجهاز تحت جهد البوابة الصفري. عندما يتجاوز جهد البوابة في MISFET القيمة الموجبة V_ذ، يتم إنشاء طبقة تراكم من الإلكترونات أسفل واجهة البوابة، مما يستعيد سلامة القناة الموصلة 2DEG بحيث يمكن تشغيل الجهاز. يتم تمثيل أحد أشكال MISFET بواسطة FETs ذات البوابة المعدنية العازلة وأشباه الموصلات غير المتجانسة (MISFETs).

من الواضح أن الخطوة الحاسمة للغاية في تصنيع MISFET هي نقش التجويف. تقنيات النقش الأكثر شيوعًا هي النقش الأيوني المتفاعل بالبلازما (ICP-RIE). تربط هذه التقنية كلاً من التفاعلات الكيميائية والحفر المستحث بالأيونات، في حين يتيح التحكم المستقل في تدفق الأيونات مرونة عالية. ومع ذلك، فإن ضوء الأشعة فوق البنفسجية في البلازما يسبب أضرارًا جسيمة لسطح أشباه الموصلات، وذلك بسبب وقت تشعيع البلازما الأطول. يؤدي تلف السطح بدوره إلى زيادة تيار التسرب V_ذ عدم الاستقرار والانهيار الحالي (زيادة المقاومة الديناميكية). طريقة النقش البديلة التي توفر واجهة عالية الجودة بعد النقش هي النقش على الطبقة الذرية الجافة (ALE). يؤثر التعديل الكيميائي المحدود ذاتيًا فقط على الطبقات الذرية العليا من الرقاقة، ويزيل التنميش الانتقائي فقط المناطق المعدلة كيميائيًا، الطبقة الذرية بعد الطبقة الذرية. يمكن استخدام عملية ALE بدلاً من ICP-RIE لتقليل خشونة سطح تجويف البوابة وتحسين حالات الملاءمة عند الواجهة.

الاهتمام بأجهزة HEMT ذات البوابة المريحة

لقد اختار معظم صانعي GaN اليوم إما cascode أو p-gate. وبالتالي، فإن الإعلان الأخير لشركة CEA-Leti حول المعالم الجديدة التي تم التوصل إليها باستخدام تقنية الاستراحة يثير اهتمامًا حقيقيًا ويعزز آفاق نمو السوق. وفقًا لشركة Omdia، وهي شركة تحليل واستشارات عالمية، من المتوقع أن يصل سوق GaN إلى 3.89 مليار دولار في عام 2030، مع نمو مركب بنسبة 37% اعتبارًا من عام 2022. والقطاعات المستفيدة من هذا التوسع في السوق هي مراكز البيانات – بسبب الزيادة الهائلة في البيانات. حركة المرور اللازمة لتشغيل الذكاء الاصطناعي وتطبيقات المستهلك مثل أجهزة الشحن والسيارات والاتصالات. تتنافس اليوم شركات التكنولوجيا الكبرى مثل Microsoft وGoogle وMeta بشدة لإصدار منتجات تستخدم نماذج الذكاء الاصطناعي التوليدية لمعالجة وتوليد كميات هائلة من البيانات النصية والرقمية. يجب أن تعتمد مثل هذه النماذج على قدر كبير من القدرة الحاسوبية، مما يتطلب مزارع خوادم ضخمة حيث يتم استخدام الماء المبرد والكهرباء لتبريد المعدات. يعد توفر منتجات GaN ذات الكفاءة الدائمة بمثابة نعمة حقيقية لبناء المزيد من محولات الطاقة الصديقة للبيئة.

من المعروف أن مشكلات الموثوقية تؤثر على بنية بوابة p-GaN التقليدية، بما في ذلك الميل إلى الفشل حتى في ظل الجهد الزائد الطفيف. من الناحية التجريبية، تم الكشف عن انهيار يعتمد على الوقت، والذي يحدث بسبب إجهاد البوابة الأمامية في HEMTs القائمة على GaN للطاقة مع بوابة من النوع p، يتم التحكم فيها بواسطة تقاطع Schottky metal / p-GaN. عندما يتم تطبيق جهد جهد عالي على البوابة، يحدث انخفاض كبير في الجهد ومجال كهربائي في منطقة استنفاد p-GaN بالقرب من الواجهة المعدنية، مما يعزز تكوين مسار الترشيح. تتوافق آلية هذا التدهور مع انهيار العزل الكهربائي المعتمد على الوقت: أثناء الاختبار عند جهد ثابت في حالة إيقاف التشغيل، يصبح تيار البوابة صاخبًا في البداية، ثم يزيد فجأة عدة مرات من حيث الحجم.

على النقيض من ذلك، توفر ترانزستورات طاقة GaN لبوابة MIS المريحة بالكامل تأرجحًا أوسع لجهد البوابة وموثوقية محسنة للبوابة وتيار تسرب أقل للبوابة مقارنةً بـ p-GaN HEMTs.

ساهمت CEA-Leti في عدد من التطورات، وذلك بفضل جهود التطوير المشتركة السابقة مع شركة STMicroelectronics.

هناك عدد من التحديات التي يجب حلها للحصول على جميع مزايا نهج البوابة الغائرة. تعاني MISFET من تدهور حركة القناة المنتشرة بسبب السطح الخشن للمنطقة المريحة والعيوب النشطة كهربائيًا. لذلك من المهم تحسين الواجهات بين العازل وAlGaN/GaN لتقليل حالات تعويض الواجهة وتحسين التدفق الحالي. يعد التحكم في شحن العازل أمرًا بالغ الأهمية أيضًا. ركزت أحدث التطورات في عمليات التصنيع في CEA-Leti على:

• التنظيف الرطب والمعالجة الحرارية ومعالجة البلازما للحصول على سطح عالي الجودة
• النقش منخفض التأثير وALE لتجويفات البوابة
• طبقات الواجهة (AlN، في هذه الحالة) لتقليل فقد الطاقة بشكل أكبر
• مواد بديلة للطبقات العازلة للأغشية الرقيقة لتحسين الموثوقية

يجب تنفيذ جميع خطوات العملية هذه – بدءًا من إعداد السطح وحتى الحفر وترسيب الطبقة العازلة – بعناية للحصول على مواصفات الجهاز المطلوبة. إن التوصيف الصحيح للضرر الناجم عن النقش بمساعدة البلازما وتكامل العملية القابلة للتطبيق صناعياً يمثل تحديات إضافية لا يزال يتعين معالجتها.

مرجع

¹ويرتبط ثابت الشبكة بالأبعاد الفيزيائية والزوايا التي تحدد هندسة خلايا الوحدة في الشبكة البلورية ويتناسب مع المسافة بين الذرات.

تفضل بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة

ظهرت تقنية البوابة الغائرة التي تعمل على تجديد ترانزستورات GaN ذات الوضع الإلكتروني لأول مرة على Power Electronics News.