1200-V p-GaN HEMTs على ركيزة مصممة هندسيًا بقطر 200 مم: QST

يتطلب الاعتماد الأوسع لأجهزة GaN الطاقة بجهد أعلى من 650 فولت ابتكارات في كل من عملية الركيزة والتكامل للترانزستور الجانبي عالي الحركة للإلكترون (HEMT) وأجهزة DMOS الرأسية. في هذه المقالة، نسلط الضوء على تطوير 1200-V p-GaN HEMTs على تقنية الركيزة Qromis (QST) المصممة هندسيًا بواسطة مجموعة من Imec وAixtron.

GaN على QST

تُستخدم ركائز السيليكون بشكل شائع كقاعدة لطبقات GaN epi في أجهزة HEMT ذات الطاقة المتوفرة تجاريًا والمصنفة بجهد 650 فولت أو أقل. يتطلب تمديد الجهد طبقات epi أكثر سمكًا، الأمر الذي يصبح أمرًا صعبًا نظرًا للمعامل العالي لعدم تطابق التمدد الحراري بين GaN والسيليكون. QST هي تقنية ركيزة مملوكة تم تطويرها بواسطة Qromis، وتتوفر ركائز QST التجارية من كل من Qromis وShin-Etsu Chemical. يتم تغطية المادة الأساسية الخزفية ذات الموصلية الحرارية العالية (170-230 واط / م ك) من نيتريد الألومنيوم (AlN) بعدة طبقات تغليف، فوقها ثاني أكسيد السيليكون (SiO)₂) طبقة الترابط وطبقة Si(111) بلورية واحدة، والتي تعمل بمثابة طبقة النواة، مما يسمح بنمو طبقات epi الأكثر سمكًا والتي يمكنها دعم الفولتية الأعلى. يمكن تغيير سطح Si(111) GaN الجاهز للنمو إلى GaN أحادي البلورة أو SiC أو أسطح GaN أخرى جاهزة للنمو.

إن ركائز CMOS الصديقة للبيئة وشبه القياسية بسمك 200 مم QST (قابلة للتطوير إلى 300 مم)، والتي تشبه ركائز السيليكون على العازل فيما يتعلق بمعالجة التصنيع والتكلفة، تتيح تصنيع المنتجات التجارية عالية الأداء التي طال انتظارها تتراوح أجهزة طاقة GaN من 100 فولت إلى 1800 فولت وما بعد الفولتية الانهيارية مع الموصلية الحرارية العالية والقوة الميكانيكية العالية. علاوة على ذلك، فإن قلب poly-AlN لركائز QST يتمتع بموصلية حرارية أفضل من ركائز السيليكون والياقوت. ميزة أخرى مهمة لـ QST هي أن الركائز يتم تجميعها وتصنيعها في مصانع CMOS التقليدية باستخدام أدوات معالجة أشباه الموصلات السائدة الموفرة للطاقة.

حاليًا، يتم استخدام ركائز QST مقاس 200 مم من قبل شركة Vanguard International Semiconductor لتصنيع منتجات أجهزة HEMT بقدرة 650 فولت p-GaN (الوضع الإلكتروني) لعملاء المسبك.

تصميم وتصنيع 1200-V p-GaN HEMTs في QST

تم إجراء عمليات محاكاة TCAD لمحاكاة أداء الجهاز وتحسين طبقات الجهاز. تم استخدام ركائز QST مقاس 200 مم، والتي تم فيها نمو MOCVD لطبقات epi باستخدام مفاعل Aixtron G5 + C الكوكبي. يتكون هذا من طبقة نواة AlN بطول 200 نانومتر، وطبقة عازلة شبكية فائقة بسماكة 6 ميكرومتر من AlN/AlGaN، ومخزن مؤقت لـ GaN بقطر 1000 نانومتر، ثم قناة GaN بقطر 200 نانومتر. تعمل طبقة حاجز AlGaN و p-GaN المشبعة بالمغنيسيوم على إكمال نمو جهاز HEMT. تم استخدام إجمالي سماكة الطبقة العازلة 7.5 ميكرومتر. أظهرت القياسات على الطبقة العازلة مستوى تسرب قدره 10 ميكرو أمبير/مم² عند 100^°C عند 1445 فولت ± 32 فولت عبر رقاقة 200 مم، مع انهيار عند 1800 فولت. تضمنت المعالجة المتوافقة مع CMOS SiO₂ عازل بين المعادن (IMD) وآل تعدين. تم تحسين سمك IMD لتقليل المجالات الكهربائية عند حواف لوحة المجال المعدني بين المعدن 1 والمعدن 2. تم استخدام التلميع الميكانيكي الكيميائي للاستواء، وتم توصيل طبقة Si (111) العميقة في الركيزة QST بقطب المصدر المؤرض . تباعد البوابة استنزاف (L_gd) تم تحسينه لإنشاء جهد انهيار قدره الخامس_{دينار بحريني} > 1400 فولت مع الحفاظ على مقاومة جيدة على الحالة (R_{DS (على)}). كانت المساحة النشطة للجهاز 0.88 ملم².

نتائج الجهاز

أظهرت أجهزة الوضع الإلكتروني جهدًا كهربيًا قدره 3.2 فولت. وشوهد انهيار شديد عند 1800 فولت، مما يشير إلى أن هذا كان بسبب التسرب الرأسي عبر الطبقات العازلة. ر معين_{DS (على)} من 5.8 متر أوم سم² ونسبة تشغيل/إيقاف 10⁸ تم قياسها في درجة حرارة الغرفة. كان التوحيد عبر الرقاقة جيدًا، مع وجود انحراف معياري في R_{DS (على)} 2.8% فقط عند 150^°ج. ديناميكي R_{DS (على)} أظهرت القياسات في الوضع النبضي تشتتًا بنسبة 15% عند 25^°ج و 42% عند 100^°C، مع إجهاد استنزاف هادئ يبلغ 1200 فولت. يُعتقد أن الملاءمة المستحثة بالطبقة السطحية والعازلة هي السبب في زيادة ديناميكية R_{DS (على)} في درجات حرارة أعلى.

تم إجراء اختبار الموثوقية الأولي على الرقاقة. انحياز عكسي بقوة 1200 فولت عند 25^°أظهر C لمدة 10 كيلو بايت بعض التدهور في تيار التصريف الحالي، مع تحسن السلوك عند استخدام لوحة مجال أطول. تم إجراء اختبارات إجهاد انحياز البوابة (HTGB) عند درجة حرارة 150^°أظهر C وجهد البوابة 7 V تغيرًا طفيفًا في سلوك الجهاز.

بشكل عام، أظهرت الأجهزة المُصنَّعة تسربًا منخفضًا خارج الحالة، وديناميكية جيدة R_على الأداء والانهيار العالي الذي يصل إلى ∼ 1800 فولت. اجتازت الأجهزة أيضًا التحيز العكسي على الرقاقة عند 1200 فولت واختبارات الإجهاد HTGB. يوفر العمل الحالي خطًا أساسيًا لتدفق عملية عالي الإنتاجية وموثوق به لأجهزة GaN HEMT بقدرة 1200 فولت والتي يتم تمكينها بواسطة ركائز QST مقاس 200 مم.

ظهرت أجهزة HEMTs ذات الجهد 1200 فولت p-GaN على ركيزة هندسية مقاس 200 ملم: QST لأول مرة على Power Electronics News.