أخبار التكنولوجيا

إلكترونيات الطاقة جهاز GaN Epitaxy



أظهرت الأجهزة المعتمدة على نيتريد الغاليوم (GaN) والمبنية على هيكل ترانزستور التنقل الإلكتروني العالي (HEMT) نموًا قويًا في تحويل الطاقة عبر العديد من التطبيقات المتنوعة مثل محولات الطاقة الاستهلاكية، ومحولات الطاقة الشمسية، ومراكز البيانات، واكتشاف الضوء والمدى (LIDAR)، إلخ. في هذه المقالة، نلخص بعض جوانب طبقة GaN ونعرض أمثلة للتطورات الرئيسية التي أدت إلى نجاحها في التصنيع الضخم.

ترسيب البخار الكيميائي المعدني العضوي (MOCVD) لـ GaN

تاريخ

MOCVD، وتسمى أيضًا تنضيد طور البخار المعدني العضوي (MOVPE)، هي مجموعة فرعية من الأمراض القلبية الوعائية. في أمراض القلب والأوعية الدموية، تحدث التفاعلات الكيميائية في مرحلة البخار من السلائف الموردة وتؤدي إلى تكوين مادة صلبة تترسب على الركيزة. تُستخدم المركبات المعدنية العضوية لتزويد عنصر المجموعة الثالثة، في هذه الحالة، Ga. الطاقة الخارجية (الحرارة) ضرورية لتكسير السلائف. يرجع الفضل إلى ماناسفيت وزملائه في روكويل في التطورات الأولية وبراءات الاختراع في أواخر الستينيات1. قبل MOCVD، كانت المركبات III/V وII/VI تزرع بشكل أساسي إما عن طريق تنضيد الطور السائل (LPE) أو تنضيد طور البخار (VPE). هذه التقنيات، على الرغم من مزايا معدل الترسيب السريع، لا تملك التحكم اللازم لتحقيق طبقات رقيقة ذات تجانس جيد وإنتاج واجهات مفاجئة. تنضيد الشعاع الجزيئي (MBE) هو أسلوب بديل يستخدم لإنتاج مواد عالية الجودة III/V وغيرها من المواد المركبة؛ ومع ذلك، فهي تحتاج إلى أنظمة فراغ عالية جدًا وتواجه تحديات في التوسع في الإنتاج الضخم.

لم يبدأ الاستخدام الواسع النطاق لـ MOCVD لـ GaN حتى التسعينيات مع بعض الاختراقات الرئيسية في MOCVD وتعاطي المنشطات لـ GaN التي أدت إلى تطوير مصابيح LED عالية السطوع باللونين الأزرق والأخضر والأبيض. كان تطوير طبقات عازلة منخفضة الحرارة على ركائز الياقوت وتفكيك روابط Mg-H لتحسين تعاطي المنشطات من التطورات الأساسية. واجه GaN MOCVD ثلاثة تحديات رئيسية:

  • لا تتوفر ركيزة مطابقة للشبكة، مما يتطلب الكثير من العمل لإنشاء مخطط نووي يمكنه تنمية الطبقات الفوقي.
  • يتم تثبيط نقل كتلة Ga إلى السطح عن طريق التفاعلات المعقدة التي تحدث في مرحلة البخار.
  • لا تتوفر مثبطات p جيدة.

لقد تم الآن تخفيف هذه التحديات إلى حد كبير وأصبحت MOCVD هي طريقة النمو الأساسية المستخدمة في تصنيع أجهزة طاقة GaN.

نضوج الجاليوم

ثلاثي ميثيل الغاليوم (TMGa: Ga(CH3)3) والأمونيا (NH3) تستخدم كمواد كيميائية مصدر لـ GaN، مع ثلاثي ميثيل الألومنيوم (TMAl: Al2(الفصل3)6) تمت إضافتها لإنشاء طبقات البنية المتغايرة AlN و AlGaN اللازمة لـ HEMTs. يتم عادةً تسليم المواد العضوية المعدنية السائلة من خلال فقاعات من الفولاذ المقاوم للصدأ، والتي يتم تسخينها لتوفير ضغط بخار معقول. يتم استخدام غاز حامل، مثل مزيج من النيتروجين والهيدروجين، لتوصيل المادة إلى غرفة النمو. يمكن استخدام نوعين أساسيين من غرف MOCVD:

  • الجدار البارد: هنا الركيزة هي السطح الساخن بينما تظل الغرفة باردة. هذه أكثر شيوعًا وتتمتع بمزايا التصميم الأبسط مع التحكم الأكبر في درجة الحرارة. عادةً ما يتم تسخين حامل الركيزة المطلي بالجرافيت/الكربيد (المستقبل) بشكل مقاوم.
  • الجدار الساخن: يتم تسخين الغرفة بأكملها والركيزة. تتمثل المزايا هنا في تكسير أكثر كفاءة للمادة الكيميائية الأولية وربما انحناء أقل للرقاقة أثناء النمو بسبب انخفاض التدرج الحراري في منطقة النمو. هنا يمكن تسخين غرفة الكوارتز.

ويتم الترسيب عادة عند ضغوط تتراوح بين 50-100 ملي بار. يجب أن يتم إجراء النمو تحت تدفق الغاز الرقائقي للحصول على درجة عالية من التوحيد، كما أن الضغط المنخفض يقلل من احتمالية التدفق المضطرب. يمكن أن تتراوح درجة حرارة النمو عادة من 500 إلى 1300سج. يؤدي انخفاض درجة الحرارة إلى نظام تفاعل محدود حيث تكون معدلات النمو أكثر حساسية لدرجة الحرارة. تؤدي درجة الحرارة المرتفعة إلى المنطقة المحدودة المفضلة للنقل الجماعي حيث يكون النمو محدودًا بانتشار المواد المتفاعلة عبر الطبقة الحدودية. يمكن أن تؤدي درجة الحرارة المرتفعة إلى انخفاض معدلات النمو، بسبب تأثيرات الامتزاز والتحلل. عادةً ما تكون نسب V/III لـ GaN أعلى بكثير (> 500) من تلك المستخدمة للمواد III/V الأخرى مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs).

يعرض الشكل 1 تمثيلًا مبسطًا لعملية MOCVD.

الشكل 1: تمثيل مبسط لنمو MOCVD (المصدر: كتيب Aixtron
الشكل 1: تمثيل مبسط لنمو MOCVD (المصدر: كتيب Aixtron “كيف يعمل MOCVD”)

ركائز

الياقوت (آل2يا3) تُستخدم الركائز بشكل شائع في تصنيع GaN LED، مع مزايا كونها رخيصة نسبيًا وشفافة بصريًا. يوفر كربيد السيليكون (SiC) مزايا أفضل لمطابقة الشبكة والتوصيل الحراري مقارنة بـ Si ولكنه أكثر تكلفة. Si (111) هو الركيزة شائعة الاستخدام لتطبيقات الطاقة HEMT.

طبقة النواة (NL)

يعد NL ضروريًا لاستيعاب عدم تطابق الشبكة الكبير بين GaN و Si (~ 17٪) وتوفير سطح ثنائي الأبعاد لنمو GaN. هناك حاجة إلى معالجات سطحية قبل نمو NL، مثل رش بعض Al أو NH3 لإنشاء SiN الخامس سطح. وهذا يساعد على تخفيف الضغط الناتج عن عدم تطابق الشبكة. يمكن زراعة NL في درجات حرارة تتراوح بين 1100 و 1300 درجةسC، بسماكة نموذجية تبلغ حوالي 100-200 نانومتر.

الطبقة العازلة (BL)

يجب أن تكون GaN BLs مقاومة للغاية لمنع تسرب التيار المستمر والتوصيل المتوازي. عادة ما يكون GaN غير المشفر من النوع n، وبالتالي يحتاج إلى p-dopant لمواجهة ذلك. الحديد (Fe) والكربون (C) مرشحان لذلك. يمكن تحقيق المنشطات الكربونية من مصدر TMGA عن طريق ضبط ظروف الترسيب مثل معدل التدفق والضغط ودرجة الحرارة. ويمكن أن تتمتع بميزة عدم وجود تأثير قوي للذاكرة، وهو ما يتمتع به Fe. يمكن تعديل مستوى المنشطات C لجهد انهيار معين، حوالي 1e19 سم3 اللازمة لتحقيق الأعطال التي تزيد عن 700 فولت. ويمكن عادةً زراعة هذه الطبقة العازلة عند حوالي 980 فولتسج – 1,080سج.

يعد التحكم في الاضطرابات مثل عيوب الخيوط (TDs) إحدى الوظائف الرئيسية لـ BLs. تمت تجربة عدة طرق، بعضها موضح في الشكل 2. في الشكل 2 (أ) يتم استخدام مخزن مؤقت AlGaN متدرج، مع تقليل محتوى Al نحو السطح العلوي. يمكن أيضًا إجراء المنشطات المتدرجة لمحتوى C بالتوازي. تظهر الشبكة الفائقة (SL) لـ AlN/(Al)GaN في الشكل 2(ب)، بينما تظهر الطبقات البينية ذات درجة الحرارة المنخفضة (ILs) لـ AlN في 2(ج). المؤلفون 2 أظهر أن نهجي SL وIL يمكن أن يقللا من كثافة خطوط الانزلاق والشقوق، مما يسمح باستخدام طبقة عازلة صافية أكثر سمكًا لتلبية متطلبات جهد الانهيار مع تقليل قوس الرقاقة. يمكن إنهاء عيوب الانتشار العمودي عند واجهات SL أو IL. العديد من الدراسات الأخرى3 لقد أثبتت أن درجات الحرارة المنخفضة (LT: نمت عند ˜ 600سC) يمكن أن تقلل ILs التي تبلغ ~ 10 نانومتر AlN الموضوعة في الطبقة العازلة من الضغط وتحسن الجودة البلورية لطبقة قناة GaN. عادةً ما تكون هناك حاجة إلى سمك BL يبلغ عدة ميكرونات.

الشكل 2: مخططات الطبقة العازلة المختلفة المستخدمة في تصنيع GaN HEMT (المصدر: 2).
الشكل 2: مخططات الطبقة العازلة المختلفة المستخدمة في تصنيع GaN HEMT (المصدر: 2)

طبقة الحاجز

تحدد تركيبة طبقة حاجز AlGaN وسمكها مقاييس أداء الجهاز الرئيسية مثل جهد العتبة (Vth) وكثافة قناة غاز الإلكترون ثنائي الأبعاد (2 DEG) وحركتها. يمكن أن تتراوح نسبة الـ Al من 15 – 40%. في الوضع الإلكتروني p-GaN HEMT، يمكن أن يكون حجم طبقة AlGaN عادةً 10 -20 نانومتر. يمكن أن يؤدي تكوين Al العالي إلى خلق صعوبة في تكوين اتصالات أومية، مع المفاضلة بين كثافة شحنة القناة المحسنة. يعمل استخدام طبقة AlN رفيعة (~ 1 نانومتر) في واجهة القناة/الحاجز على إنشاء حاجز ويمنع الدالة الموجية 2 DEG من اختراق الحاجز. وهذا يسمح أيضًا بتكوين حواجز عالية. المقايضة الأخرى التي يجب مراعاتها هي سمكها. ولزيادة Vth، من المرغوب عادةً وجود حاجز رفيع فوق البوابة، مع استبدال كثافة الشحن البالغة 2 درجة. يمكن لعطل الحاجز الجزئي في منطقة البوابة، متبوعًا بإعادة النمو، أن يوازن ذلك عن طريق إنشاء حاجز أكثر سمكًا في مناطق الوصول إلى 2 درجة، وحاجزًا رقيقًا أسفل البوابة.

نمو المنطقة الانتقائية (SAG)

الاستخدام الرئيسي لـ MOCVD هو نمو الأفلام في مناطق محددة من الجهاز. طبقة اخفاء، مثل ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) يمكن استخدامها لمنع النمو في مناطق أخرى. بعض الأمثلة على SAG في تطوير GaN HEMT هي:

  • SAG لمناطق الاتصال الأومية4: هنا تمت إعادة زراعة n- GaN في مناطق المصدر/التصريف بالجهاز لتقليل مقاومة المصدر.
  • أحد التحديات الرئيسية في أجهزة أشباه الموصلات العازلة المعدنية GaN ذات الوضع الإلكتروني مثل MISFET وMOSFET هو تلف البلازما الناتج عن النقش الجاف للطبقة الحاجزة عند خطوات تشكيل البوابة. وهذا يخلق مشاكل تسرب البوابة والموثوقية. الحل، يتمثل في [5]، عبارة عن بوابة GaN MOSFET غائرة تم إنشاؤها عن طريق إخفاء منطقة البوابة بشكل انتقائي واستخدام SAG لإعادة نمو الطبقات الفوقي. أكسيد الألومنيوم (Al2يا3)/AlGaN/GaN MISFET تم عرضه مع تحسين الأداء بسبب تجنب أضرار الحفر.
  • في الوضع الإلكتروني p-GaN HEMT، يمكن أن يؤدي تلف الحفر لهذه الطبقة على طول الجدران الجانبية ومناطق الوصول إلى القناة بجوار البوابة إلى انخفاض أداء الجهاز بشدة. تم إجراء SAG لطبقة P-GaN Mg-doped في البوابة [6] مع تحسين التحكم في البوابة.

تتوفر الآن أدوات MOCVD عالية الأداء والإنتاجية مع مراقبة العمليات المدمجة/التعامل الآلي مع الرقاقات وتنظيف الغرفة. ومن الأمثلة على ذلك المفاعل الكوكبي G10-GaN Planetary Reactor® من Aixtron والذي يمكنه استيعاب رقائق بحجم 8 × 150 مم أو 5 × 200 مم. يوضح الشكل 3 التوحيد الممتاز لتكوين AlGaN لطبقة حاجز AlGaN التي تم تحقيقها عبر خمس رقائق مقاس 200 مم.

الشكل 3: توحيد تكوين طبقة حاجز AlGaN في المفاعل الكوكبي G-10-GaN® (المصدر: Aixtron).
الشكل 3: توحيد تكوين طبقة حاجز AlGaN في المفاعل الكوكبي G-10-GaN® (المصدر: Aixtron)

مراجع

1 Stringfellow، GB، مرحلة البخار العضوي المعدني: النظرية والتطبيق، الصحافة الأكاديمية، بوسطن، 1999.
2 ماركون. د، وآخرون. آل، “تقنية جهاز GaN-on-Si 200 مم والوضع الإلكتروني”، IEDM 2015.
3 كونغ. يحصل. آل، “تصميم طبقة AlN ذات درجة حرارة منخفضة لـ GaN المزروعة على ركيزة Si (111)،” مجلة Crystal Growth، 2005، 10.1016/j.jcrysgro.2004.11.419
4 تشينغ هوي تشن، وآخرون. آل، “ترانزستورات التأثير الميداني لتعديل AlGaN/GaN عالية النقل ذات المحاذاة الذاتية مع اتصالات أومية متجددة”، رسائل الفيزياء التطبيقية، 1998، https://doi.org/10.1063/1.122701.
5 جيالين تشانغ، وآخرون. آل.، “التنقل العالي بشكل طبيعي خارج Al2O3/AlGaN/GaN MISFET مع بنية البوابة المريحة الخالية من الأضرار،” IEEE Electron Device Letters، 2018، 10.1109/LED.2018.2872637
6 هوانغ يوليانغ، وآخرون. آل.، “ترانزستورات AlGaN/GaN عالية الحركة الإلكترونية مع بوابات p-GaN المزروعة في منطقة انتقائية،” مجلة أشباه الموصلات، 2016، 10.1088/1674-4926/37/11/114002.

التدوينة Power Electronics GaN Device Epitaxy ظهرت لأول مرة على Power Electronics News.

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *