أخبار التكنولوجيا

العيوب وطرق توصيفها في تصنيع GaN Power HEMT



يوفر نيتريد الغاليوم (GaN) العديد من المزايا المادية الجوهرية مثل فجوة النطاق الواسعة (WBG) والتنقل العالي للإلكترون. يتم الاستفادة من ذلك للحصول على مزايا أداء تحويل الطاقة عند استخدامه كجهاز ترانزستور جانبي عالي الحركة للإلكترون (HEMT)، مع عدم وجود فقدان استرداد عكسي وسعات صغيرة نسبيًا. يعد الفهم التفصيلي للسبب الجذري لآليات تحسين الإنتاجية والموثوقية أمرًا ضروريًا حيث تنتشر هذه التكنولوجيا عبر نطاق تطبيق أوسع. في هذه المقالة، نلخص بعض العيوب التي تمت ملاحظتها أثناء معالجة رقاقة GaN وتقنيات التوصيف التي يمكن استخدامها للكشف عنها.

البنية البلورية GaN والركائز الأساسية

يمثل النمو المتجانس لركائز GaN تحديًا بسبب ارتفاع درجة حرارة الانصهار وضغط التفكك. يتم استخدام النمو غير المتجانس بشكل شائع، حيث يعتبر Si (111) والياقوت المرشحين المفضلين للتكلفة (أحجام الرقاقات الأكبر)، والتوافر على نطاق واسع، والعزل الكهربائي العالي (في حالة الياقوت)، والقدرة على استخدام CMOS Fabs الموجودة وربما التكامل مع أجهزة CMOS (في حالة Si). عادة ما يتم زراعة البنية البلورية للورتزيت التي تواجه Ga (الشكل 1) على هذه الركائز لأنها مستقرة من الناحية الديناميكية الحرارية.

الشكل 1: التركيب البلوري للورتزيت لـ GaN (المصدر: 1).
الشكل 1: التركيب البلوري للورتزيت لـ GaN (المصدر: 1)

على الرغم من أن كربيد السيليكون (SiC) يتمتع بمعامل شعرية وتمدد حراري (TEC) أفضل يتوافق مع GaN، إلا أن التكلفة الأعلى لهذه الركائز تحد من استخدامه في الترددات اللاسلكية والتطبيقات المتخصصة الأخرى. يسرد الجدول 1 بعض خصائص الشبكة لـ GaN والركائز شائعة الاستخدام. تعد GaN-on-Si اليوم هي التقنية السائدة المستخدمة في إنشاء أجهزة إلكترونية للطاقة تعتمد على GaN، مع إنتاج كبير الحجم في العديد من المصانع مقاس 6 بوصات و8 بوصات.

الجدول 1: بعض الخصائص البلورية لـ GaN والمواد الأساسية الشائعة (المصدر: 2).
الجدول 1: بعض الخصائص البلورية لـ GaN والمواد الأساسية الشائعة (المصدر: 2)

تؤدي تأثيرات الاستقطاب للبنية المتغايرة AlGaN/GaN إلى تكوين غاز إلكترون ثنائي الأبعاد (2-DEG) يستخدم كقناة توصيل، وهو أساس تشغيل جهاز HEMT.

عيوب الجاليوم

الخيوط والاضطرابات الأخرى أثناء النمو

يؤدي عدم تطابق الشبكة الكبير بين GaN وSi إلى مستوى عالٍ جدًا من خلع الخيوط (TDs)، في نطاق 1 × 1010 سم2. تنشأ هذه العيوب عند الركيزة وتنتشر نحو الطبقات الظهارية، ويمكن تصنيفها على أنها عيوب أحادية البعد أو عيوب خطية. لقد تم بذل الكثير من العمل لتحسين الطبقات العازلة التي يتم وضعها بين الركيزة وقناة GaN. ويمكن أن تشمل هذه الآن مجموعة من الشبكات الفائقة (على سبيل المثال، GaN/AlN) وسلسلة من الطبقات البينية GaN أو AlN ذات درجة الحرارة المنخفضة.

اضطرابات أخرى3 التي يمكن أن تحدث هي العيوب النقطية مثل الخلايا الخلالية المرتبطة بموقع ذري واحد (يمكن، على سبيل المثال، أن تنشأ أثناء زرع الأيونات)، والعيوب ثنائية الأبعاد التي يمكن أن تحدث بين المستويات البلورية مثل أخطاء التراص، وعيوب الحجم ثلاثية الأبعاد. مثل أنابيب النانو.

حبيبات

يمكن أن تترسب الجسيمات على السطح الأمامي أو الخلفي للرقاقة أثناء أي من الخطوات العديدة المتعلقة بالتصنيع. يمكن أن يكون بعضها معدنيًا، مثل غرفة ترسيب البخار الكيميائي المعدني العضوي (MOCVD) المستخدمة لترسيب طبقات العازلة والطبقات المضادة للفيروسات. يمكن أن يكون التعامل مع الرقاقات أيضًا سببًا مهيمنًا لذلك. يمكن استخدام عمليات التنظيف الكيميائية القياسية المستخدمة في معالجة رقائق Si مع GaN لتقليلها.

انحناء الرقاقة وكسرها

يمكن أن يؤدي عدم تطابق الشبكة الكبيرة وTEC بين GaN وSi إلى تشققات الطبقة الخارجية، وتشوه الرقاقة، و/أو الكسر، خاصة بالنسبة للأغشية السميكة اللازمة للأجهزة ذات الجهد العالي. تعد إدارة الإجهاد في الطبقة العازلة أمرًا بالغ الأهمية. عادةً ما تحتاج الخطوات الأخرى أثناء تصنيع الرقاقة إلى تحسين مثل قوة تثبيت الرقاقة في الأدوات، وزيادة درجة الحرارة، وانخفاض معدلات أثناء الصلب، وضبط سرعات الدوران في جهاز الغسيل، وما إلى ذلك.4.

تقنيات توصيف العيوب

بشكل عام، هناك ثلاثة تصنيفات لتوصيف العيوب:

  • غير مدمرة: مثل القياسات البصرية والأشعة السينية
  • التدميرية: مثل مجهر القوة الذرية (AFM)، ومطياف الكتلة الأيونية الثانوية (SIMS)، والمجهر الإلكتروني النافذ (TEM)
  • القياسات الكهربائية سواء على الأجهزة الكاملة أو هياكل الاختبار.

دعونا ننظر إلى أمثلة على كل من هذه.

فحص وتوصيف العيوب البصرية والأشعة السينية

مثال على أداة الفحص المتقدمة التي يمكن استخدامها للكشف عن عيوب GaN هو Candela® 8520 من KLA Instruments. تستخدم هذه الأداة بصريات خاصة لقياس شدة التشتت من أشعة الليزر العادية والمائلة الموجودة على الرقاقة في نفس الوقت، بالإضافة إلى انعكاس السطح، والتغيرات الطبوغرافية، وتحول الطور، والتألق الضوئي (PL). يتيح الفحص الآلي الكامل للرقائق باستخدام الكشف متعدد القنوات اكتشاف وتصنيف مجموعة واسعة من العيوب 5، كما هو موضح في الشكل 2. على سبيل المثال، يمكن لمنصة Candela® أن تساعد في اكتشاف التلال والحفر الصغيرة التي تشكلت أثناء نمو MOCVD والإبلاغ عن ظروف المفاعل غير المناسبة.

الشكل 2: (أ) البصريات في نظام توصيف عيوب التألق الضوئي، (ب) مكتبة عيوب GaN (المصدر: 5).
الشكل 2: (أ) البصريات في نظام توصيف عيوب التألق الضوئي، (ب) مكتبة عيوب GaN (المصدر: 5)

على النقيض من الليزر المستخدم في PL، يستخدم التألق الكاثودي (CL) إلكترونات عالية الطاقة لتحفيز المادة ثم تحليل الفوتونات المولدة. يمكن اكتشاف عيوب TD الفوقي GaN باستخدام أداة Horiba Scientifics CL عند التصوير عند الطول الموجي لانبعاث حافة النطاق لـ GaN (362 نانومتر).

تُستخدم أيضًا منحنيات تأرجح حيود الأشعة السينية عالية الدقة (HR-XRD) بشكل شائع لوصف الجودة البلورية في النمو الفوقي. المؤلفون في [6] عرض مثالاً على هذه التقنية لمقارنة طبقات الـ AlGaN/GaN المزروعة على ركائز من الياقوت والسيليكون، مع إظهار ركيزة الياقوت ذروة أكثر إحكامًا في الشكل الموجي المكتشف. يمكن أن يعزى ذلك إلى الشبكة الأفضل ومطابقة TCE بين GaN والياقوت.

إيمي و تيم

يُستخدم الفحص المجهري للانبعاث (EMMI) بشكل شائع في منتجات أشباه الموصلات وتحليل فشل الجهاز عندما يكون التسرب الكهربائي بمثابة توقيع الفشل. يمكن أن يكون مفيدًا جدًا عندما يكون التسرب موضعيًا مكانيًا. المنتج متحيز كهربائيًا عند مستوى تسرب معين ويمكن استخدام الكشف بالأشعة تحت الحمراء لتحديد موقع الفشل. تكون أحجام بقعة EMMI، عادةً في نطاق 1 ميكرومتر، كبيرة جدًا بشكل عام بحيث لا يمكنها تحديد العيوب البلورية.

المؤلفون 7 استخدم مزيجًا مبتكرًا من EMMI مع تصوير SEM وScanning TEM (STEM) لتحديد الاضطرابات الفردية في جهاز GaN HEMT الذي تم تشكيله أثناء اختبارات الإجهاد التحيز العكسي ذات درجة الحرارة العالية (RBSTs). تم استخدام مقاومة p-GaN من سلسلة متكاملة مع الجهاز للحد من التيار وحماية الجهاز من الأضرار الكارثية. تم استخدام EMMI في البداية لربط زيادة التسرب أثناء RBST إلى 9 مواضع على طول عرض الجهاز لجهازين مختلفين. تعمل الثقوب التي تم إنشاؤها باستخدام شعاع أيون مركّز (FIB) بالقرب من مواقع EMMI كنقاط مرجعية أثناء تحليل TEM اللاحق.

بعد ذلك، تم استخدام العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات المستوية لربط هذه المواقع بالتدهور الهيكلي مع طبقة حاجز AlGaN. تم استخدام مزيج من الكشف عن المجال الساطع الحلقي (ABF) والمجال المظلم الحلقي عالي الزاوية (HAADF). يسلط ABF الضوء على TDs كخطوط، بينما يحدد HAADF الشقوق الصغيرة والعيوب الهيكلية. تم بعد ذلك استخدام التصوير المقطعي TEM لتصور هذه العيوب وربطها بشكل أكبر بخلع معين داخل الحجم. ومن ثم يمكن إنشاء مسار ثلاثي الأبعاد للاضطرابات في مواقع العيوب، كما هو مبين في الشكل 3. تم استخدام مجموعة التحليل هذه لاستنتاج أن TDs الموجودة مسبقًا في بنية AlGaN/GaN لم تكن دائمًا مسؤولة عن العيوب التي تظهر تحت RBST التي تسبب في تسرب. في هذا العمل، لم يتم استخدام لوحات مجال العمل لخفض المجال الكهربائي بالقرب من البوابة في الجهاز، ومن الممكن أن تكون الحقول العالية في واجهة p-GaN/AlGaN هي سبب تسرب RBST.

الشكل 3: (أ) صور ABF STEM المستوية لخمسة عيوب مختلفة تم تحديدها على أنها تسبب تسربًا في GaN HEMT أثناء RBST، (ب) صور ABF STEM المستعرضة المقابلة لنفس الشيء.  الخطوط المتقطعة الصفراء ترتبط بالاضطرابات.  على سبيل المثال، في الموقع أ، لا يرتبط الضرر الناتج عن التسرب في واجهة p-GaN/AlGaN بـ TD، وهو أعمق بكثير (المصدر: 7).
الشكل 3: (أ) صور ABF STEM المستوية لخمسة عيوب مختلفة تم تحديدها على أنها تسبب تسربًا في GaN HEMT أثناء RBST، (ب) صور ABF STEM المستعرضة المقابلة لنفس الشيء. الخطوط المتقطعة الصفراء ترتبط بالاضطرابات. على سبيل المثال، في الموقع أ، لا يرتبط الضرر الناتج عن التسرب في واجهة p-GaN/AlGaN بـ TD، وهو أعمق بكثير (المصدر: 7)

مراجع

1 تشين. ح وآخرون. آل، “تأثير الضغط على الخواص الميكانيكية والإلكترونية لبلورات الورزيت والزنك بليند GaN،” البلورات، 2018.
2 تشاو، المديرية العامة، وآخرون. آل، “الإجهاد وتأثيره على الخصائص البصرية لطبقات الجاليوم المزروعة على Si(111)، 6-H SiC(001)، والياقوت المستوي c، رسائل الفيزياء التطبيقية، 2003.
3 يام، FK، وآخرون. آل، “نيتريد الغاليوم: نظرة عامة على العيوب الهيكلية،” https://cdn.intechopen.com/pdfs/20503/InTech-Gallium_nitride_an_overview_of_structural_defects.pdf
4 شودري. تعيين. آل.، “أكثر من 5000 رقاقة من 650 فولت من GaN HEMTs عالية الموثوقية على ركائز Si: نتائج كسر الرقاقة وتلوث الجانب الخلفي”، 2020 ASMC، 10.1109/ASMC49169.2020.9185385
5 راغوناثان. التقى. آل، “فحص العيوب في رقائق أشباه الموصلات المركبة،” https://csmantech.org/paper/defect-inspection-for-compound-semiconductor-wafers/
6 فاركفوومي. تعيين. آل.، “ارتباط العيوب البلورية بأداء جهاز ترانزستورات الحركة عالية الإلكترون AlGaN/GaN المصنعة على ركائز السيليكون والياقوت”، إلكترونيات، 2023، https://doi.org/10.3390/electronics120410497 ستابينتينر. M. وآخرون، “حول عدم أهمية الاضطرابات في تدهور التحيز العكسي لأجهزة GaN-on-Si الجانبية”، J. الفيزياء التطبيقية، 2024، https://doi.org/10.1063/5.0178743

ظهرت العيوب وطرق توصيفها في تصنيع GaN Power HEMT لأول مرة على Power Electronics News.

اترك تعليقاً

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