هيكل وعملية تصنيع أجهزة نيتريد الغاليوم (GaN).

3. ملخص الخصائص الأساسية

نظرًا للاختلافات الهيكلية، فإن أجهزة طاقة GaN لها خصائص مختلفة مقارنة بالأجهزة القائمة على السيليكون.

(1) الجهد القياسي: 650 فولت

الجهد النموذجي لأجهزة طاقة GaN هو 650 فولت. في العديد من تطبيقات إمداد الطاقة، يتم توصيل الإدخال بمصدر تيار متردد 220 فولت. بعد التصحيح، يصل الجهد الموجود على مكثف الناقل إلى حوالي 400V DC. بالإضافة إلى ذلك، هناك ارتفاعات في الجهد وانعكاس من الجانب الثانوي في بعض تطبيقات الطوبولوجيا. لذلك، أصبح 650 فولت متطلبًا قياسيًا للجهد.

(2) لا يوجد انهيار جليدي

لا تتعرض أجهزة GaN للطاقة لانهيار مفاجئ. بمجرد حدوث الانهيار، يكون دائمًا، على غرار انهيار العازل في المكثفات. بالنسبة لجهاز 650 فولت، إذا كان من نوع MOSFET السيليكوني، يكون جهد الانهيار الفعلي عادةً حوالي 750 فولت (بهامش تصميمي 10%). ومع ذلك، تتطلب أجهزة GaN جهد انهيار تصميمي أعلى. يحتاج جهاز 650 فولت إلى جهد انهيار لا يقل عن 900 فولت (بهامش تصميمي >10%).

(3) لا يوجد ترانزستورات GaN من النوع p

في تكنولوجيا السيليكون، يوجد ناقل الإلكترونات NMOS وناقل الثقوب PMOS، ولكن لا توجد حاليًا ترانزستورات GaN HEMT من النوع p. لذلك، يختلف تصميم الدوائر المتكاملة التناظرية/الرقمية عن السيليكون. الأسباب الرئيسية لعدم وجود ترانزستورات GaN من النوع p هي: أولًا، صعوبة زراعة الأيونات وتليين أيونات المغنيسيوم في درجات حرارة منخفضة على GaN؛ ثانيًا، تبلغ حركة الثقوب في GaN 30 سم²/فولت ثانية فقط، وهي أقل بكثير من حركة الإلكترونات البالغة 2 سم²/فولت ثانية.

(4) جهد البوابة: 7 فولت

نظرًا لعملية GaN، يقتصر الحد الأقصى لجهد البوابة لأجهزة طاقة GaN على 7 فولت، وهو غير متوافق مع الدوائر المتكاملة لمشغل السيليكون الموجودة.

تكنولوجيا معالجة الجهاز

تخضع أجهزة طاقة GaN، مثل الرقائق القائمة على السيليكون، لعمليات تصنيع مماثلة، والتي تشمل بشكل أساسي التصميم ونمو الرقائق الفوقي وتصنيع الرقائق واختبار التغليف.

الشكل 4: خطوات التصنيع النموذجية لأجهزة طاقة GaN

1. مرحلة التصميم

عادةً ما تتم محاكاة أجهزة GaN وتصميمها خلال مرحلة التصميم باستخدام تقنيات TCAD (تقنية التصميم بمساعدة الكمبيوتر). يتضمن ذلك محاكاة وتحليل بنية الجهاز ومعلماته.

2. عملية تصنيع الرقاقة الفوقية

يمكن زراعة الرقائق الفوقية من GaN على ركائز السيليكون، أو ركائز كربيد السيليكون، أو ركائز الياقوت. لاعتبارات التكلفة والإنتاج الضخم، يتم عادةً ترسيب كل طبقة في الرقاقة الفوقي باستخدام تقنية MOCVD (ترسيب البخار الكيميائي العضوي المعدني).

الشكل 5: عملية تصنيع الرقاقة الفوقي GaN

3. عملية تصنيع الجهاز

يوضح الشكل أدناه سير العملية المُبسَّط لتصنيع أجهزة GaN HEMT (ترانزستور عالي الحركة الإلكترونية) في وضع الاستنفاد على ركائز الياقوت. ويتشابه سير العملية لأجهزة GaN HEMT على ركائز السيليكون.

تتضمن الخطوة الأولى استخدام القناع الأول لحفر العزل من نوع النظام الأساسي. تستخدم الخطوة الثانية القناع الثاني لتحديد مناطق المصدر والصرف. تتضمن الخطوة الثالثة ترسيب المعدن للمصدر والصرف. تتضمن الخطوة الرابعة ترسيب الزجاج والتليين لتشكيل المصدر وتصريف المناطق المعدنية. تستخدم الخطوة الخامسة القناع الثالث لتحديد منطقة البوابة. الخطوة السادسة تتضمن ترسيب المعدن للبوابة. تستلزم الخطوة السابعة رفع المعدن لإنشاء البوابة المعدنية. تتضمن الخطوة الثامنة ترسيب نيتريد السيليكون للتخميل والحماية. تستخدم الخطوة التاسعة القناع الرابع لتحديد نقاط الاتصال الخاصة بمناطق المصدر والصرف. تستخدم الخطوة العاشرة القناع الخامس لتحديد لوحة المجال. تتضمن الخطوة الحادية عشرة رفع المعدن لتشكيل لوحة المجال، وتستلزم الخطوة الثانية عشرة ترسيب طبقة ثانية من نيتريد السيليكون للتخميل.

ملاحظة: قد تختلف الخطوات المحددة وأرقام الأقنعة المذكورة حسب تصميم الجهاز وعملية التصنيع المستخدمة.

الشكل 6: تدفق العملية لتصنيع GaN HEMT على الوضع D على الركيزة الياقوتية

4. اختبار CP

يتضمن اختبار CP بشكل أساسي اختبار معلمات مختلفة في كل من درجة حرارة الغرفة وبيئات درجة الحرارة المرتفعة لتحديد قوالب الرقاقة المعيبة على الرقاقة. يتم بعد ذلك تمييز هذه الرقائق المعيبة بصبغة واستبعادها من عمليات التعبئة والتغليف الإضافية.

الشكل 7: اختبار CP (يشير اللون الأحمر إلى مواقع الرقائق المعيبة)

5. التعبئة والتغليف

الشكل 8: خطوات التغليف المبسطة

يتبع...