3. סיכום מאפיינים בסיסיים

בשל הבדלים מבניים, להתקני כוח של GaN יש מאפיינים שונים בהשוואה להתקנים מבוססי סיליקון.

(1) מתח סטנדרטי: 650V

המתח האופייני למכשירי כוח GaN הוא 650V. ביישומי ספק כוח רבים, הקלט מחובר לרשת 220V AC. לאחר התיקון, המתח על קבל האוטובוס מגיע לכ-400V DC. בנוסף, ישנם קוצים במתח והשתקפות מצד משני ביישומי טופולוגיה מסוימים. לכן, 650V הפך לדרישת מתח סטנדרטית.

(2) אין התמוטטות מפולת

התקני כוח מסוג GaN אינם חווים קריסה מסוג מפולת. ברגע שמתרחשת קריסה, היא קבועה, בדומה לקריסה דיאלקטרית בקבלים. עבור התקן 650 וולט, אם היה מדובר ב-MOSFET מסיליקון, מתח הקריסה בפועל הוא בדרך כלל סביב 750 וולט (עם מרווח תכנון של 10%). עם זאת, התקני GaN דורשים מרווח תכנון גבוה יותר של מתח קריסה. התקן 650 וולט זקוק למתח קריסה של לפחות 900 וולט (עם מרווח תכנון >10%).

(3) ללא טרנזיסטורים מסוג p של GaN

בטכנולוגיה מבוססת סיליקון, קיימים NMOS (נשא אלקטרונים) ו-PMOS (נשא חור), אך כיום, אין טרנזיסטורי GaN מסוג p. לכן, תכנון המעגלים המשולבים האנלוגיים/דיגיטליים שונה מזה של סיליקון. הסיבות העיקריות להיעדר טרנזיסטורי GaN מסוג p הן: ראשית, קשה להשיג השתלת יונים וחישול בטמפרטורה נמוכה של יוני מגנזיום על GaN; שנית, ניידות החורים של GaN היא רק 30cm2/Vs, נמוכה בהרבה מניידות האלקטרונים של 2000cm2/Vs.

(4) מתח שער: 7V

בשל תהליך ה-GaN, מתח השער המרבי עבור התקני כוח GaN מוגבל ל-7V, דבר שאינו תואם ל-IC Driver סיליקון קיימים.

טכנולוגיית תהליך מכשיר

התקני כוח של GaN, כמו שבבים מבוססי סיליקון, עוברים תהליכי ייצור דומים, הכוללים בעיקר עיצוב, צמיחת רקיק אפיטקסיאלי, ייצור שבבים ובדיקות אריזה.

איור 4: שלבי ייצור טיפוסיים עבור התקני כוח GaN

1. שלב התכנון

מכשירי GaN בדרך כלל מדומים ומודגמים במהלך שלב התכנון באמצעות טכניקות TCAD (Technology Computer Aided Design). זה כולל הדמיה וניתוח של מבנה המכשיר והפרמטרים.

2. תהליך ייצור רקיק אפיטקסיאלי

ניתן לגדל פרוסות אפיטקסיאליות של GaN על מצעי סיליקון, מצעי סיליקון קרביד או מצעי ספיר. משיקולי עלות וייצור המוני, השקעת כל שכבה בפריסת האפיטקסיאלית מתבצעת בדרך כלל באמצעות טכניקת MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition).

איור 5: תהליך ייצור של GaN Epitaxial Wafer

3. תהליך ייצור מכשיר

תהליך ייצור התקני GaN HEMT (טרנזיסטור ניידות אלקטרונים גבוהה) במצב דלדול על גבי מצעי ספיר מוצג באיור שלהלן. תהליך ייצור התקני GaN HEMT על גבי מצעי סיליקון דומה.

השלב הראשון כרוך בשימוש במסכה הראשונה עבור תחריט בידוד מסוג פלטפורמה. השלב השני משתמש במסכה השנייה כדי להגדיר את אזורי המקור והניקוז. השלב השלישי כולל השקת מתכת עבור המקור והניקוז. השלב הרביעי כולל שקיעת זכוכית וחישול ליצירת אזורי המקור והניקוז של מתכת. השלב החמישי משתמש במסכה השלישית כדי להגדיר את אזור השער. השלב השישי כרוך בתצהיר מתכת עבור השער. השלב השביעי כרוך בהרמת מתכת ליצירת מתכת השער. השלב השמיני כולל הפקדת סיליקון ניטריד לפסיבציה והגנה. השלב התשיעי משתמש במסכה הרביעית כדי להגדיר את המגעים עבור אזורי המקור והניקוז. השלב העשירי משתמש במסכה החמישית כדי להגדיר את לוחית השדה. השלב האחד-עשר כולל הרמת מתכת ליצירת לוחית השדה, והשלב ה-12 כרוך בהפקדת שכבה שנייה של סיליקון ניטריד לפסיבציה.

הערה: השלבים הספציפיים ומספרי המסכה המוזכרים עשויים להשתנות בהתאם לעיצוב המכשיר ותהליך הייצור בו נעשה שימוש.

איור 6: זרימת תהליך לייצור GaN HEMT במצב D על מצע ספיר

4. בדיקת CP

בדיקת CP כוללת בעיקר בדיקת פרמטרים שונים הן בטמפרטורת החדר והן בסביבות טמפרטורות גבוהות כדי לזהות קוביות שבבים פגומות על הפרוסה. שבבים פגומים אלה מסומנים לאחר מכן בצבע ואינם נכללים בתהליכי אריזה נוספים.

איור 7: בדיקת CP (אדום מציין את מיקומי השבבים הפגומים)

5. אריזה

איור 8: שלבי אריזה פשוטים

המשך יבוא...