Struktur dan proses pembuatan peranti Galium Nitrida (GaN)

3. Ringkasan Ciri-ciri Asas

Disebabkan oleh perbezaan struktur, peranti kuasa GaN mempunyai ciri yang berbeza berbanding peranti berasaskan silikon.

(1) Voltan Standard: 650V

Voltan biasa untuk peranti kuasa GaN ialah 650V. Dalam banyak aplikasi bekalan kuasa, input disambungkan ke sesalur 220V AC. Selepas pembetulan, voltan pada kapasitor bas mencapai lebih kurang 400V DC. Di samping itu, terdapat pancang voltan dan pantulan dari sisi sekunder dalam aplikasi topologi tertentu. Oleh itu, 650V telah menjadi keperluan voltan standard.

(2) Tiada Pecahan Avalanche

Peranti kuasa GaN tidak mengalami kerosakan runtuhan salji. Sebaik sahaja kerosakan berlaku, ia kekal, sama seperti kerosakan dielektrik dalam kapasitor. Untuk peranti 650V, jika ia adalah MOSFET silikon, voltan kerosakan sebenar biasanya sekitar 750V (dengan margin reka bentuk 10%). Walau bagaimanapun, peranti GaN memerlukan margin reka bentuk voltan pecahan yang lebih tinggi. Peranti 650V memerlukan voltan kerosakan sekurang-kurangnya 900V (dengan margin reka bentuk >10%).

(3) Tiada Transistor GaN jenis-p

Dalam teknologi berasaskan silikon, terdapat NMOS (pembawa elektron) dan PMOS (pembawa lubang), tetapi pada masa ini, tiada HEMT GaN jenis p. Oleh itu, reka bentuk IC analog/digital adalah berbeza daripada silikon. Sebab utama kekurangan transistor GaN jenis p ialah: pertama, implantasi ion dan penyepuhlindapan ion magnesium pada suhu rendah sukar dicapai pada GaN; kedua, mobiliti lubang GaN hanya 30cm2/Vs, jauh lebih rendah daripada mobiliti elektron 2000cm2/Vs.

(4) Voltan Pintu: 7V

Disebabkan oleh proses GaN, voltan pintu maksimum untuk peranti kuasa GaN dihadkan kepada 7V, yang tidak serasi dengan IC pemacu silikon sedia ada.

Teknologi Proses Peranti

Peranti kuasa GaN, seperti cip berasaskan silikon, menjalani proses pembuatan yang serupa, yang terutamanya termasuk reka bentuk, pertumbuhan wafer epitaxial, fabrikasi cip dan ujian pembungkusan.

Rajah 4:Langkah Pengilangan Biasa untuk Peranti Kuasa GaN

1. Fasa Reka Bentuk

Peranti GaN biasanya disimulasikan dan dimodelkan semasa fasa reka bentuk menggunakan teknik TCAD (Technology Computer-Aided Design). Ini melibatkan simulasi dan menganalisis struktur dan parameter peranti.

2. Proses Pengilangan Wafer Epitaxial

Wafer epitaxial GaN boleh ditanam pada substrat silikon, substrat silikon karbida, atau substrat nilam. Untuk pertimbangan kos dan pengeluaran besar-besaran, pemendapan setiap lapisan dalam wafer epitaxial biasanya dilakukan menggunakan teknik MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition).

Rajah 5: Proses Pengilangan Wafer Epitaxial GaN

3. Proses Pengilangan Peranti

Aliran proses yang dipermudahkan untuk fabrikasi peranti GaN HEMT (Transistor Mobiliti Elektron Tinggi) pada substrat nilam ditunjukkan dalam rajah di bawah. Aliran proses untuk peranti GaN HEMT pada substrat silikon adalah serupa.

Langkah pertama melibatkan penggunaan topeng pertama untuk etsa pengasingan jenis platform. Langkah kedua menggunakan topeng kedua untuk menentukan sumber dan kawasan longkang. Langkah ketiga melibatkan pemendapan logam untuk sumber dan longkang. Langkah keempat termasuk pemendapan kaca dan penyepuhlindapan untuk membentuk sumber dan kawasan logam longkang. Langkah kelima menggunakan topeng ketiga untuk menentukan kawasan gerbang. Langkah keenam melibatkan pemendapan logam untuk pintu pagar. Langkah ketujuh memerlukan pengangkatan logam untuk mencipta logam pintu. Langkah kelapan melibatkan penyimpanan silikon nitrida untuk pempasifan dan perlindungan. Langkah kesembilan menggunakan topeng keempat untuk menentukan sesentuh bagi kawasan sumber dan longkang. Langkah kesepuluh menggunakan topeng kelima untuk menentukan plat medan. Langkah kesebelas melibatkan pengangkatan logam untuk membentuk plat medan, dan langkah kedua belas memerlukan pemendapan lapisan kedua silikon nitrida untuk pempasifan.

Nota: Langkah khusus dan nombor topeng yang dinyatakan mungkin berbeza bergantung pada reka bentuk peranti dan proses pembuatan yang digunakan.

Rajah 6: Aliran Proses untuk Fabrikasi GaN HEMT mod D pada Substrat Nilam

4. Pengujian CP

Ujian CP terutamanya melibatkan ujian pelbagai parameter dalam kedua-dua suhu bilik dan persekitaran suhu tinggi untuk mengenal pasti mati cip yang rosak pada wafer. Cip yang rosak ini kemudiannya ditandakan dengan pewarna dan dikecualikan daripada proses pembungkusan selanjutnya.

Rajah 7: Ujian CP (Merah Menunjukkan Lokasi Cip Rosak)

5. Pembungkusan

Rajah 8: Langkah Pembungkusan Dipermudahkan

Akan bersambung...