Структура и процесс изготовления устройств из нитрида галлия (GaN).

3. Краткое изложение основных характеристик

Из-за структурных различий силовые устройства на основе GaN имеют другие характеристики по сравнению с устройствами на основе кремния.

(1) Стандартное напряжение: 650 В

Типичное напряжение для силовых устройств GaN составляет 650 В. Во многих системах электропитания вход подключается к сети переменного тока напряжением 220 В. После выпрямления напряжение на конденсаторе шины достигает примерно 400В постоянного тока. Кроме того, в некоторых топологических приложениях наблюдаются скачки напряжения и отражения от вторичной обмотки. Таким образом, 650 В стало стандартным требованием к напряжению.

(2) Отсутствие лавинного разрушения

Силовые устройства GaN не подвержены лавинному пробою. Однажды возникший пробой становится постоянным, подобно пробою диэлектрика в конденсаторах. Для устройства на 650 В, если бы это был кремниевый МОП-транзистор, фактическое напряжение пробоя обычно составляет около 750 В (с расчетным запасом 10%). Однако устройства на основе GaN требуют более высокого расчетного запаса по напряжению пробоя. Для устройства на 650В необходимо напряжение пробоя не менее 900В (с расчетным запасом >10%).

(3) Никаких GaN-транзисторов p-типа.

В кремниевой технологии существуют N-МОП-транзисторы (с электронными носителями) и P-МОП-транзисторы (с дырочными носителями), но в настоящее время отсутствуют GaN HEMT p-типа. Поэтому конструкция аналогово-цифровых ИС отличается от кремниевой. Основные причины отсутствия p-типа GaN-транзисторов: во-первых, ионная имплантация и низкотемпературный отжиг ионов магния трудно осуществимы на GaN; во-вторых, подвижность дырок в GaN составляет всего 30 см²/В·с, что значительно ниже подвижности электронов 2 см²/В·с.

(4) Напряжение затвора: 7 В

Из-за технологии GaN максимальное напряжение затвора для силовых устройств GaN ограничено 7 В, что несовместимо с существующими микросхемами кремниевых драйверов.

Технология процесса устройства

Устройства питания на основе GaN, такие как кремниевые чипы, подвергаются схожим производственным процессам, которые в основном включают в себя проектирование, выращивание эпитаксиальных пластин, изготовление чипов и тестирование упаковки.

Рисунок 4. Типичные этапы производства силовых устройств на основе GaN.

1. Этап проектирования

Устройства GaN обычно моделируются и моделируются на этапе проектирования с использованием методов TCAD (технология компьютерного проектирования). Это включает в себя моделирование и анализ структуры и параметров устройства.

2. Процесс производства эпитаксиальных пластин

Эпитаксиальные пластины GaN можно выращивать на кремниевых подложках, подложках из карбида кремния или сапфировых подложках. Из соображений стоимости и массового производства осаждение каждого слоя на эпитаксиальную пластину обычно выполняется с использованием метода MOCVD (химическое осаждение металлоорганических соединений из паровой фазы).

Рисунок 5: Процесс производства эпитаксиальной пластины GaN.

3. Процесс производства устройства

Упрощенная технологическая схема изготовления устройств GaN HEMT (транзистор с высокой подвижностью электронов) в режиме обеднения на сапфировых подложках показана на рисунке ниже. Технологическая схема изготовления устройств GaN HEMT на кремниевых подложках аналогична.

Первый шаг предполагает использование первой маски для травления изоляции платформенного типа. На втором этапе вторая маска используется для определения областей истока и стока. Третий этап включает в себя нанесение металла для истока и стока. Четвертый этап включает осаждение стекла и отжиг для формирования металлических областей истока и стока. На пятом этапе используется третья маска для определения области ворот. Шестой этап предполагает наплавку металла на ворота. Седьмой шаг предполагает отрыв металла для создания металлических ворот. Восьмой этап включает нанесение нитрида кремния для пассивации и защиты. На девятом этапе используется четвертая маска для определения контактов для областей истока и стока. На десятом этапе используется пятая маска для определения полевой пластины. Одиннадцатый этап включает в себя отрыв металла для формирования полевой пластины, а двенадцатый этап влечет за собой нанесение второго слоя нитрида кремния для пассивации.

Примечание. Указанные конкретные шаги и номера масок могут различаться в зависимости от конструкции устройства и используемого производственного процесса.

Рисунок 6. Технологическая схема изготовления GaN HEMT в D-режиме на сапфировой подложке.

4. CP-тестирование

CP-тестирование в основном включает в себя тестирование различных параметров как при комнатной, так и при высоких температурах для выявления дефектных кристаллов кристаллов на пластине. Эти дефектные чипы затем маркируются красителем и исключаются из дальнейших процессов упаковки.

Рисунок 7. CP-тестирование (красным цветом отмечены места расположения дефектных чипов)

5. упаковка

Рисунок 8. Упрощенные этапы упаковки

Продолжение следует...