Szybki rozwój centrów danych AI zmienia wymagania dotyczące urządzeń półprzewodnikowych mocy. Wyższa gęstość mocy procesora graficznego, rosnąca moc stojaka i rosnące zapotrzebowanie na wydajną konwersję AC/DC i DC/DC przyspieszają wdrażanie półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej, takich jak azotek galu.

Wśród różnych platform GaN,GaN na krzemiewzbudziła szczególną uwagę, ponieważ łączy w sobie zalety elektryczne GaN z infrastrukturą produkcyjną płytek krzemowych.

Obecnie płytki GaN na krzemie o średnicy 200 mm są już szeroko stosowane w opracowywaniu i produkcji urządzeń zasilających i RF, natomiast płytki GaN o grubości 300 mm na krzemie są coraz częściej badane jako potencjalna droga do produkcji na większą skalę i głębszej integracji z głównymi fabrykami półprzewodników.

Jednak przejście z 200 mm na 300 mm nie jest po prostu kwestią zwiększenia średnicy płytki. Łuki waflowe, naprężenia warstwy buforowej, jednorodność epitaksji, kontrola defektów i zgodność z fabrykami – wszystko to staje się większym wyzwaniem.

W tym artykule wyjaśniono kluczowe różnice między płytkami GaN na krzemie o średnicy 200 mm i 300 mm do zastosowań w energoelektronice AI.

Dlaczego GaN na krzemie ma znaczenie dla elektroniki mocy AI

Serwery AI wymagają wielu etapów konwersji mocy.

Typowe zastosowania obejmują:

• Zasilacze do centrów danych
• Serwerowe przetwornice AC/DC
• Architektury zasilania 48 V
• Pośrednie konwertery magistrali
• Przetwornice DC/DC wysokiej częstotliwości
• Dostarczanie mocy dla procesorów graficznych i akceleratorów AI
• Systemy zasilania telekomunikacji
• Interfejsy magazynowania energii akumulatora

Urządzenia GaN mogą pracować przy wyższych częstotliwościach przełączania niż konwencjonalne krzemowe tranzystory MOSFET, co pozwala na stosowanie mniejszych cewek, transformatorów i kondensatorów.

Może to pomóc ulepszyć:

• Gęstość mocy
• Efektywność konwersji
• Rozmiar systemu
• Wydajność cieplna
• Szybkość przełączania

GaN na krzemie jest szczególnie atrakcyjny, ponieważ podłoża krzemowe są dostępne w dużych średnicach i są kompatybilne z większością sprzętu stosowanego w istniejącej produkcji półprzewodników.

Co to jest płytka GaN na krzemie?

Płytka GaN na krzemie zwykle składa się z kilku warstw.

Uproszczona struktura może obejmować:

Podłoże silikonowe
↓
Warstwa zarodkowania
↓
Warstwy zarządzania stresem lub warstwy przejściowe
↓
Warstwa buforowa GaN
↓
Warstwa kanału GaN
↓
Bariera AlGaN lub epitaksja urządzenia

Dokładna struktura zależy od zastosowania urządzenia.

W przypadku energoelektroniki GaN stos epitaksjalny można zoptymalizować pod kątem:

• Wysokie napięcie przebicia
• Niski prąd upływowy
• Niska dynamika RDS (wł.)
• Wysoka ruchliwość elektronów
• Niskie zatrzymywanie
• Wysoka jednorodność wafla

Ponieważ GaN i krzem mają bardzo różne stałe sieci i współczynniki rozszerzalności cieplnej, wymagane są wyrafinowane struktury buforowe.

Te warstwy buforowe stają się szczególnie ważne, gdy wzrasta średnica płytki.

Płytki GaN na Si o średnicy 200 mm

Płytki GaN na krzemie o średnicy 200 mm, czyli 8 cali, stały się ważną platformą do komercyjnej produkcji urządzeń zasilających GaN.

Format 200 mm zapewnia równowagę pomiędzy dojrzałością produkcyjną a produktywnością w skali płytki.

Typowe zalety to:

• Utworzono infrastrukturę fabryki krzemu 200 mm
• Dojrzały sprzęt do obsługi płytek
• Niższe ryzyko rozwoju
• Łatwiejsze zarządzanie łukiem waflowym
• Lepiej ustalone procesy epitaksji GaN
• Niższa początkowa inwestycja w sprzęt w porównaniu z 300 mm

Dla wielu producentów urządzeń GaN 200 mm pozostaje praktycznym wyborem w przypadku urządzeń zasilających przeznaczonych dla centrów danych, zasilaczy konsumenckich, systemów pomocniczych pojazdów elektrycznych i energoelektroniki przemysłowej.

Typowe parametry GaN na Si 200 mm

Specyfikacje zależą od struktury epitaksjalnej, ale typowe parametry mogą obejmować:

Średnica: 200 mm

Podłoże: Si (111)

Grubość krzemu: około 725 µm

Grubość epi GaN: zależna od zastosowania

Przewodność: konstrukcja półizolacyjna lub bufor dostosowany do konkretnego urządzenia

Powierzchnia: gotowa do epitaksji lub pełna epitaksja GaN

Łuk: sterowany zgodnie z wymaganiami procesu urządzenia

Osnowa: kontrolowana pod kątem litografii i obsługi płytek

Chropowatość powierzchni: zazwyczaj poziom poniżej nanometra w przypadku powierzchni o jakości urządzenia

Kontrola cząstek: klasa półprzewodnikowa

W przypadku gotowych płytek epi GaN dodatkowe parametry mogą obejmować:

• Odporność arkusza
• Gęstość 2DEG
• Mobilność elektronów
• Wyciek bufora
• Napięcie przebicia
• Jednorodność grubości epitaksjalnej

Dlaczego branża jest zainteresowana 300 mm GaN na Si

Płytki o średnicy 300 mm są standardem w zaawansowanej produkcji półprzewodników krzemowych.

Przeniesienie GaN na platformę o średnicy 300 mm mogłoby zapewnić kilka długoterminowych korzyści.

Najważniejsza jest skala produkcji.

Płytka o średnicy 300 mm ma znacznie większą powierzchnię użytkową niż płytka o średnicy 200 mm, co potencjalnie pozwala na wyprodukowanie większej liczby urządzeń z jednej płytki.

W przypadku zastosowań masowych, takich jak elektronika energetyczna centrów danych AI, może to ostatecznie poprawić ekonomikę produkcji.

Inne potencjalne zalety to:

• Dostęp do zaawansowanej infrastruktury produkcyjnej 300 mm
• Wyższy poziom automatyzacji
• Więcej matryc na płytkę
• Lepsza integracja z produkcją CMOS
• Zgodność z zaawansowanymi ekosystemami opakowań
• Potencjalna redukcja kosztów urządzenia przy dużej wielkości produkcji

Jednak te zalety mają znaczenie tylko wtedy, gdy epitaksja GaN może spełnić rygorystyczne wymagania dotyczące jakości płytek.

To jest ta trudna część.

Łuk waflowy: jedno z największych wyzwań 300 mm

Łuk waflowy jest jednym z najważniejszych parametrów przy skalowaniu GaN-on-Si od 200 mm do 300 mm.

GaN i krzem mają bardzo różne parametry sieci i zachowanie w zakresie rozszerzalności cieplnej.

Podczas wzrostu epitaksjalnego w podwyższonej temperaturze wewnątrz płytki powstają naprężenia mechaniczne.

Po ostygnięciu płytki naprężenie to może spowodować wygięcie podłoża.

Im większa średnica płytki, tym trudniejsza staje się kontrola naprężeń.

Nadmierny łuk może powodować problemy podczas:

• Litografia
• Rzucanie wafli
• Powłoka wirowa
• Akwaforta
• Implantacja jonów
• Metalizacja
• CMP
• Zautomatyzowana obsługa płytek

W przypadku GaN na Si o średnicy 300 mm kontrola łuku staje się krytyczna, ponieważ nowoczesny sprzęt półprzewodnikowy jest projektowany w oparciu o rygorystyczne ograniczenia dotyczące geometrii płytek.

Płytka, która nie może być prawidłowo osadzona na uchwycie próżniowym, może nie być kompatybilna ze standardowym sprzętem produkcyjnym.

Jak łuk jest kontrolowany

Dostawcy epitaksji GaN stosują kilka technik radzenia sobie ze stresem.

Mogą one obejmować:

• Warstwy zarodkowania AlN
• Warstwy przejściowe AlGaN
• Bufory o stopniowanym składzie
• Struktury supersieciowe
• Bufory GaN domieszkowane węglem
• Warstwy kompensujące odkształcenia
• Zoptymalizowana grubość podłoża krzemowego

Konstrukcja stosu buforów ma bezpośredni wpływ zarówno na geometrię płytki, jak i na parametry elektryczne.

Warstwy buforowe stają się ważniejsze przy 300 mm

Struktura buforowa w GaN-na-Si nie jest po prostu mechaniczną warstwą przejściową.

Ma to również duży wpływ na wydajność urządzenia.

Prawidłowo zaprojektowany bufor musi zapewniać:

• Kompensacja stresu
• Izolacja elektryczna
• Niski prąd upływowy
• Wysokie napięcie przebicia
• Niska gęstość dyslokacji
• Niskie zatrzymywanie
• Stabilna wydajność urządzenia

W przypadku urządzeń wysokiego napięcia wyciek bufora jest szczególnie ważny.

Zła konstrukcja bufora może skutkować:

• Przedwczesne załamanie
• Obecny upadek
• Zwiększony wyciek
• Dynamiczna degradacja RDS(wł.).

Po przejściu do 300 mm struktura bufora musi pozostać jednolita na znacznie większym obszarze płytki.

To sprawia, że ​​kontrola procesu epitaksjalnego jest znacznie bardziej wymagająca.

Jednorodność epitaksji: 200 mm vs 300 mm

Jednolitość to kolejna ważna różnica.

W przypadku urządzeń zasilających GaN następujące właściwości powinny pozostać spójne na całej płytce:

• Grubość GaN
• Grubość AlGaN
• Skład aluminium
• Odporność arkusza
• Mobilność elektronów
• Gęstość 2DEG
• Chropowatość powierzchni
• Stres
• Gęstość defektów

W przypadku płytki o grubości 200 mm osiągnięcie dobrej jednorodności od środka do krawędzi jest już wyzwaniem.

W przypadku płytki o średnicy 300 mm przepływ gazu, rozkład temperatury i dostarczanie prekursora stają się bardziej skomplikowane.

Małe wahania temperatury mogą mieć wpływ na:

• Tempo wzrostu
• Skład stopu
• Grubość warstwy
• Właściwości elektryczne

W rezultacie epitaksja GaN 300 mm wymaga wysoce zoptymalizowanej konstrukcji reaktora MOCVD i kontroli procesu.

Gęstość defektów

GaN hodowany na krzemie jest heteroepitaksjalnym układem materiałów.

Zwichnięcia gwintu są zatem nieuniknione.

Typowe typy defektów mogą obejmować:

• Zwichnięcia krawędzi
• Zwichnięcia śrubowe
• Dyslokacje mieszane
• Błędy układania
• Spękanie
• Doły
• Cząstki

W przypadku urządzeń zasilających wady te mogą wpływać na:

• Prąd upływowy
• Napięcie przebicia
• Niezawodność
• Wydajność urządzenia

Skalowanie do 300 mm sprawia, że ​​mapowanie defektów na poziomie płytki staje się coraz ważniejsze.

Do monitorowania rozkładu defektów w całej płytce można zastosować zaawansowane systemy kontroli.

Porównanie kosztów

Na pierwszy rzut oka 300 mm wydaje się bardziej ekonomiczne, ponieważ z każdej płytki można wyprodukować więcej urządzeń.

Jednak sama średnica płytki nie determinuje całkowitego kosztu urządzenia.

Do ważnych czynników kosztowych należą:

• Koszt podłoża krzemowego
• Czas wzrostu MOCVD
• Wykorzystanie reaktora epitaksji
• Wydajność wafla
• Wydajność urządzenia
• Koszt litografii
• Koszt inspekcji
• Amortyzacja sprzętu

Obecnie 200 mm GaN na Si zazwyczaj zyskuje na większej dojrzałości produkcyjnej.

Dlatego w przypadku mniejszych i średnich wielkości produkcji 200 mm może pozostać bardziej ekonomiczne.

300 mm staje się szczególnie atrakcyjne, gdy wielkość produkcji jest wystarczająco duża, aby wykorzystać infrastrukturę fabryk na dużą skalę.

Kompatybilność odlewni

Jednym z najważniejszych powodów opracowania 300 mm GaN na Si jest kompatybilność z fabrykami krzemu.

Jednakże płytka GaN nie może automatycznie trafić na standardową linię do produkcji krzemu.

Należy rozważyć kilka kwestii.

Geometria wafla

Płytka musi spełniać wymagania sprzętowe dla:

• Średnica
• Grubość
• Ukłon
• Osnowa
• Profil krawędziowy

Zanieczyszczenie

Do produkcji GaN wprowadzane są pierwiastki takie jak gal i aluminium.

W fabrykach krzemu często obowiązują ścisłe zasady kontroli zanieczyszczeń.

Dlatego też mogą być wymagane dedykowane moduły procesowe lub strategie zarządzania zanieczyszczeniami.

Budżet termiczny

Epitaksja GaN może obejmować procesy wysokotemperaturowe, które różnią się od standardowej produkcji CMOS.

Dlatego też dalsze przetwarzanie musi być starannie zaprojektowane.

Obsługa wafli

Systemy robotyczne, FOUP, nakładki i narzędzia litograficzne muszą prawidłowo rozpoznawać i obsługiwać płytkę.

Dlatego płytki GaN o średnicy 300 mm muszą spełniać bardzo rygorystyczne specyfikacje dotyczące geometrii i krawędzi.

Porównanie 200 mm i 300 mm GaN na Si

200 mm GaN na Si

Zalety:

• Bardziej dojrzały ekosystem produkcyjny
• Niższe ryzyko techniczne
• Ustalona produkcja energii GaN
• Łatwiejsze sterowanie łukiem
• Niższe koszty rozwoju

Najlepiej nadaje się do:

• Komercyjne urządzenia zasilające GaN
• Urządzenia RF
• Zasilacze do centrów danych
• Szybkie ładowarki
• Energoelektronika przemysłowa
• Samochodowe systemy pomocnicze

300 mm GaN na Si

Zalety:

• Więcej urządzeń na płytkę
• Zaawansowana kompatybilność fabryczna
• Większy potencjał automatyzacji
• Potencjalna przewaga kosztowa przy dużym wolumenie
• Silna integracja z zaawansowaną produkcją półprzewodników

Wyzwania:

• Łuk waflowy
• Kontrola stresu
• Jednolitość epitaksji
• Zarządzanie defektami
• Kontrola zanieczyszczeń
• Większa złożoność rozwoju procesu

Najlepiej nadaje się do:

• Przyszła masowa produkcja GaN
• Elektronika mocy centrum danych AI
• Układy scalone mocy o dużej gęstości
• Zintegrowane platformy półprzewodnikowe mocy

Jakie parametry powinien określić kupujący?

Zamawiając płytki GaN na krzemie, kupujący powinni podać średnicę płytki większą niż średnica.

Ważne parametry zapytania ofertowego obejmują:

Średnica wafla

200 mm lub 300 mm.

Orientacja krzemu

Si (111) jest powszechnie stosowany w epitaksji GaN.

Grubość wafla

Określ grubość nominalną i tolerancję.

Struktura GaN

Określ, czy potrzebujesz:

• Szablon GaN
• Płytka epi GaN
• Struktura AlGaN/GaN HEMT
• Struktura zasilania GaN wysokiego napięcia

Grubość epitaksjalna

Określ wymagane grubości warstw.

Parametry elektryczne

W zależności od konstrukcji urządzenia określ:

• Odporność arkusza
• Mobilność elektronów
• Stężenie nośnika
• Prąd upływowy

Geometria wafla

Ważne parametry obejmują:

• TTV
• Ukłon
• Osnowa

Jakość powierzchni

Sprecyzować:

• Chropowatość powierzchni
• Poziom cząstek
• Wymagania Scratch'a
• Wykluczenie krawędzi

Wymagania dotyczące wad

W przypadku zaawansowanej produkcji urządzeń może być również wymagane mapowanie defektów na poziomie płytki.

Która średnica jest lepsza dla energoelektroniki AI?

Nie ma uniwersalnej odpowiedzi.

W przypadku obecnej produkcji urządzeń zasilających GaN, 200 mm stanowi dojrzałą i praktyczną pod względem komercyjnym platformę.

W przypadku przyszłych wysokonakładowych układów elektronicznych AI, GaN na krzemie o grubości 300 mm może zapewnić istotne korzyści produkcyjne.

Jednak pomyślne przyjęcie 300 mm zależy od rozwiązania kilku problemów materiałowych i procesowych.

Do najważniejszych należą:

• Sterowanie łukiem waflowym
• Inżynieria stresu
• Jednolita epitaksja
• Wzrost o niskiej defektach
• Izolacja elektryczna
• Kompatybilność odlewni

W wielu przypadkach jakość epitaksjalna jest ważniejsza niż sama średnica płytki.

Źle kontrolowana płytka 300 mm nie będzie lepsza od dobrze zoptymalizowanej płytki GaN 200 mm tylko dlatego, że jest większa.

Wniosek

Przejście z 200 mm na 300 mm GaN na krzemie stanowi ważny krok w kierunku produkcji GaN na większą skalę.

W przypadku energoelektroniki AI potencjalne korzyści są znaczące.

Większe płytki mogą umożliwić stosowanie większej liczby urządzeń na płytkę, lepszą automatyzację fabryki i lepszą integrację z zaawansowaną infrastrukturą produkcyjną półprzewodników.

Jednakże skalowanie epitaksji GaN do 300 mm stwarza poważne wyzwania w zakresie łuku płytki, naprężenia warstwy buforowej, jednorodności epitaksji i kontroli defektów.

Dlatego też producenci urządzeń i instytuty badawcze przy wyborze płytek powinni brać pod uwagę nie tylko ich średnicę, ale także całą strukturę epitaksjalną i geometrię płytki.

W przypadku projektów GaN na krzemie kupujący powinni przedstawić szczegółowe wymagania, w tym rozmiar płytki, orientację krzemu, strukturę GaN, grubość epitaksjalną, wygięcie, osnowy, parametry elektryczne i zastosowanie urządzenia docelowego.

Dobrze zdefiniowana specyfikacja umożliwia optymalizację struktury płytek GaN pod kątem konkretnego procesu wytwarzania urządzeń zasilających i pomaga zmniejszyć ryzyko rozwoju podczas kwalifikacji i zwiększania skali płytek.