3. خلاصه خصوصیات اساسی

به دلیل تفاوتهای ساختاری، دستگاههای پاور GaN در مقایسه با دستگاههای مبتنی بر سیلیکون ویژگیهای متفاوتی دارند.

(1) ولتاژ استاندارد: 650 ولت

ولتاژ معمولی برای دستگاه های برق GaN 650 ولت است. در بسیاری از برنامه های منبع تغذیه، ورودی به برق 220 ولت AC متصل می شود. پس از یکسوسازی، ولتاژ روی خازن باس تقریباً به 400 ولت DC می رسد. علاوه بر این، در کاربردهای توپولوژی خاص، نوک ولتاژ و بازتاب از سمت ثانویه وجود دارد. بنابراین، 650 ولت به یک نیاز استاندارد ولتاژ تبدیل شده است.

(2) بدون خرابی بهمن

دستگاه های برق GaN خرابی بهمن را تجربه نمی کنند. هنگامی که خرابی رخ می دهد، دائمی است، مشابه خرابی دی الکتریک در خازن ها. برای یک دستگاه 650 ولت، اگر ماسفت سیلیکونی باشد، ولتاژ شکست واقعی معمولاً حدود 750 ولت (با حاشیه طراحی 10 درصد) است. با این حال، دستگاههای GaN به حاشیه طراحی ولتاژ شکست بالاتری نیاز دارند. یک دستگاه 650 ولت به ولتاژ شکست حداقل 900 ولت (با حاشیه طراحی > 10 درصد) نیاز دارد.

(3) بدون ترانزیستور GaN نوع p

در فناوری مبتنی بر سیلیکون، NMOS (حامل الکترون) و PMOS (حامل حفره) وجود دارد، اما در حال حاضر، HEMT های GaN نوع p وجود ندارد. بنابراین، طراحی IC های آنالوگ/دیجیتال با سیلیکون متفاوت است. دلایل اصلی عدم وجود ترانزیستورهای GaN نوع p عبارتند از: اولاً، کاشت یون و آنیل کردن یونهای منیزیم در دمای پایین روی GaN دشوار است. ثانیاً، تحرک حفره GaN تنها 30 سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه است که بسیار کمتر از تحرک الکترون 2 سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه است.

(4) ولتاژ دروازه: 7 ولت

با توجه به فرآیند GaN، حداکثر ولتاژ گیت برای دستگاه های برق GaN به 7 ولت محدود شده است که با آی سی های درایور سیلیکونی موجود ناسازگار است.

فناوری فرآیند دستگاه

دستگاههای قدرت GaN، مانند تراشههای مبتنی بر سیلیکون، تحت فرآیندهای ساخت مشابهی قرار میگیرند که عمدتاً شامل طراحی، رشد ویفر همباخته، ساخت تراشه و آزمایش بستهبندی میشود.

شکل 4: مراحل تولید معمولی برای دستگاه های برق GaN

1. فاز طراحی

دستگاههای GaN معمولاً در طول مرحله طراحی با استفاده از تکنیکهای TCAD (طراحی به کمک رایانه) شبیهسازی و مدلسازی میشوند. این شامل شبیه سازی و تجزیه و تحلیل ساختار و پارامترهای دستگاه است.

2. فرآیند تولید ویفر اپیتاکسیال

ویفرهای اپیتاکسیال GaN را می توان روی بسترهای سیلیکونی، بسترهای کاربید سیلیکون یا بسترهای یاقوت کبود کشت کرد. برای ملاحظات هزینه و تولید انبوه، رسوب هر لایه در ویفر اپیتاکسیال معمولاً با استفاده از تکنیک MOCVD (رسوب بخار شیمیایی آلی فلزی) انجام می شود.

شکل 5: فرآیند تولید ویفر همپای GaN

3. فرآیند ساخت دستگاه

جریان فرآیند ساده شده برای ساخت دستگاه های GaN HEMT (ترانزیستور با تحرک الکترون بالا) در حالت تخلیه بر روی بسترهای یاقوت کبود در شکل زیر نشان داده شده است. جریان فرآیند برای دستگاههای GaN HEMT روی بسترهای سیلیکونی مشابه است.

اولین مرحله شامل استفاده از اولین ماسک برای اچینگ ایزوله از نوع پلت فرم است. مرحله دوم از ماسک دوم برای تعریف مناطق منبع و تخلیه استفاده می کند. مرحله سوم شامل رسوب فلز برای منبع و تخلیه است. مرحله چهارم شامل رسوب شیشه و بازپخت برای تشکیل منبع و تخلیه مناطق فلزی است. مرحله پنجم از ماسک سوم برای تعریف ناحیه دروازه استفاده می کند. مرحله ششم شامل رسوب فلز برای دروازه است. مرحله هفتم مستلزم بلند کردن فلز برای ایجاد فلز دروازه است. مرحله هشتم شامل رسوب نیترید سیلیکون برای غیرفعال سازی و محافظت است. مرحله نهم از ماسک چهارم برای تعریف کنتاکت ها برای مناطق منبع و تخلیه استفاده می کند. مرحله دهم از ماسک پنجم برای تعریف صفحه میدان استفاده می کند. مرحله یازدهم شامل بلند کردن فلز برای تشکیل صفحه میدان است و مرحله دوازدهم مستلزم رسوب لایه دوم نیترید سیلیکون برای غیرفعال سازی است.

توجه: مراحل خاص و شماره ماسک ذکر شده ممکن است بسته به طراحی دستگاه و فرآیند ساخت مورد استفاده متفاوت باشد.

شکل 6: جریان فرآیند برای ساخت GaN HEMT در حالت D بر روی بستر یاقوت کبود

4. CP Testing

آزمایش CP عمدتاً شامل آزمایش پارامترهای مختلف در دمای اتاق و محیط های با دمای بالا برای شناسایی قالب های تراشه معیوب روی ویفر است. سپس این تراشه های معیوب با یک رنگ علامت گذاری می شوند و از فرآیندهای بسته بندی بعدی حذف می شوند.

شکل 7: تست CP (قرمز محل تراشه های معیوب را نشان می دهد)

5. بسته بندی

شکل 8: مراحل بسته بندی ساده شده

ادامه دارد...