3. สรุปลักษณะพื้นฐาน

เนื่องจากความแตกต่างทางโครงสร้าง อุปกรณ์ไฟฟ้า GaN จึงมีลักษณะที่แตกต่างกันเมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิคอน

(1) แรงดันไฟฟ้ามาตรฐาน: 650V

แรงดันไฟฟ้าทั่วไปสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้า GaN คือ 650V ในการใช้งานแหล่งจ่ายไฟจำนวนมาก อินพุตจะเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟหลัก 220V AC หลังจากการแก้ไข แรงดันไฟฟ้าบนตัวเก็บประจุบัสจะสูงถึงประมาณ 400V DC นอกจากนี้ ยังมีแรงดันไฟกระชากและการสะท้อนจากด้านทุติยภูมิในการใช้งานโทโพโลยีบางอย่าง ดังนั้น 650V จึงกลายเป็นข้อกำหนดแรงดันไฟฟ้ามาตรฐาน

(2) ไม่มีการพังทลายของหิมะถล่ม

อุปกรณ์จ่ายไฟ GaN ไม่พบความเสียหายจากหิมะถล่ม เมื่อเกิดการพังทลาย มันจะคงอยู่ถาวร คล้ายกับการพังทลายของอิเล็กทริกในตัวเก็บประจุ สำหรับอุปกรณ์ 650V หากเป็นซิลิคอน MOSFET โดยทั่วไปแรงดันพังทลายตามจริงจะอยู่ที่ประมาณ 750V (โดยมีระยะขอบการออกแบบที่ 10%) อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ GaN ต้องการระยะขอบการออกแบบแรงดันพังทลายที่สูงขึ้น อุปกรณ์ 650V ต้องมีแรงดันพังทลายอย่างน้อย 900V (โดยมีระยะขอบการออกแบบ >10%)

(3) ไม่มีทรานซิสเตอร์ GaN ชนิด p

ในเทคโนโลยีที่ใช้ซิลิคอน มี NMOS (อิเล็กตรอนพาหะ) และ PMOS (โฮลพาหะ) แต่ปัจจุบันยังไม่มี GaN HEMT ชนิด p ดังนั้น การออกแบบไอซีแบบอะนาล็อก/ดิจิทัลจึงแตกต่างจากซิลิคอน สาเหตุหลักของการขาดทรานซิสเตอร์ GaN ชนิด p คือ ประการแรก การฝังไอออนและการอบอ่อนที่อุณหภูมิต่ำของไอออนแมกนีเซียมทำได้ยากบน GaN ประการที่สอง การเคลื่อนที่ของโฮลของ GaN อยู่ที่เพียง 30 ซม.²/Vs ซึ่งต่ำกว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่ 2 ซม.²/Vs มาก

(4) แรงดันประตู: 7V

เนื่องจากกระบวนการ GaN แรงดันเกตสูงสุดสำหรับอุปกรณ์จ่ายไฟ GaN จึงถูกจำกัดไว้ที่ 7V ซึ่งเข้ากันไม่ได้กับไอซีไดรเวอร์ซิลิคอนที่มีอยู่

เทคโนโลยีกระบวนการของอุปกรณ์

อุปกรณ์จ่ายไฟ GaN เช่น ชิปที่ใช้ซิลิกอน ผ่านกระบวนการผลิตที่คล้ายกัน ซึ่งส่วนใหญ่รวมถึงการออกแบบ การเติบโตของแผ่นเวเฟอร์แบบ epitaxis การผลิตชิป และการทดสอบบรรจุภัณฑ์

รูปที่ 4: ขั้นตอนการผลิตทั่วไปสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้า GaN

1. ขั้นตอนการออกแบบ

โดยทั่วไปอุปกรณ์ GaN จะถูกจำลองและสร้างแบบจำลองในระหว่างขั้นตอนการออกแบบโดยใช้เทคนิค TCAD (การออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วยด้านเทคโนโลยี) สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับการจำลองและการวิเคราะห์โครงสร้างและพารามิเตอร์ของอุปกรณ์

2. กระบวนการผลิตแผ่นเวเฟอร์แบบอีปิเทเชียล

เวเฟอร์อีพิเทกเซียล GaN สามารถปลูกได้บนซับสเตรตซิลิคอน, ซับสเตรตซิลิคอนคาร์ไบด์ หรือซับสเตรตแซฟไฟร์ สำหรับการพิจารณาต้นทุนและการผลิตจำนวนมาก โดยทั่วไปการสะสมของแต่ละชั้นในแผ่นเวเฟอร์เอพิแทกเซียลจะดำเนินการโดยใช้เทคนิค MOCVD (การสะสมไอสารเคมีอินทรีย์โลหะ)

รูปที่ 5: กระบวนการผลิตของ GaN Epitaxial Wafer

3. กระบวนการผลิตอุปกรณ์

ผังกระบวนการที่เรียบง่ายสำหรับการสร้างอุปกรณ์ GaN HEMT (ทรานซิสเตอร์การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูง) ในโหมดพร่องบนพื้นผิวแซฟไฟร์แสดงอยู่ในภาพด้านล่าง ผังกระบวนการสำหรับอุปกรณ์ GaN HEMT บนพื้นผิวซิลิกอนจะคล้ายกัน

ขั้นตอนแรกเกี่ยวข้องกับการใช้มาสก์แรกสำหรับการแกะสลักแบบแยกประเภทแพลตฟอร์ม ขั้นตอนที่สองใช้มาสก์ที่สองเพื่อกำหนดแหล่งที่มาและบริเวณการระบายน้ำ ขั้นตอนที่สามเกี่ยวข้องกับการสะสมของโลหะสำหรับแหล่งกำเนิดและท่อระบายน้ำ ขั้นตอนที่สี่ประกอบด้วยการสะสมของแก้วและการหลอมเพื่อสร้างแหล่งกำเนิดและระบายบริเวณโลหะ ขั้นตอนที่ห้าใช้มาสก์ที่สามเพื่อกำหนดขอบเขตเกต ขั้นตอนที่หกเกี่ยวข้องกับการสะสมของโลหะสำหรับประตู ขั้นตอนที่เจ็ดเกี่ยวข้องกับการยกโลหะออกเพื่อสร้างโลหะประตู ขั้นตอนที่แปดเกี่ยวข้องกับการฝากซิลิคอนไนไตรด์เพื่อสร้างฟิล์มและการป้องกัน ขั้นตอนที่เก้าใช้มาสก์ที่สี่เพื่อกำหนดจุดสัมผัสสำหรับแหล่งที่มาและบริเวณท่อระบายน้ำ ขั้นตอนที่สิบใช้มาสก์ที่ห้าเพื่อกำหนดแผ่นสนาม ขั้นตอนที่สิบเอ็ดเกี่ยวข้องกับการยกโลหะออกเพื่อสร้างแผ่นสนาม และขั้นตอนที่สิบสองเกี่ยวข้องกับการฝากซิลิคอนไนไตรด์ชั้นที่สองเพื่อสร้างฟิล์ม

หมายเหตุ: ขั้นตอนเฉพาะและหมายเลขมาส์กที่กล่าวถึงอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการออกแบบอุปกรณ์และกระบวนการผลิตที่ใช้

รูปที่ 6: ผังกระบวนการสำหรับการผลิต GaN HEMT ในโหมด D บนพื้นผิวแซฟไฟร์

4. การทดสอบซีพี

การทดสอบ CP ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการทดสอบพารามิเตอร์ต่างๆ ทั้งในอุณหภูมิห้องและสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง เพื่อระบุชิปที่มีข้อบกพร่องบนเวเฟอร์ จากนั้นชิปที่มีข้อบกพร่องเหล่านี้จะถูกทำเครื่องหมายด้วยสีย้อมและแยกออกจากกระบวนการบรรจุภัณฑ์ต่อไป

รูปที่ 7: การทดสอบ CP (สีแดงระบุตำแหน่งของชิปที่ชำรุด)

5. บรรจุภัณฑ์

รูปที่ 8: ขั้นตอนการบรรจุภัณฑ์แบบง่าย

ยังมีต่อ...