Yapay zeka veri merkezlerinin hızlı genişlemesi, güç yarı iletken cihazları için gereksinimleri değiştiriyor. Daha yüksek GPU güç yoğunluğu, artan raf gücü ve verimli AC/DC ve DC/DC dönüşümüne yönelik artan talep, galyum nitrür gibi geniş bant aralıklı yarı iletkenlerin benimsenmesini hızlandırıyor.

Farklı GaN platformları arasında, silikon üzerinde GaN hem GaN'nin elektriksel avantajlarını hem de silikon gofretlerin üretim altyapısını birleştirdiği için özel ilgi çekmiştir.

Bugün, güç ve RF cihaz geliştirme ve üretimi için 200 mm silikon üzerinde GaN gofretler zaten yaygın olarak kullanılırken, 300 mm silikon üzerinde GaN, daha yüksek hacimli üretime ve ana akım yarı iletken fabrikalarıyla daha derin entegrasyona yönelik potansiyel bir yol olarak giderek daha fazla araştırılmaktadır.

Ancak, 200 mm'den 300 mm'ye geçiş sadece gofret çapını artırmakla ilgili değildir. Gofret bükülmesi, tampon katman stresi, epitaksi tekdüzeliği, kusur kontrolü ve fab uyumluluğu daha da zorlu hale gelir.

Bu makale, yapay zeka güç elektroniği için 200 mm ve 300 mm silikon üzerinde GaN gofretler arasındaki temel farkları açıklamaktadır.

Silikon Üzerinde GaN Neden Yapay Zeka Güç Elektroniği İçin Önemlidir

Yapay zeka sunucuları birden fazla güç dönüşüm aşaması gerektirir.

Tipik uygulamalar şunları içerir:

• Veri merkezi güç kaynakları
• Sunucu AC/DC dönüştürücüleri
• 48V güç mimarileri
• Ara veri yolu dönüştürücüleri
• Yüksek frekanslı DC/DC dönüştürücüler
• GPU'lar ve yapay zeka hızlandırıcıları için güç dağıtımı
• Telekom güç sistemleri
• Pil enerji depolama arayüzleri

GaN cihazları, geleneksel silikon MOSFET'lerden daha yüksek anahtarlama frekanslarında çalışabilir, bu da daha küçük indüktörler, transformatörler ve kapasitörlere izin verir.

Bu şunları iyileştirmeye yardımcı olabilir:

• Güç yoğunluğu
• Dönüşüm verimliliği
• Sistem boyutu
• Termal performans
• Anahtarlama hızı

Silikon alt tabakalar büyük çaplarda mevcut olduğundan ve mevcut yarı iletken üretiminde kullanılan ekipmanların çoğuyla uyumlu olduğundan, silikon üzerinde GaN özellikle çekicidir.

Silikon Üzerinde GaN Gofret Nedir?

Silikon üzerinde GaN gofret normalde birkaç katmandan oluşur.

Basitleştirilmiş bir yapı şunları içerebilir:

Silikon alt tabaka
↓
Çekirdeklenme katmanı
↓
Stres yönetimi veya geçiş katmanları
↓
GaN tampon katmanı
↓
GaN kanal katmanı
↓
AlGaN bariyer veya cihaz epitaksisi

Kesin yapı, cihaz uygulamasına bağlıdır.

GaN güç elektroniği için epitaksi yığını şunlar için optimize edilebilir:

• Yüksek kırılma gerilimi
• Düşük kaçak akım
• Düşük dinamik RDS(on)
• Yüksek elektron hareketliliği
• Düşük tuzaklama
• Yüksek gofret tekdüzeliği

GaN ve silikonun çok farklı kafes sabitleri ve termal genleşme katsayıları olduğundan, gelişmiş tampon yapıları gereklidir.

Bu tampon katmanları, gofret çapı arttığında özellikle önemli hale gelir.

200 mm Silikon Üzerinde GaN Gofretler

200 mm veya 8 inçlik silikon üzerinde GaN gofretler, ticari GaN güç cihazı üretimi için önemli bir platform haline gelmiştir.

200 mm formatı, üretim olgunluğu ve gofret ölçekli üretkenlik arasında bir denge sunar.

Tipik avantajlar şunları içerir:

• Yerleşik 200 mm silikon fab altyapısı
• Olgun gofret işleme ekipmanları
• Daha düşük geliştirme riski
• Daha kolay gofret bükülmesi yönetimi
• Daha iyi yerleşik GaN epitaksi süreçleri
• 300 mm'ye kıyasla daha düşük başlangıç ekipman yatırımı

Birçok GaN cihaz üreticisi için 200 mm, veri merkezlerini, tüketici güç kaynaklarını, EV yardımcı sistemlerini ve endüstriyel güç elektroniğini hedefleyen güç cihazları için pratik bir seçim olmaya devam etmektedir.

Tipik 200 mm Silikon Üzerinde GaN Parametreleri

Özellikler epitaksi yapısına bağlıdır, ancak tipik parametreler şunları içerebilir:

Çap: 200 mm

Alt tabaka: Si (111)

Silikon kalınlığı: yaklaşık 725 µm

GaN epi kalınlığı: uygulamaya bağlı

İletkenlik: yarı iletken veya cihaza özgü tampon tasarımı

Yüzey: epitaksiye hazır veya tam GaN epitaksisi

Bükülme: cihaz işlem gereksinimlerine göre kontrol edilir

Çarpılma: litografi ve gofret işleme için kontrol edilir

Yüzey pürüzlülüğü: genellikle cihaz kalitesinde yüzeyler için nanometre altı seviye

Parçacık kontrolü: yarı iletken sınıfı

Bitmiş GaN epi gofretler için ek parametreler şunları içerebilir:

• Katman direnci
• 2DEG yoğunluğu
• Elektron hareketliliği
• Tampon kaçak
• Kırılma gerilimi
• Epitaksi kalınlığı tekdüzeliği

Endüstrinin Neden 300 mm Silikon Üzerinde GaN ile İlgilendiği

300 mm gofretler, gelişmiş silikon yarı iletken üretiminde standarttır.

GaN'yi 300 mm platformuna taşımak, uzun vadede birkaç avantaj sağlayabilir.

En önemlisi üretim ölçeğidir.

300 mm bir gofret, 200 mm bir gofretten önemli ölçüde daha fazla kullanılabilir alana sahiptir, bu da gofret başına daha fazla cihazın üretilmesine olanak tanır.

Yapay zeka veri merkezi güç elektroniği gibi yüksek hacimli uygulamalar için bu, nihayetinde üretim ekonomisini iyileştirebilir.

Diğer potansiyel avantajlar şunları içerir:

• Gelişmiş 300 mm fab altyapısına erişim
• Daha yüksek otomasyon seviyeleri
• Gofret başına daha fazla kalıp
• CMOS üretimiyle daha iyi entegrasyon
• Gelişmiş paketleme ekosistemleriyle uyumluluk
• Yüksek üretim hacminde cihaz maliyetinde potansiyel azalma

Ancak, bu avantajlar yalnızca GaN epitaksisi katı gofret kalitesi gereksinimlerini karşılayabiliyorsa anlamlıdır.

Zor kısım budur.

Gofret Bükülmesi: 300 mm'nin En Büyük Zorluklarından Biri

Gofret bükülmesi, GaN-on-Si'yi 200 mm'den 300 mm'ye ölçeklendirirken en önemli parametrelerden biridir.

GaN ve silikonun çok farklı kafes parametreleri ve termal genleşme davranışları vardır.

Yüksek sıcaklıkta epitaksi büyümesi sırasında, gofret içinde mekanik gerilim oluşur.

Gofret soğuduktan sonra, bu gerilim alt tabakanın bükülmesine neden olabilir.

Gofret çapı ne kadar büyük olursa, gerilim kontrolü o kadar zorlaşır.

Aşırı bükülme şu durumlarda sorunlara neden olabilir:

• Litografi
• Gofret sıkıştırma
• Dönerek kaplama
• Dağlama
• İyon implantasyonu
• Metalizasyon
• CMP
• Otomatik gofret işleme

300 mm silikon üzerinde GaN için, modern yarı iletken ekipmanları katı gofret geometrisi sınırları etrafında tasarlandığı için bükülme kontrolü kritik hale gelir.

Vakum sıkıştırmaya doğru şekilde oturamayan bir gofret, standart üretim ekipmanlarıyla uyumlu olmayabilir.

Bükülme Nasıl Kontrol Edilir

GaN epitaksi tedarikçileri gerilimi yönetmek için çeşitli teknikler kullanır.

Bunlar şunları içerebilir:

• AlN çekirdeklenme katmanları
• AlGaN geçiş katmanları
• Kompozisyonel olarak derecelendirilmiş tamponlar
• Süper kafes yapıları
• Karbon katkılı GaN tamponları
• Gerilim dengeleme katmanları
• Optimize edilmiş silikon alt tabaka kalınlığı

Tampon yığınının tasarımı hem gofret geometrisini hem de elektriksel performansı doğrudan etkiler.

Tampon Katmanları 300 mm'de Daha Önemli Hale Gelir

Silikon üzerinde GaN'deki tampon yapısı basit bir mekanik geçiş katmanı değildir.

Ayrıca cihaz performansını da güçlü bir şekilde etkiler.

Düzgün tasarlanmış bir tampon şunları sağlamalıdır:

• Gerilim telafisi
• Elektriksel izolasyon
• Düşük kaçak akım
• Yüksek kırılma gerilimi
• Düşük dislokasyon yoğunluğu
• Düşük tuzaklama
• Kararlı cihaz performansı

Yüksek voltajlı güç cihazları için tampon kaçağı özellikle önemlidir.

Kötü bir tampon tasarımı şunlara neden olabilir:

• Erken kırılma
• Akım çökmesi
• Artan kaçak
• Dinamik RDS(on) bozulması

300 mm'ye geçildiğinde, tampon yapısının çok daha büyük bir gofret alanı boyunca tekdüze kalması gerekir.

Bu, epitaksi işlem kontrolünü önemli ölçüde daha zorlu hale getirir.

Epitaksi Tekdüzeliği: 200 mm ve 300 mm

Tekdüzeliği de önemli bir farktır.

GaN güç cihazları için aşağıdaki özellikler gofret boyunca tutarlı kalmalıdır:

• GaN kalınlığı
• AlGaN kalınlığı
• Alüminyum kompozisyonu
• Katman direnci
• Elektron hareketliliği
• 2DEG yoğunluğu
• Yüzey pürüzlülüğü
• Gerilim
• Kusur yoğunluğu

200 mm bir gofrette, iyi bir merkezden kenara tekdüzeliği elde etmek zaten zorludur.

300 mm bir gofrette, gaz akışı, sıcaklık dağılımı ve öncü teslimatı daha karmaşık hale gelir.

Küçük sıcaklık varyasyonları şunları etkileyebilir:

• Büyüme oranı
• Alaşım kompozisyonu
• Katman kalınlığı
• Elektriksel özellikler

Sonuç olarak, 300 mm GaN epitaksisi, yüksek derecede optimize edilmiş MOCVD reaktör tasarımı ve işlem kontrolü gerektirir.

Kusur Yoğunluğu

Silikon üzerinde büyütülen GaN, heterojen bir epitaksi malzeme sistemidir.

Bu nedenle, iplik dislokasyonları kaçınılmazdır.

Tipik kusur türleri şunları içerebilir:

• Kenar dislokasyonları
• Vida dislokasyonları
• Karışık dislokasyonlar
• Yığın hataları
• Çatlaklar
• Çukurlar
• Parçacıklar

Güç cihazları için bu kusurlar şunları etkileyebilir:

• Kaçak akım
• Kırılma gerilimi
• Güvenilirlik
• Cihaz verimi

300 mm'ye ölçeklendirme, gofret seviyesi kusur haritalamasını giderek daha önemli hale getirir.

Tüm gofret boyunca kusur dağılımını izlemek için gelişmiş denetim sistemleri kullanılabilir.

Maliyet Karşılaştırması

İlk bakışta, 300 mm daha ekonomiktir çünkü her gofretten daha fazla cihaz üretilebilir.

Ancak, gofret çapı tek başına toplam cihaz maliyetini belirlemez.

Önemli maliyet faktörleri şunları içerir:

• Silikon alt tabaka maliyeti
• MOCVD büyüme süresi
• Epitaksi reaktör kullanımı
• Gofret verimi
• Cihaz verimi
• Litografi maliyeti
• Denetim maliyeti
• Ekipman amortismanı

Bugün, 200 mm silikon üzerinde GaN genellikle daha büyük üretim olgunluğundan yararlanır.

Düşük ve orta üretim hacimleri için, 200 mm bu nedenle daha ekonomik kalabilir.

300 mm, üretim hacmi büyük ölçekli fab altyapısından yararlanacak kadar yüksek olduğunda özellikle çekici hale gelir.

Dökümhane Uyumluluğu

300 mm silikon üzerinde GaN geliştirmenin en güçlü nedenlerinden biri silikon fabrikalarıyla uyumluluktur.

Ancak, bir GaN gofret standart bir silikon üretim hattına otomatik olarak giremez.

Birkaç sorun dikkate alınmalıdır.

Gofret Geometrisi

Gofret, ekipman gereksinimlerini karşılamalıdır:

• Çap
• Kalınlık
• Bükülme
• Çarpılma
• Kenar profili

Kirlilik

GaN üretimi, galyum ve alüminyum gibi elementleri içerir.

Silikon fabrikaları genellikle katı kirlilik kontrol kurallarına sahiptir.

Bu nedenle özel işlem modülleri veya kirlilik yönetimi stratejileri gerekebilir.

Termal Bütçe

GaN epitaksisi, standart CMOS üretiminden farklı yüksek sıcaklık süreçlerini içerebilir.

Bu nedenle sonraki işlemler dikkatlice tasarlanmalıdır.

Gofret İşleme

Robot sistemleri, FOUP'lar, hizalayıcılar ve litografi araçları gofretleri doğru bir şekilde tanımalı ve işlemelidir.

Bu nedenle 300 mm GaN gofretleri çok katı geometri ve kenar spesifikasyonlarını izlemelidir.

200 mm ve 300 mm Silikon Üzerinde GaN Karşılaştırması

200 mm Silikon Üzerinde GaN

Avantajlar:

• Daha olgun üretim ekosistemi
• Daha düşük teknik risk
• Yerleşik GaN güç üretimi
• Daha kolay bükülme kontrolü
• Daha düşük geliştirme maliyeti

En uygun olduğu yerler:

• Ticari GaN güç cihazları
• RF cihazları
• Veri merkezi güç kaynakları
• Hızlı şarj cihazları
• Endüstriyel güç elektroniği
• Otomotiv yardımcı sistemleri

300 mm Silikon Üzerinde GaN

Avantajlar:

• Gofret başına daha fazla cihaz
• Gelişmiş fab uyumluluğu
• Daha yüksek otomasyon potansiyeli
• Potansiyel yüksek hacimli maliyet avantajı
• Gelişmiş yarı iletken üretimiyle güçlü entegrasyon

Zorluklar:

• Gofret bükülmesi
• Gerilim kontrolü
• Epitaksi tekdüzeliği
• Kusur yönetimi
• Kirlilik kontrolü
• Daha yüksek işlem geliştirme karmaşıklığı

En uygun olduğu yerler:

• Gelecekteki yüksek hacimli GaN üretimi
• Yapay zeka veri merkezi güç elektroniği
• Yüksek yoğunluklu güç IC'leri
• Entegre güç yarı iletken platformları

Alıcılar Hangi Parametreleri Belirtmelidir?

Silikon üzerinde GaN gofret talep ederken, alıcılar gofret çapından fazlasını sağlamalıdır.

Önemli RFQ parametreleri şunları içerir:

Gofret Çapı

200 mm veya 300 mm.

Silikon Yönelimi

Si (111) genellikle GaN epitaksisi için kullanılır.

Gofret Kalınlığı

Nominal kalınlığı ve toleransı belirtin.

GaN Yapısı

Şunlardan birini isteyip istemediğinizi belirtin:

• GaN şablonu
• GaN epi gofret
• AlGaN/GaN HEMT yapısı
• Yüksek voltajlı GaN güç yapısı

Epitaksi Kalınlığı

Gerekli katman kalınlıklarını belirtin.

Elektriksel Parametreler

Cihaz yapısına bağlı olarak şunları belirtin:

• Katman direnci
• Elektron hareketliliği
• Taşıyıcı konsantrasyonu
• Kaçak akım

Gofret Geometrisi

Önemli parametreler şunları içerir:

• TTV
• Bükülme
• Çarpılma

Yüzey Kalitesi

Belirtin:

• Yüzey pürüzlülüğü
• Parçacık seviyesi
• Çizik gereksinimleri
• Kenar dışlama

Kusur Gereksinimleri

Gelişmiş cihaz üretimi için, gofret seviyesi kusur haritalaması da gerekebilir.

Yapay Zeka Güç Elektroniği İçin Hangi Çap Daha İyidir?

Evrensel bir cevap yok.

Mevcut GaN güç cihazı üretimi için 200 mm, olgun ve ticari olarak pratik bir platform sunar.

Gelecekteki yüksek hacimli yapay zeka güç elektroniği için, 300 mm silikon üzerinde GaN önemli üretim avantajları sunabilir.

Ancak, başarılı 300 mm benimsenmesi, birkaç malzeme ve işlem zorluğunun çözülmesine bağlıdır.

En önemlileri şunlardır:

• Gofret bükülmesi kontrolü
• Gerilim mühendisliği
• Tekdüze epitaksi
• Düşük kusurlu büyüme
• Elektriksel izolasyon
• Dökümhane uyumluluğu

Birçok durumda, epitaksi kalitesi gofret çapının kendisinden daha önemlidir.

Kötü kontrol edilen bir 300 mm gofret, sadece daha büyük olduğu için iyi optimize edilmiş bir 200 mm GaN gofretinden daha iyi performans göstermeyecektir.

Sonuç

200 mm'den 300 mm silikon üzerinde GaN'ye geçiş, daha yüksek hacimli GaN üretimine doğru önemli bir adımı temsil eder.

Yapay zeka güç elektroniği için potansiyel avantajlar önemlidir.

Daha büyük gofretler, gofret başına daha fazla cihaz, gelişmiş fab otomasyonu ve gelişmiş yarı iletken üretim altyapısıyla daha iyi entegrasyon sağlayabilir.

Ancak, GaN epitaksisini 300 mm'ye ölçeklendirmek, gofret bükülmesi, tampon katman stresi, epitaksi tekdüzeliği ve kusur kontrolünde büyük zorluklar getirir.

Bu nedenle, cihaz üreticileri ve araştırma enstitüleri için gofret seçimi, yalnızca gofret çapını değil, aynı zamanda tam epitaksi yapısını ve gofret geometrisini de dikkate almalıdır.

Silikon üzerinde GaN projeleri için alıcılar, gofret boyutu, silikon yönelimi, GaN yapısı, epitaksi kalınlığı, bükülme, çarpılma, elektriksel parametreler ve hedef cihaz uygulaması dahil olmak üzere ayrıntılı gereksinimler sağlamalıdır.

İyi tanımlanmış bir spesifikasyon, GaN gofret yapısının belirli güç cihazı işlemi için optimize edilmesini sağlar ve gofret kalifikasyonu ve ölçeklendirme sırasında geliştirme riskini azaltmaya yardımcı olur.