Быстрое расширение дата-центров с ИИ меняет требования к силовым полупроводниковым устройствам. Более высокая плотность мощности GPU, увеличение мощности стоек и растущий спрос на эффективное преобразование AC/DC и DC/DC ускоряют внедрение широкозонных полупроводников, таких как нитрид галлия.

Среди различных платформ GaN, GaN на кремнии привлек особое внимание, поскольку он сочетает электрические преимущества GaN с производственной инфраструктурой кремниевых пластин.

Сегодня 200-мм пластины GaN на кремнии уже широко используются для разработки и производства силовых и ВЧ-устройств, в то время как 300-мм GaN на кремнии все чаще исследуется как потенциальный путь к более крупномасштабному производству и более глубокой интеграции с основными полупроводниковыми фабриками.

Однако переход от 200 мм к 300 мм — это не просто увеличение диаметра пластины. Прогиб пластины, напряжение в буферном слое, однородность эпитаксии, контроль дефектов и совместимость с фабрикой — все это становится более сложным.

В этой статье объясняются ключевые различия между 200-мм и 300-мм пластинами GaN на кремнии для силовой электроники ИИ.

Почему GaN на кремнии важен для силовой электроники ИИ

Серверы ИИ требуют многоступенчатого преобразования мощности.

Типичные области применения включают:

• Блоки питания дата-центров
• Серверные AC/DC-преобразователи
• 48-вольтовые архитектуры питания
• Промежуточные шинные преобразователи
• Высокочастотные DC/DC-преобразователи
• Подача питания для GPU и ускорителей ИИ
• Телекоммуникационные системы питания
• Интерфейсы накопителей энергии на батареях

Устройства GaN могут работать на более высоких частотах переключения, чем традиционные кремниевые MOSFET, что позволяет использовать более компактные индукторы, трансформаторы и конденсаторы.

Это может помочь улучшить:

• Плотность мощности
• Эффективность преобразования
• Размер системы
• Тепловые характеристики
• Скорость переключения

GaN на кремнии особенно привлекателен, поскольку кремниевые подложки доступны в больших диаметрах и совместимы с большей частью оборудования, используемого в существующем производстве полупроводников.

Что такое пластина GaN на кремнии?

Пластина GaN на кремнии обычно состоит из нескольких слоев.

Упрощенная структура может включать:

Кремниевая подложка
↓
Нуклеационный слой
↓
Слои для управления напряжением или переходные слои
↓
Буферный слой GaN
↓
Канальный слой GaN
↓
Барьерный слой AlGaN или эпитаксия устройства

Точная структура зависит от применения устройства.

Для силовой электроники GaN эпитаксиальный стек может быть оптимизирован для:

• Высокое напряжение пробоя
• Низкий ток утечки
• Низкого динамического RDS(on)
• Высокой подвижности электронов
• Низкий захват
• Высокой однородности пластины

Поскольку GaN и кремний имеют очень разные постоянные решетки и коэффициенты теплового расширения, требуются сложные буферные структуры.

Эти буферные слои становятся особенно важными при увеличении диаметра пластины.

200-мм пластины GaN на кремнии

200-мм (8-дюймовые) пластины GaN на кремнии стали важной платформой для коммерческого производства силовых устройств GaN.

Формат 200 мм обеспечивает баланс между зрелостью производства и производительностью на уровне пластины.

Типичные преимущества включают:

• Установленная инфраструктура кремниевых фабрик 200 мм
• Зрелое оборудование для обработки пластин
• Более низкий риск разработки
• Более простое управление прогибом пластины
• Лучше отработанные процессы эпитаксии GaN
• Более низкие первоначальные инвестиции в оборудование по сравнению с 300 мм

Для многих производителей устройств GaN 200 мм остается практичным выбором для силовых устройств, предназначенных для дата-центров, потребительских блоков питания, вспомогательных систем электромобилей и промышленной силовой электроники.

Типичные параметры 200-мм GaN на кремнии

Спецификации зависят от эпитаксиальной структуры, но типичные параметры могут включать:

Диаметр: 200 мм

Подложка: Si (111)

Толщина кремния: примерно 725 мкм

Толщина эпитаксии GaN: зависит от применения

Проводимость: полуизолирующая или конструкция буфера, специфичная для устройства

Поверхность: готовая к эпитаксии или полная эпитаксия GaN

Прогиб: контролируется в соответствии с требованиями процесса устройства

Коробление: контролируется для литографии и обработки пластин

Шероховатость поверхности: обычно на уровне субнанометра для поверхностей, пригодных для устройств

Контроль частиц: полупроводниковый класс

Для готовых пластин с эпитаксией GaN дополнительные параметры могут включать:

• Поверхностное сопротивление
• Плотность 2DEG
• Подвижность электронов
• Утечка буфера
• Напряжение пробоя
• Однородность толщины эпитаксиального слоя

Почему отрасль заинтересована в 300-мм GaN на кремнии

300-мм пластины являются стандартом в производстве современных кремниевых полупроводников.

Перевод GaN на платформу 300 мм может обеспечить ряд долгосрочных преимуществ.

Наиболее важным является масштаб производства.

300-мм пластина имеет значительно большую полезную площадь, чем 200-мм пластина, что потенциально позволяет изготавливать больше устройств на пластину.

Для крупномасштабных применений, таких как силовая электроника дата-центров ИИ, это может в конечном итоге улучшить экономику производства.

Другие потенциальные преимущества включают:

• Доступ к инфраструктуре передовых фабрик 300 мм
• Более высокие уровни автоматизации
• Больше кристаллов на пластину
• Лучшая интеграция с производством CMOS
• Совместимость с передовыми упаковочными экосистемами
• Потенциальное снижение стоимости устройства при больших объемах производства

Однако эти преимущества имеют смысл только в том случае, если эпитаксия GaN может соответствовать строгим требованиям к качеству пластин.

Это самая сложная часть.

Прогиб пластины: одна из самых больших проблем 300 мм

Прогиб пластины является одним из наиболее важных параметров при масштабировании GaN на кремнии от 200 мм до 300 мм.

GaN и кремний имеют очень разные параметры решетки и поведение при тепловом расширении.

Во время эпитаксиального роста при повышенной температуре внутри пластины возникает механическое напряжение.

После охлаждения пластины это напряжение может вызвать изгиб подложки.

Чем больше диаметр пластины, тем сложнее становится контроль напряжения.

Чрезмерный прогиб может вызвать проблемы во время:

• Литографии
• Зажима пластины
• Нанесения покрытий вращением
• Травления
• Ионной имплантации
• Металлизации
• Химико-механической полировки (CMP)
• Автоматизированной обработки пластин

Для 300-мм GaN на кремнии контроль прогиба становится критически важным, поскольку современное полупроводниковое оборудование разработано с учетом строгих ограничений геометрии пластин.

Пластина, которая не может правильно лежать на вакуумном зажиме, может быть несовместима со стандартным производственным оборудованием.

Как контролируется прогиб

Поставщики эпитаксии GaN используют несколько методов для управления напряжением.

К ним могут относиться:

• Нуклеационные слои AlN
• Переходные слои AlGaN
• Буферы с градиентным составом
• Суперрешетчатые структуры
• Буферы GaN, легированные углеродом
• Слои компенсации напряжения
• Оптимизированная толщина кремниевой подложки

Конструкция буферного стека напрямую влияет как на геометрию пластины, так и на электрические характеристики.

Буферные слои становятся более важными при 300 мм

Буферная структура в GaN на кремнии — это не просто механический переходный слой.

Она также сильно влияет на производительность устройства.

Правильно спроектированный буфер должен обеспечивать:

• Компенсацию напряжения
• Электрическая изоляция
• Низкий ток утечки
• Высокое напряжение пробоя
• Низкую плотность дислокаций
• Низкий захват
• Стабильную производительность устройства

Для высоковольтных силовых устройств утечка буфера особенно важна.

Плохая конструкция буфера может привести к:

• Преждевременному пробою
• Коллапсу тока
• Увеличению утечки
• Деградации динамического RDS(on)

При переходе на 300 мм буферная структура должна оставаться однородной на гораздо большей площади пластины.

Это делает контроль эпитаксиального процесса значительно более требовательным.

Однородность эпитаксии: 200 мм против 300 мм

Однородность — еще одно важное отличие.

Для силовых устройств GaN следующие свойства должны оставаться постоянными по всей пластине:

• Толщина GaN
• Толщина AlGaN
• Состав алюминия
• Поверхностное сопротивление
• Подвижность электронов
• Плотность 2DEG
• Шероховатость поверхности
• Напряжение
• Плотность дефектов

На 200-мм пластине достижение хорошей однородности от центра к краю уже является сложной задачей.

На 300-мм пластине поток газа, распределение температуры и подача прекурсоров становятся более сложными.

Небольшие колебания температуры могут повлиять на:

• Скорость роста
• Состав сплава
• Толщину слоя
• Электрические свойства

В результате эпитаксия GaN на 300 мм требует высокооптимизированной конструкции реактора MOCVD и контроля процесса.

Плотность дефектов

GaN, выращенный на кремнии, является гетероэпитаксиальной материальной системой.

Поэтому сквозные дислокации неизбежны.

Типичные типы дефектов могут включать:

• Краевые дислокации
• Винтовые дислокации
• Смешанные дислокации
• Дефекты упаковки
• Трещины
• Ямки
• Частицы

Для силовых устройств эти дефекты могут влиять на:

• Ток утечки
• Напряжение пробоя
• Надежность
• Выход годных устройств

Масштабирование до 300 мм делает картирование дефектов на уровне пластины все более важным.

Для мониторинга распределения дефектов по всей пластине могут использоваться передовые системы инспекции.

Сравнение затрат

На первый взгляд, 300 мм кажется более экономичным, поскольку с каждой пластины можно изготовить больше устройств.

Однако один только диаметр пластины не определяет общую стоимость устройства.

Важные факторы стоимости включают:

• Стоимость кремниевой подложки
• Время роста MOCVD
• Использование эпитаксиального реактора
• Выход годных пластин
• Выход годных устройств
• Стоимость литографии
• Стоимость инспекции
• Амортизация оборудования

Сегодня 200-мм GaN на кремнии, как правило, выигрывает от большей зрелости производства.

Для меньших и средних объемов производства 200 мм может оставаться более экономичным.

300 мм становится особенно привлекательным, когда объем производства достаточно высок, чтобы использовать преимущества крупномасштабной фабричной инфраструктуры.

Совместимость с фабриками

Одной из самых веских причин для разработки 300-мм GaN на кремнии является совместимость с кремниевыми фабриками.

Однако пластина GaN не может автоматически попасть на стандартную линию производства кремния.

Необходимо учитывать несколько вопросов.

Геометрия пластины

Пластина должна соответствовать требованиям оборудования для:

• Диаметра
• Толщины
• Прогиб
• Коробление
• Профиля края

Загрязнение

Производство GaN вводит такие элементы, как галлий и алюминий.

Кремниевые фабрики часто имеют строгие правила контроля загрязнений.

Поэтому могут потребоваться выделенные модули обработки или стратегии управления загрязнением.

Тепловой бюджет

Эпитаксия GaN может включать высокотемпературные процессы, отличающиеся от стандартного производства CMOS.

Поэтому последующая обработка должна быть тщательно спроектирована.

Обработка пластин

Роботизированные системы, FOUP, выравниватели и литографические установки должны правильно распознавать и обрабатывать пластину.

Поэтому 300-мм пластины GaN должны соответствовать очень строгим геометрическим спецификациям и спецификациям края.

Сравнение 200 мм и 300 мм GaN на кремнии

200-мм GaN на кремнии

Преимущества:

• Более зрелая производственная экосистема
• Более низкий технический риск
• Установленное производство силовых устройств GaN
• Более простой контроль прогиба
• Более низкая стоимость разработки

Наиболее подходит для:

• Коммерческих силовых устройств GaN
• ВЧ-устройств
• Блоков питания дата-центров
• Быстрых зарядных устройств
• Промышленной силовой электроники
• Вспомогательных систем автомобилей

300-мм GaN на кремнии

Преимущества:

• Больше устройств на пластину
• Совместимость с передовыми фабриками
• Более высокий потенциал автоматизации
• Потенциальное преимущество в стоимости при больших объемах производства
• Сильная интеграция с передовым производством полупроводников

Проблемы:

• Прогиб пластины
• Контроль напряжения
• Однородность эпитаксии
• Управление дефектами
• Контроль загрязнений
• Более высокая сложность разработки процессов

Наиболее подходит для:

• Будущего крупномасштабного производства GaN
• Силовой электроники дата-центров ИИ
• Высокоплотных силовых ИС
• Интегрированных платформ силовых полупроводников

Какие параметры должны указывать покупатели?

При запросе пластин GaN на кремнии покупатели должны указывать больше, чем диаметр пластины.

Важные параметры RFQ включают:

Диаметр пластины

200 мм или 300 мм.

Ориентация кремния

Si (111) обычно используется для эпитаксии GaN.

Толщина пластины

Укажите номинальную толщину и допуск.

Структура GaN

Укажите, требуется ли вам:

• Шаблон GaN
• Пластина с эпитаксией GaN
• Структура HEMT AlGaN/GaN
• Высоковольтная силовая структура GaN

Толщина эпитаксиального слоя

Укажите требуемые толщины слоев.

Электрические параметры

В зависимости от структуры устройства укажите:

• Поверхностное сопротивление
• Подвижность электронов
• Концентрация носителей
• Ток утечки

Геометрия пластины

Важные параметры включают:

• TTV (общая толщина пластины)
• Прогиб
• Коробление

Качество поверхности

Укажите:

• Шероховатость поверхности
• Уровень частиц
• Требования к царапинам
• Исключение края

Требования к дефектам

Для производства передовых устройств может также потребоваться картирование дефектов на уровне пластины.

Какой диаметр лучше для силовой электроники ИИ?

Универсального ответа нет.

Для текущего производства силовых устройств GaN 200 мм предлагает зрелую и коммерчески практичную платформу.

Для будущей крупномасштабной силовой электроники ИИ 300 мм GaN на кремнии может предложить важные производственные преимущества.

Однако успешное внедрение 300 мм зависит от решения ряда материаловедческих и технологических задач.

Наиболее важные из них включают:

• Контроль прогиба пластины
• Инженерия напряжений
• Однородная эпитаксия
• Рост с низким уровнем дефектов
• Электрическая изоляция
• Совместимость с фабриками

Во многих случаях качество эпитаксии важнее самого диаметра пластины.

Плохо контролируемая 300-мм пластина не превзойдет хорошо оптимизированную 200-мм пластину GaN просто потому, что она больше.

Заключение

Переход от 200 мм к 300 мм GaN на кремнии представляет собой важный шаг к более крупномасштабному производству GaN.

Для силовой электроники ИИ потенциальные преимущества значительны.

Большие пластины могут позволить изготавливать больше устройств на пластину, улучшить автоматизацию фабрик и обеспечить лучшую интеграцию с передовой инфраструктурой производства полупроводников.

Однако масштабирование эпитаксии GaN до 300 мм создает серьезные проблемы с прогибом пластины, напряжением в буферном слое, однородностью эпитаксии и контролем дефектов.

Поэтому при выборе пластин производители устройств и научно-исследовательские институты должны учитывать не только диаметр пластины, но и полную эпитаксиальную структуру и геометрию пластины.

Для проектов GaN на кремнии покупатели должны предоставлять подробные требования, включая размер пластины, ориентацию кремния, структуру GaN, толщину эпитаксиального слоя, прогиб, коробление, электрические параметры и целевое применение устройства.

Четко определенная спецификация позволяет оптимизировать структуру пластины GaN для конкретного процесса силового устройства и помогает снизить риск разработки во время квалификации пластины и масштабирования.