Derin Okuma — GaN-on-Si

Fırının içindeki sessiz çığlık

Metal organik kimyasal buhar biriktirme fırınının kuvars penceresinden içeri baktığınızda, bin derecenin üzerinde akkor halinde parlayan bir silisyum disk görürsünüz. Yüzeyine atom atom galyum nitrür (GaN) kristali işlenmektedir. Disk soğumaya başladığı an, iki malzeme arasındaki termal genleşme farkı yüzünden iç gerilimler birikir. Silisyum çekir, GaN büzüşür. Mühendislik doğru yapılmazsa, wafer fırından çıktığında bir patates cipsi gibi kıvrılmış olur. Hatta bazen fırının içinde, daha süreç tamamlanmadan, mikroskobik bir çatlak ağı tüm yüzeyi kaplar.

Duyduğunuz tek şey gaz akışının monoton uğultusudur. O çığlığı yalnızca X-ışını difraktometresi okur. GaN-on-Si işte bu fırının içinde, malzeme biliminin en inatçı problemlerinden birini çözerek doğdu.

İki yabancının zoraki evliliği

GaN-on-Si teknolojisini anlamak için önce neden bu iki malzemenin bir araya getirilmeye çalışıldığını kavramak gerekir. Galyum nitrür, silisyum karbür (SiC) gibi kendi kristal ailesinden bir altlık üzerinde büyütüldüğünde çok daha mutludur. Kristal kafesleri birbirine yakındır, genleşme katsayıları uyumludur, kusur oranı düşüktür. Ne var ki SiC altlıklar inanılmaz pahalıdır. 150 milimetrelik bir SiC wafer'ın maliyeti, aynı çaptaki bir silisyum wafer'ın belki on beş katıdır.

Üstelik SiC tedariki, bir avuç üreticinin elinde sıkışmıştır ve üretim kapasitesi yıllarca geriden gelmiştir. SiC kristali, iki bin derecenin üzerinde fiziksel buhar taşınımıyla büyütülür, süreç yavaştır ve 150 milimetrenin ötesine ölçeklenmesi zordur.

Silisyum ise gezegendeki en bol, en iyi işlenmiş, en ucuz yarı iletken malzemesidir. 300 milimetrelik otomatize fabrikalar, kusursuz yüzey kalitesi, on yılların birikmiş süreç bilgisi silisyumdadır. GaN-on-Si fikrinin temel cazibesi burada yatar. Silisyum üretim altyapısının devasa ölçek ekonomisini, galyum nitrürün üstün elektriksel özellikleriyle birleştirmek. Halihazırda CMOS üretimi için kurulu olan 200 milimetrelik ve hatta 300 milimetrelik hatlarda, görece küçük modifikasyonlarla GaN cihazları işlenebilir. Aynı litografi, aynı aşındırma, aynı metalizasyon ekipmanları kullanılır. Bu, sermaye maliyetini dramatik biçimde düşürür.

Ancak iki malzemenin birleşimi zorakidir. Silisyumun kristal kafes sabiti GaN'ınkinden yüzde 17 daha büyüktür. Termal genleşme katsayısı ise yüzde 54 daha fazladır. İki sayı, aradaki bütün mühendislik dramının özetidir. Kafes uyuşmazlığı, arayüzde yüksek yoğunlukta dislokasyonlara yol açar. Genleşme farkı, her sıcaklık döngüsünde katmanı çatlatmaya yeltenir. Buna rağmen, eğer gerilimler atomik seviyede yönetilebilirse, ortaya çıkan yapı güç elektroniğinde çığır açar.

Arayüzdeki atomik satranç

Mekanizmanın kalbi, büyütme sürecinin ilk birkaç yüz nanometresinde atar. Silisyum yüzeyine doğrudan GaN büyütmeye kalkarsanız, eriyik fazda bir galyum-silisyum alaşımı oluşur. Buna "eriyik geri aşındırma" denir. Yüzeyde mikroskobik kraterler açar ve kristal kalitesini anında öldürür.

O yüzden araya bir tampon katman girer. Genellikle alüminyum nitrür (AlN) kullanılır. AlN, hem silisyumla hem GaN'la nispeten iyi geçinen bir arabulucudur. AlN çekirdeklenme katmanı, fırının içinde trimetilalüminyum ve amonyağın reaksiyonuyla oluşturulur. Sıcaklık burada kritiktir. Çok düşük olursa çekirdeklenme yoğunluğu azalır, AlN adacıkları birleşmez.

Çok yüksek olursa silisyum yüzeyi nitrürlenir ve amorf silisyum nitrür oluşur ki bu da istenmez. Tatlı nokta genelde 950 ila 1050 santigrat derece aralığındadır. Ancak günümüzde en yaygın yaklaşım iki aşamalı bir süreçtir. Önce 600 ila 800 derecede, 10 ila 20 nanometre kalınlığında düşük sıcaklık AlN çekirdeklenme katmanı büyütülür. Katman yüksek yoğunlukta çekirdeklenme merkezi sağlar. Ardından sıcaklık 1000 derecenin üzerine çıkarılarak daha kaliteli, yüksek sıcaklık AlN katmanı büyütülür. Toplam AlN kalınlığı 100 ila 200 nanometre mertebesindedir.

İnce bir operasyonel detay daha vardır. Silisyum yüzeyi, AlN büyütülmeden hemen önce birkaç saniyeliğine amonyak gazına maruz bırakılır. Yüzeyde birkaç atom kalınlığında silisyum nitrür (SiNx) tabakası oluşur. Tabaka, sonraki adımda galyumun silisyumla temasını fiziksel olarak engeller, eriyik geri aşındırmayı imkansız kılar. Aynı zamanda AlN çekirdeklenmesini de iyileştirir, çünkü SiNx üzerinde AlN adacıkları daha düzgün dağılır.

AlN katmanının üzerine, gerilimi kademeli olarak yönetmek için AlGaN geçiş katmanları eklenir. Alüminyum oranı kademeli olarak düşürülür, böylece kafes sabiti GaN'a doğru yumuşak bir geçiş yapar. Her bir katman, altındakiyle üstündeki arasında bir gerilim tamponu görevi görür. Geçiş katmanının kalınlığı tipik olarak 200 ila 500 nanometredir ve alüminyum konsantrasyonu yüzde 70'ten sıfıra doğru lineer veya basamaklı olarak azaltılır. Büyütme sırasında reaktör basıncı 50 ila 200 milibar arasında tutulur, V/III oranı (amonyağın metal-organik kaynağa molar oranı) bini aşar. Taşıyıcı gaz olarak hidrojen kullanılır, çünkü hidrojen yüzey difüzyonunu artırarak daha düzgün katmanlar oluşmasını sağlar.

Gerilim mühendisliği ve çatlak yönetimi

Asıl mesele soğuma sırasında başlar. Büyütme sıcaklığı olan yaklaşık 1000 dereceden oda sıcaklığına inerken, silisyum GaN'dan daha az büzüşür. GaN katmanında çekme gerilimi oluşur. Çekme gerilimi, epitaksiyel katmanda çatlaklara yol açar. Çatlaklar milimetrelerce uzunlukta olabilir ve wafer'ı kullanılamaz hale getirir. Mühendisler bu gerilimi yönetmek için birkaç numara geliştirmiştir.

Birincisi, sıkıştırma gerilimli ara katmanlardır. Büyütme sırasında düşük sıcaklıkta bir AlN ara katmanı eklenir. Katman, kendi içinde sıkıştırma gerilimi taşır ve üstteki GaN'ın çekme gerilimini kısmen dengeler. Düşük sıcaklık AlN ara katmanının kalınlığı 10 ila 15 nanometre arasındadır. Daha ince olursa yeterli sıkıştırma sağlamaz, daha kalın olursa kendisi çatlar. İki mikrometrelik bir GaN tampon katmanı için genellikle iki ila dört adet böyle ara katman kullanılır. Her biri, alttaki GaN katmanının çekme gerilimini sıfırlamaya yaklaşır ve bir sonraki GaN katmanı için taze bir başlangıç sunar.

İkincisi, süper örgü yapılarıdır. AlN ve GaN'ın nanometre kalınlığında dönüşümlü katmanlarından oluşan bu yapılar, gerilimi periyodik olarak dağıtır ve dislokasyonların yukarı doğru ilerlemesini engeller. Tipik bir süper örgü, 2 ila 5 nanometre AlN ve 10 ila 20 nanometre GaN katmanlarının 10 ila 20 kez tekrarlanmasıyla oluşturulur. Her arayüz, alttan gelen dislokasyonları büker ve bir kısmını yatay düzleme yönlendirerek yok eder. Dislokasyon yoğunluğu, GaN-on-Si'de hala GaN-on-SiC'e kıyasla iki ila üç mertebe daha yüksektir. Tipik bir GaN-on-Si wafer'ında 10^8 ila 10^9 dislokasyon/santimetrekare seviyesi görülür. Bu, cihaz performansı için hala kabul edilebilir sınırlar içindedir ama güç cihazlarının güvenilirliğini belirleyen temel parametredir.

Üçüncü numara, wafer eğriliğinin aktif yönetimidir. 200 milimetrelik bir silisyum wafer üzerine birkaç mikrometre GaN büyüttüğünüzde, wafer'ın eğrilik yarıçapı 50 metreden 5 metreye düşebilir. Eğrilik yarıçapındaki bu düşüş, fotolitografi gibi sonraki süreç adımlarında odaklama problemleri yaratır. Modern MOCVD reaktörleri, büyütme sırasında wafer'ın eğriliğini gerçek zamanlı olarak ölçer. Çok ışınlı optik gerilim sensörü (MOSS) adı verilen sistem, wafer yüzeyine paralel lazer demetleri gönderir ve yansıyan ışınlar arasındaki mesafe değişiminden eğrilik yarıçapını mikrometre hassasiyetinde hesaplar. Reaktörün ısıtıcı bölgeleri, bu veriye göre sıcaklık gradyanlarını ayarlayarak eğriliği kontrol altında tutar.

Eğrilik yarıçapı 30 metrenin altına düştüğünde, süreç penceresi dışına çıkılmış demektir. 0,5 mikrometrelik litografi için kabul edilebilir wafer bükülmesi 30 mikrometrenin altındadır. Gerilim mühendisliği olmadan, çatlak oluşmadan büyütülebilecek azami GaN kalınlığı 1 ila 2 mikrometre iken, bu yöntemlerle 5 ila 6 mikrometreye çıkılabilir.

Performans ve maliyetin kesişim noktası

GaN-on-Si'nin ticari mantığı, kusurlu bir kristali kabul edip bunu maliyet avantajıyla dengelemektir. Yatay GaN HEMT (yüksek elektron hareketlilikli transistör) yapısı, akımı yüzeyin hemen altındaki iki boyutlu elektron gazında (2DEG) taşır. Tipik bir epi-yapı şu katmanlardan oluşur, silisyum altlık, 100-200 nanometre AlN çekirdeklenme katmanı, karbon katkılı yarı-yalıtkan GaN tampon (2-4 mikrometre), katkısız GaN kanal (100-200 nanometre), 15-25 nanometre AlGaN bariyer (yüzde 25 alüminyum) ve isteğe bağlı 1-2 nanometre GaN kapak. 2DEG, AlGaN ve GaN arasındaki arayüzde, herhangi bir katkılama olmaksızın, sadece piezoelektrik ve spontan polarizasyon farkıyla oluşur. Akım yolunun kristal kusurlarından etkilenme mesafesi son derece kısadır.

O yüzden, alttaki GaN katmanında epeyce dislokasyon olsa bile, transistörün kanal direnci ve anahtarlama hızı etkileyici kalır. 2DEG'deki tipik taşıyıcı yoğunluğu santimetrekare başına 8 ila 12 çarpı 10^12 elektron, hareketlilik 1500 ila 2000 santimetrekare bölü volt-saniye, katman direnci ise 400 ila 500 ohm/kare civarındadır.

Sonuç, silisyum MOSFET'lerin hayal edemeyeceği bir güç yoğunluğudur. GaN HEMT'ler, silisyum süper jonksiyon MOSFET'lere kıyasla birim alan başına yaklaşık on kat daha düşük kapı yükü ve dört kat daha düşük çıkış yükü sunar. 650 voltluk bir GaN HEMT için spesifik açık-direnç (Rds(on) çarpı alan) 2 ila 3 miliohm-santimetrekare seviyesindeyken, eşdeğer bir silisyum cihazda bu değer 10 ila 15 miliohm-santimetrekaredir. Megahertz seviyesinde anahtarlama frekanslarında çalışabilen güç kaynakları demektir bu. Yapay zeka sunucularındaki güç kaynağı üniteleri, bu sayede bir tuğla büyüklüğünden bir cep telefonu şarj aleti boyutuna inebilir. Veri merkezi rafında kazanılan her santimetreküp, soğutma ve güç dağıtımı maliyetlerinde zincirleme bir tasarruf yaratır.

Ancak performansın bir bedeli vardır. GaN tampon katmanındaki karbon katkısı, kaçak akımları bastırmak için gereklidir, fakat aynı zamanda tuzak seviyeleri oluşturur. Cihaz yüksek voltajda kapalı durumdan açık duruma geçerken, elektronlar bu tuzaklara yakalanır ve kanal direnci geçici olarak yüzde 20 ila 50 artar. Dinamik Rds(on) artışı denen bu olgu, güç dönüştürücünün verimini sahada düşürür ve uzun vadeli güvenilirlik riski doğurur. Üreticiler, tampon katkılama profilini optimize ederek, alan plakalarıyla elektrik alan tepe noktalarını yayarak ve yüzey pasivasyonunu iyileştirerek bu etkiyi en aza indirmeye çalışır. Kapı sürme de hassastır.

GaN HEMT'lerin eşik voltajı tipik olarak 1,5 volt civarındadır, maksimum kapı voltajı ise 6 voltu aşamaz. Kapı oksidi olmadığı için, küçük bir aşım kalıcı hasara yol açar. Silisyum MOSFET'lerde alışılmış olan 10-15 voltluk kapı sinyalleri burada cihazı anında öldürür. GaN-on-Si'nin ekonomisi, yalnızca üretimde değil, sahada da kusur yönetimi üzerine kuruludur.

Piyasa Hafızası. Infineon'un 2014'te International Rectifier'ı satın alması

Ağustos 2014. Infineon Technologies, International Rectifier'ı (IR) yaklaşık 3 milyar dolar nakit karşılığında satın aldığını duyurdu. O dönemde piyasa bu rakamı yüksek buldu. IR'nin yıllık geliri 1,1 milyar dolar civarındaydı ve büyüme hızı mütevazıydı.

Ama Infineon'un aradığı şey gelir değil, IR'nin GaN-on-Si konusundaki fikri mülkiyet portföyü ve üretim know-how'ıydı. IR, GaN-on-Si güç cihazlarını ticari olarak piyasaya süren ilk firmalardan biriydi ve bu alanda 20 yılı aşkın Ar-Ge birikimine sahipti. Satın alma, GaN-on-Si'nin laboratuvardan seri üretime geçişinin tesciliydi. Ders şuydu, Bir teknolojinin gerçek değeri, bilançodaki maddi varlıklarda değil, bir silisyum wafer üzerinde çatlamadan durabilen birkaç mikrometrelik kristalde saklı olabilir.

Küçük Bir Hesap

Sayılar temsili, mantık gerçek. 200 mm'lik bir GaN-on-Si epi-wafer'ın maliyet yapısı ile 150 mm'lik bir GaN-on-SiC epi-wafer'ın maliyet yapısını karşılaştıralım.

GaN-on-Si, kalıp başına maliyette kabaca beş kat avantajlı görünüyor. Ama bu tablonun bir duyarlılık twisti var. GaN-on-Si'deki dislokasyon yoğunluğu, cihazın uzun vadeli güvenilirliğini etkileyen dinamik Rds(on) artışına yol açar. Eğer verim yüzde 75'ten yüzde 65'e düşerse, iyi kalıp başına maliyet 0,034 USD'ye çıkar. Eğer güvenilirlik sorunu yüzünden sahada geri dönüş oranı yüzde 1'den yüzde 3'e çıkarsa, toplam sahip olma maliyeti aradaki farkı hızla kapatır. GaN-on-Si'nin ekonomisi, yalnızca üretimde değil, sahada da kusur yönetimi üzerine kuruludur.

Üç ders

Birincisi, GaN-on-Si bir malzeme zaferi değil, bir süreç zaferidir. Asıl buluş, iki uyumsuz kristali bir arada tutan gerilim mühendisliğindedir. Atomik ölçekteki her bir arayüz, milimetrelik bir wafer'ın kaderini belirler.

İkincisi, yarı iletkenlerde maliyet avantajı her zaman ölçekten gelmez. Bazen daha kusurlu bir malzemeyi kabul edip, o kusurun cihaz performansına etkisini minimize eden bir mimariyle gelir. GaN HEMT'teki 2DEG kanalı, altındaki milyonlarca dislokasyona rağmen kusursuza yakın çalışır.

Üçüncüsü, yapay zeka çağının en kritik darboğazı işlemci üretimi değil, o işlemcilere temiz ve verimli güç sağlayan güç yarı iletkenleridir. GaN-on-Si, veri merkezinin derinliklerinde, her bir watt'ı silisyumun yapamayacağı bir hızda dönüştürerek çalışır. 300 milimetrelik GaN-on-Si pilot hatları devreye girmeye başladı bile. Ölçek büyüdükçe, fırının içindeki sessiz çığlık daha da hafifleyecek.

Fırının kuvars penceresinden baktığınızda gördüğünüz şey, kıvrılmış bir wafer değil, enerji dönüşümünün geleceğinin atom atom örülmesidir.