La rápida expansión de los centros de datos de IA está cambiando los requisitos de los dispositivos semiconductores de potencia. La mayor densidad de potencia de la GPU, el aumento de la potencia del rack y la creciente demanda de conversión eficiente de CA/CC y CC/CC están acelerando la adopción de semiconductores de banda prohibida amplia, como el nitruro de galio.

Entre las diferentes plataformas de GaN,GaN sobre silicioHa llamado especialmente la atención porque combina las ventajas eléctricas del GaN con la infraestructura de fabricación de obleas de silicio.

Hoy en día, las obleas de GaN-on-Si de 200 mm ya se utilizan ampliamente para el desarrollo y la fabricación de dispositivos de energía y RF, mientras que el GaN-on-Si de 300 mm se investiga cada vez más como una ruta potencial hacia una producción de mayor volumen y una integración más profunda con las principales fábricas de semiconductores.

Sin embargo, pasar de 200 mm a 300 mm no es simplemente una cuestión de aumentar el diámetro de la oblea. El arco de la oblea, la tensión de la capa amortiguadora, la uniformidad de la epitaxia, el control de defectos y la compatibilidad fabulosa se vuelven más desafiantes.

Este artículo explica las diferencias clave entre las obleas de GaN sobre silicio de 200 mm y 300 mm para la electrónica de potencia de IA.

Por qué es importante el GaN sobre silicio para la electrónica de potencia con IA

Los servidores de IA requieren múltiples etapas de conversión de energía.

Las aplicaciones típicas incluyen:

• Unidades de fuente de alimentación para centros de datos
• Convertidores CA/CC de servidor
• Arquitecturas de energía de 48 V
• Convertidores de bus intermedio
• Convertidores CC/CC de alta frecuencia
• Entrega de energía para GPU y aceleradores de IA
• Sistemas de energía de telecomunicaciones
• Interfaces de almacenamiento de energía de batería

Los dispositivos GaN pueden funcionar a frecuencias de conmutación más altas que los MOSFET de silicio convencionales, lo que permite inductores, transformadores y condensadores más pequeños.

Esto puede ayudar a mejorar:

• Densidad de potencia
• Eficiencia de conversión
• Tamaño del sistema
• Rendimiento térmico
• Velocidad de conmutación

GaN-on-Si es particularmente atractivo porque los sustratos de silicio están disponibles en grandes diámetros y son compatibles con gran parte de los equipos utilizados en la fabricación de semiconductores existentes.

¿Qué es una oblea de GaN sobre silicio?

Una oblea de GaN sobre silicio normalmente consta de varias capas.

Una estructura simplificada puede incluir:

sustrato de silicio
↓
capa de nucleación
↓
Capas de transición o gestión del estrés
↓
Capa de búfer de GaN
↓
capa de canal de GaN
↓
Barrera de AlGaN o epitaxia del dispositivo

La estructura exacta depende de la aplicación del dispositivo.

Para la electrónica de potencia GaN, la pila epitaxial puede optimizarse para:

• Alto voltaje de ruptura
• Corriente de fuga baja
• RDS dinámico bajo (activado)
• Alta movilidad de electrones.
• Bajo atrapamiento
• Alta uniformidad de oblea

Debido a que GaN y el silicio tienen constantes de red y coeficientes de expansión térmica muy diferentes, se requieren estructuras de amortiguación sofisticadas.

Estas capas amortiguadoras se vuelven particularmente importantes cuando aumenta el diámetro de la oblea.

Obleas de GaN-on-Si de 200 mm

Las obleas de GaN sobre silicio de 200 mm u 8 pulgadas se han convertido en una plataforma importante para la fabricación de dispositivos comerciales de energía GaN.

El formato de 200 mm ofrece un equilibrio entre madurez de fabricación y productividad a escala de oblea.

Las ventajas típicas incluyen:

• Infraestructura de fábrica de silicio establecida de 200 mm
• Equipos de manipulación de obleas maduras
• Menor riesgo de desarrollo
• Gestión más sencilla del arco de oblea
• Procesos de epitaxia de GaN mejor establecidos
• Menor inversión inicial en equipo en comparación con 300 mm.

Para muchos fabricantes de dispositivos GaN, 200 mm sigue siendo una opción práctica para dispositivos de energía destinados a centros de datos, fuentes de alimentación de consumo, sistemas auxiliares para vehículos eléctricos y electrónica de potencia industrial.

Parámetros típicos de GaN-on-Si de 200 mm

Las especificaciones dependen de la estructura epitaxial, pero los parámetros típicos pueden incluir:

Diámetro: 200 mm

Sustrato: Si (111)

Espesor de silicio: aproximadamente 725 µm

Espesor de GaN epi: dependiente de la aplicación

Conductividad: diseño de amortiguador semiaislante o específico del dispositivo

Superficie: epitaxia de GaN completa o preparada para epi

Arco: controlado según los requisitos del proceso del dispositivo.

Warp: controlado para litografía y manipulación de obleas.

Rugosidad de la superficie: nivel típicamente subnanómetro para superficies con calidad de dispositivo

Control de partículas: grado semiconductor

Para las obleas epi de GaN terminadas, los parámetros adicionales pueden incluir:

• Resistencia de la hoja
• densidad 2DEG
• Movilidad electrónica
• Fuga de tampón
• Tensión de ruptura
• Uniformidad del espesor epitaxial.

Por qué la industria está interesada en GaN-on-Si de 300 mm

Las obleas de 300 mm son estándar en la fabricación avanzada de semiconductores de silicio.

Mover GaN a una plataforma de 300 mm podría proporcionar varias ventajas a largo plazo.

El más importante es la escala de fabricación.

Una oblea de 300 mm tiene un área utilizable significativamente mayor que una oblea de 200 mm, lo que potencialmente permite fabricar más dispositivos por oblea.

Para aplicaciones de gran volumen, como la electrónica de potencia de los centros de datos de IA, esto puede eventualmente mejorar la economía de fabricación.

Otras ventajas potenciales incluyen:

• Acceso a infraestructura fabulosa avanzada de 300 mm
• Mayores niveles de automatización
• Más troqueles por oblea
• Mejor integración con la fabricación CMOS
• Compatibilidad con ecosistemas de embalaje avanzados
• Posible reducción del coste del dispositivo con un alto volumen de producción

Sin embargo, estas ventajas sólo son significativas si la epitaxia de GaN puede cumplir con estrictos requisitos de calidad de las obleas.

Esa es la parte difícil.

Arco Wafer: uno de los mayores desafíos de 300 mm

El arco de oblea es uno de los parámetros más importantes al escalar GaN-on-Si de 200 mm a 300 mm.

GaN y silicio tienen parámetros de red y comportamiento de expansión térmica muy diferentes.

Durante el crecimiento epitaxial a temperatura elevada, se acumula tensión mecánica dentro de la oblea.

Una vez que la oblea se enfría, esta tensión puede hacer que el sustrato se doble.

Cuanto mayor sea el diámetro de la oblea, más difícil será el control de la tensión.

Un arco excesivo puede crear problemas durante:

• Litografía
• Mandril de oblea
• Revestimiento giratorio
• Aguafuerte
• Implantación de iones
• Metalización
• CMP
• Manipulación automatizada de obleas

Para GaN-on-Si de 300 mm, el control del arco se vuelve fundamental porque los equipos semiconductores modernos están diseñados con límites estrictos de geometría de oblea.

Es posible que una oblea que no pueda asentarse correctamente en un mandril de vacío no sea compatible con el equipo de producción estándar.

Cómo se controla el arco

Los proveedores de epitaxia de GaN utilizan varias técnicas para gestionar el estrés.

Estos pueden incluir:

• Capas de nucleación de AlN
• Capas de transición de AlGaN
• Tampones graduados composicionalmente
• Estructuras de superred
• Tampones de GaN dopados con carbono
• Capas de compensación de deformaciones
• Espesor del sustrato de silicio optimizado

El diseño de la pila de buffer influye directamente tanto en la geometría de la oblea como en el rendimiento eléctrico.

Las capas intermedias se vuelven más importantes a 300 mm

La estructura amortiguadora de GaN-on-Si no es simplemente una capa de transición mecánica.

También afecta fuertemente el rendimiento del dispositivo.

Un buffer diseñado adecuadamente debe proporcionar:

• Compensación de estrés
• Aislamiento eléctrico
• Corriente de fuga baja
• Alto voltaje de ruptura
• Baja densidad de dislocaciones
• Bajo atrapamiento
• Rendimiento estable del dispositivo

Para los dispositivos de potencia de alto voltaje, la fuga del buffer es particularmente importante.

Un diseño deficiente del buffer puede resultar en:

• ruptura prematura
• Colapso actual
• Mayor fuga
• Degradación dinámica de RDS (activado)

Al pasar a 300 mm, la estructura de amortiguación debe permanecer uniforme en un área de oblea mucho más grande.

Esto hace que el control del proceso epitaxial sea significativamente más exigente.

Uniformidad de epitaxia: 200 mm frente a 300 mm

La uniformidad es otra diferencia importante.

Para los dispositivos de potencia GaN, las siguientes propiedades deben permanecer consistentes en toda la oblea:

• Espesor de GaN
• Espesor de AlGaN
• Composición de aluminio
• Resistencia de la hoja
• Movilidad electrónica
• densidad 2DEG
• Rugosidad de la superficie
• Estrés
• Densidad de defectos

En una oblea de 200 mm, lograr una buena uniformidad desde el centro hasta el borde ya supone un desafío.

En una oblea de 300 mm, el flujo de gas, la distribución de la temperatura y la entrega del precursor se vuelven más complicados.

Pequeñas variaciones de temperatura pueden afectar:

• Índice de crecimiento
• Composición de la aleación
• Espesor de capa
• Propiedades electricas

Como resultado, la epitaxia de GaN de 300 mm requiere un diseño de reactor MOCVD y un control de proceso altamente optimizados.

Densidad de defectos

El GaN cultivado sobre silicio es un sistema de material heteroepitaxial.

Por tanto, las dislocaciones del roscado son inevitables.

Los tipos de defectos típicos pueden incluir:

• Dislocaciones de borde
• Dislocaciones de tornillos
• Dislocaciones mixtas
• Fallas de apilamiento
• Grietas
• Pozos
• Partículas

En el caso de los dispositivos de potencia, estos defectos pueden influir en:

• corriente de fuga
• Tensión de ruptura
• Fiabilidad
• Rendimiento del dispositivo

La escala a 300 mm hace que el mapeo de defectos a nivel de oblea sea cada vez más importante.

Se pueden utilizar sistemas de inspección avanzados para monitorear la distribución de defectos en toda la oblea.

Comparación de costos

A primera vista, 300 mm parece más económico porque se pueden fabricar más dispositivos con cada oblea.

Sin embargo, el diámetro de la oblea por sí solo no determina el coste total del dispositivo.

Los factores de costo importantes incluyen:

• Costo del sustrato de silicio
• tiempo de crecimiento de MOCVD
• Utilización del reactor de epitaxia.
• Rendimiento de oblea
• Rendimiento del dispositivo
• Costo de litografía
• Costo de inspección
• Depreciación del equipo

Hoy en día, el GaN-on-Si de 200 mm generalmente se beneficia de una mayor madurez de fabricación.

Por lo tanto, para volúmenes de producción bajos y medianos, 200 mm pueden resultar más económicos.

300 mm se vuelve particularmente atractivo cuando el volumen de producción es lo suficientemente alto como para aprovechar una infraestructura fabulosa a gran escala.

Compatibilidad con fundición

Una de las razones más importantes para desarrollar GaN-on-Si de 300 mm es la compatibilidad con las fábricas de silicio.

Sin embargo, una oblea de GaN no puede entrar automáticamente en una línea de producción de silicio estándar.

Se deben considerar varias cuestiones.

Geometría de oblea

La oblea debe cumplir con los requisitos de equipo para:

• Diámetro
• Espesor
• Arco
• Urdimbre
• Perfil de borde

Contaminación

La fabricación de GaN introduce elementos como el galio y el aluminio.

Las fábricas de silicio suelen tener normas estrictas de control de la contaminación.

Por lo tanto, es posible que se requieran módulos de proceso dedicados o estrategias de gestión de la contaminación.

Presupuesto Térmico

La epitaxia de GaN puede implicar procesos de alta temperatura que difieren de la fabricación de CMOS estándar.

Por lo tanto, el procesamiento posterior debe diseñarse cuidadosamente.

Manipulación de obleas

Los sistemas robóticos, FOUP, alineadores y herramientas de litografía deben reconocer y manipular correctamente la oblea.

Por lo tanto, las obleas de GaN de 300 mm deben seguir especificaciones de geometría y bordes muy estrictas.

Comparación de GaN-on-Si de 200 mm y 300 mm

GaN sobre Si de 200 mm

Ventajas:

• Ecosistema de fabricación más maduro
• Menor riesgo técnico
• Producción de energía GaN establecida
• Control del arco más fácil
• Menor costo de desarrollo

Más adecuado para:

• Dispositivos comerciales de potencia GaN
• dispositivos de radiofrecuencia
• Fuentes de alimentación para centros de datos
• Cargadores rápidos
• Electrónica de potencia industrial
• Sistemas auxiliares de automoción

GaN sobre Si de 300 mm

Ventajas:

• Más dispositivos por oblea
• Compatibilidad fabulosa avanzada
• Mayor potencial de automatización
• Ventaja potencial de costos de alto volumen
• Fuerte integración con la fabricación avanzada de semiconductores

Desafíos:

• Arco de oblea
• Control del estrés
• Uniformidad de epitaxia
• Gestión de defectos
• Control de contaminación
• Mayor complejidad del desarrollo de procesos

Más adecuado para:

• Futura fabricación de GaN en gran volumen
• Electrónica de potencia del centro de datos con IA
• Circuitos integrados de potencia de alta densidad
• Plataformas integradas de semiconductores de potencia.

¿Qué parámetros deben especificar los compradores?

Al solicitar obleas de GaN sobre silicio, los compradores deben proporcionar un diámetro superior al de la oblea.

Los parámetros importantes de RFQ incluyen:

Diámetro de la oblea

200 mm o 300 mm.

Orientación del silicio

El Si (111) se utiliza habitualmente para la epitaxia de GaN.

Grosor de la oblea

Especifique el espesor nominal y la tolerancia.

Estructura de GaN

Especifique si necesita:

• Plantilla de GaN
• Oblea epi de GaN
• Estructura AlGaN/GaN HEMT
• Estructura de energía de GaN de alto voltaje

Espesor epitaxial

Especifique los espesores de capa requeridos.

Parámetros eléctricos

Dependiendo de la estructura del dispositivo, especifique:

• Resistencia de la hoja
• Movilidad electrónica
• Concentración de portador
• corriente de fuga

Geometría de oblea

Los parámetros importantes incluyen:

• televisión
• Arco
• Urdimbre

Calidad de la superficie

Especificar:

• Rugosidad de la superficie
• nivel de partícula
• Requisitos de scratch
• Exclusión de bordes

Requisitos de defectos

Para la fabricación de dispositivos avanzados, también puede ser necesario un mapeo de defectos a nivel de oblea.

¿Qué diámetro es mejor para la electrónica de potencia AI?

No existe una respuesta universal.

Para la fabricación actual de dispositivos de potencia GaN, 200 mm ofrece una plataforma madura y comercialmente práctica.

Para la futura electrónica de potencia de IA de gran volumen, el GaN-on-Si de 300 mm puede ofrecer importantes ventajas de fabricación.

Sin embargo, la adopción exitosa de 300 mm depende de resolver varios desafíos de materiales y procesos.

Los más importantes incluyen:

• Control de arco de oblea
• Ingeniería de estrés
• epitaxia uniforme
• Crecimiento con pocos defectos
• Aislamiento eléctrico
• Compatibilidad con fundición

En muchos casos, la calidad epitaxial es más importante que el propio diámetro de la oblea.

Una oblea de 300 mm mal controlada no superará a una oblea de GaN de 200 mm bien optimizada simplemente porque sea más grande.

Conclusión

La transición de GaN sobre silicio de 200 mm a 300 mm representa un paso importante hacia la fabricación de GaN en mayor volumen.

Para la electrónica de potencia AI, las ventajas potenciales son significativas.

Las obleas más grandes pueden permitir más dispositivos por oblea, una mejor automatización de las fábricas y una mejor integración con la infraestructura avanzada de fabricación de semiconductores.

Sin embargo, ampliar la epitaxia de GaN a 300 mm presenta desafíos importantes en el arco de la oblea, la tensión de la capa amortiguadora, la uniformidad de la epitaxia y el control de defectos.

Por lo tanto, para los fabricantes de dispositivos y los institutos de investigación, la selección de la oblea debe considerar no sólo el diámetro de la oblea sino también la estructura epitaxial completa y la geometría de la oblea.

Para proyectos de GaN sobre silicio, los compradores deben proporcionar requisitos detallados que incluyan el tamaño de la oblea, la orientación del silicio, la estructura de GaN, el espesor epitaxial, el arco, la deformación, los parámetros eléctricos y la aplicación del dispositivo objetivo.

Una especificación bien definida permite optimizar la estructura de la oblea de GaN para el proceso específico del dispositivo de energía y ayuda a reducir el riesgo de desarrollo durante la calificación y ampliación de la oblea.