סטפן דקוטר (Stefaan Decoutere), ראש תכנית האלקטרוניקה של מעגלי הספק על בסיס גליום ניטריד (GaN) ב־imec, מדבר על הצלחת השתלת דיודות שוטקי בהספק גבוה וטרנזיסטורים מסוג HEMT עם תעלה מסוג Depletion במערכת כוח חכמה 200V בטכנולוגיית סיליקון־על־מבודד על בסיס טרנזיסטורים מסוג p-GaN HEMT. השתלת הרכיבים האלה מאפשרת לתכנן שבבים עם יכולות חדשות וביצועים משופרים שמקדמים את מערכות הכוח על בסיס GaN לשלב הבא. ההישג הזה סולל את הדרך לפיתוח ממירי DC-DC ונקודת עומס (PoL) יעילים יותר.
גליום ניטריד (GaN) הוא היורש של סיליקון בתחום מעגלי ההספק
במשך עשורים, טרנזיסטורים על בסיס סיליקון (MOSFET; בעברית טרנזיסטור תוצא שדה) שימשו במערכות להמרת זרם חילופין (AC) לזרם ישר (DC), ולהפך; או להמרת זרם ישר (DC) ממתח נמוך למתח גבוה, ולהפך. בחיפוש אחרי חומרים חדשים שיכולים להאיץ את מהירות המיתוג, התברר במהירה כי גליום ניטריד (GaN) הוא אחד החומרים המבטיחים ביותר למטרה זאת. למערכת GaN/AlGaN ניידות חשמלית גבוהה יותר ושדה חשמלי קריטי גבוה יותר המגן מפני פריצה חשמלית. בשילוב עם הניידות החשמלית הגבוהה של טרנזיסטור מסוג HEMT, מתקבלים התקנים ושבבים קטנים יותר, עם מתח פריצה גבוה יותר, מהירות מיתוג גבוהה יותר והפסדי מוליכות נמוכים יותר לעומת פתרונות דומים על בסיס סיליקון.
איור 1: חתך רוחב של מעגל הספק 200V בטכנולוגיית GaN־על־SOI (סיליקון־על־מבודד) של IMEC ורכיביה. תהליך הייצור כולל השתלת טרניזסטורים מסוג HEMT בטכנולוגיית E/D, דיודות שוטקי, נגדים, קבלים ורכיבי תהליך מתקדמים (ובהם בידוד תעלה עמוקה, מגע עם המצע, שכבת פיזור מחדש).
חתך רוחב של מעגל הספק 200V בטכנולוגיית GaN־על־SOI (סיליקון־על־מבודד) של IMEC ורכיביה. תהליך הייצור כולל השתלת טרניזסטורים מסוג HEMT בטכנולוגיית E/D, דיודות שוטקי, נגדים, קבלים ורכיבי תהליך מתקדמים (ובהם בידוד תעלה עמוקה, מגע עם המצע, שכבת פיזור מחדש).
כיום, רוב מערכות הכוח על בסיס GaN מורכבות מכמה שבבים. רכיבי המערכת מיוצרים בנפרד ואז מורכבים ביחד על גבי מעגל מודפס. החסרון של הגישה הזאת הוא שנוכחותן של השראות טפיליות פוגעת בביצועים. “דרייברים לדוגמה. טרנזיסטורים עם דרייברים הנמצאים בשבב נפרד מושפעים מאוד מהשראות טפיליות בדרך שבין יציאת הדרייבר לכניסת הטרנזיסטור, וכן בצומת המיתוג של חצאי גשרים. ללא דיכוי ההשראות הטפיליות, מהירות המיתוג של הטרנזיסטורים מסוג HEMT על בסיס GaN כל כך גבוהה עד שהיא מובילה לרעשים בצורת תנודות בלתי־רצויות של האות. הדרך הטובה ביותר להקטין את ההשראות הטפיליות ולנצל את מהירות המיתוג הגבוהה של GaN היא להשתיל את הדרייבר וטרנזיסטור ה־HEMT על גבי אותו שבב,” מסביר סטפן דקוטר.
“פתרון זה גם מקצר במחצית את מתח הזמן המת בין שני טרנזיסטורים בחצי הגשר – הזמן שבין סגירת אחד הטרנזיסטורים ופתיחת השני שבמהלכו נוצר קצר בין מקור הכוח להארקה. השתלת כל הרכיבים על גבי אותו שבב תפחית את הרעשים, תקצר את הזמן המת ותשפר את יעילות הממיר באופן כללי.”
השתלת טרנזיסטורים מסוג HEMT עם תעלה מסוג d
Imec כבר השיגה התקדמות משמעותית בתחום השתלה מונוליטית של רכיבים שונים על גבי מצע סיליקון־על־מבודד (SOI), ובהם דרייברים, חצי גשרים ומעגלי בקרה/הגנה. לאחרונה, הצליחו החוקרים ב־imec להוסיף שני רכיבים מעניינים עד מאוד: טרנזיסטורים מסוג HEMT עם תעלה מסוג d (Depletion) ודיודות שוטקי.
איור 2: חתך רוחב של רכיבי המתח הגבוה המושתלים על מצע GaN־על־SOI בגודל 200 מ”מ (1) טרנזיסטור pGaN-HEMT עם תעלה מסוג e, (2) טרנזיסטור MIS-HEMT עם תעלה מסוג d, (3) דיודת שוטקי. לכל ההתקנים לוחיות שדה ממתכת על בסיס שכבות מתכת בקצה הקדמי ולוחיות מחוברות המופרדות ביניהן באמצעות שכבות של חומר דיאלקטרי.
אחד המכשולים הגדולים למימוש הפוטנציאל המלא של גליום ניטריד (GaN) במערכות כוח הוא העדר פתרון מתאים למחסור בהתקנים על בסיס GaN מסוג p שלהם ביצועים משביעי רצון. טכנולוגיית CMOS משתמשת בזוגות משלימים וסימטריים יותר של טרנזיסטורי FET מסוג p ו־n שלהם ניידות אלקטרונים וחורים גבוהה. לעומתם, ניידות החורים של גליום ניטריד (GaN) נמוכה בערך פי 60 מניידות האלקטרונים. רק כדי לסבר את האוזן, בסיליקון היחס הוא פי 2 בלבד. פירושו של דבר שהתקן מסוג p, שבו החורים הם המוליכים הראשיים, יהיה גדול יותר פי 60 והרבה פחות יעיל לעומת התקן מקביל מסוג n. פתרון מקובל הוא החלפת ה־P-MOS בנגד. לוגיקת נגד־טרנזיסטור (RTL) יושמה במעגלי הספק על בסיס GaN, אבל חסרונותיה הם זמן מיתוג ארוך וצריכת אנרגיה גבוהה.
“שיפרנו את הביצועים של מעגלים משולבים על בסיס GaN באמצעות השתלת טרנזיסטורי HEMT עם תעלה מסוג d על גבי פלטפורמת טרנזיסטורי HEMT מסוג e שלנו בטכנולוגיית סיליקון־על־מבודד (SOI). תעלה מסוג Enhancement ו־Depletion מתייחסת למצב פתוח (מצב d) או סגור (מצב e) של הטרנזיסטור כשהמתח על המוצא הוא אפס, או במילים אחרות האם זורם דרכו זרם או לא. אנחנו צופים שהמעבר מלוגיקת נגד־טרנזיסטור (RTL) ללוגיקת טרנזיסטורים מסוג FET בחיבור ישיר תשפר את המהירות ותקטין את צריכת האנרגיה של המעגלים,” מסביר סטפן דקוטר.
דיודות שטוקי עם זרמי זליגה נמוכים
שילובן של דיודות שטוקי שיפר עוד יותר את היעילות האנרגטית של מעגלי הספק על בסיס GaN. לעומת דיודות סיליקון, דיודות שטוקי עמידות יותר למתחים גבוהים באותו ערך התנגדות במצב פתוח, או שהתנגדותן נמוכה יותר במצב פתוח עבור אותו מתח פריצה. “האתגר המרכזי בייצור דיודות שטוקי הוא השגת מתח פתיחה נמוך תוך שמירה על זרם זליגה נמוך. לרוע המזל, מתח פתיחה נמוך יותר פירושו מחסום אנרגטי נמוך יותר למניעת זרמי זליגה. למעשה, דיודות שטוקי די ידועות לשמצה בזרמי הזליגה הגבוהים שלהן. ארכיטקטורת GET-SBD (דיודת שטוקי בחיבור אל קצה השער) הקניינית שפיתחה imec מאפשרת להגיע לערך מתח פתיחה נמוך של 0.8 וולט לערך, ובמקביל מקטינה את זרם הזליגה בכמה סדרי גודל לעומת דיודת שטוקי מסורתיות על בסיס GaN,” מוסיף סטפן.
איור 3: מבנה ארכיטקטורת GET-SBD: (משמאל) מתח פתיחה נמוך של 0.91V בטמפרטורה של 25°C בסקאלה חצי-מעריכית; (ימין) זרמי זליגה הפוכים נמוכים (2nA/mm בטמפרטורה של 25°C) בשתי תצורות לוחיות שדה שונות באנודה בטמפרטורה של 25°C ו־150°C.
מיתוג מהיר ומתחים גבוהים
גליום ניטריד (Gan) הוא הבחירה הראשונה ליישומי מתח גבוה משום שמתח הפריצה שלו (המתח שבו נוצר קצר וניצוץ העוברים דרך הרנזיסטור) גדול יותר פי עשרה מזה של סיליקון. ואולי באופן מפתיע, יש לו יתרונות על פני סיליקון גם ביישומי מתח נמוך בזכות מהירויות המיתוג העדיפות שלו. “המעגלים המשולבים על בסיס GaN שפיתחנו סוללים את הדרך לפיתוח ממירי DC-DC ונקודת עומס (PoL) יעילים יותר. כך לדוגמה: טלפונים חכמים, טאבלטים ומחשבים ניידים משתמשים בשבבים שונים שעובדים במתחים שונים, ולכן יש צורך בממירי זרם חילופין (AC) לזרם ישר (DC) כדי לטעון את הסוללה ובממירי נקודת עומס (PoL) ליצירת המתחים השונים לשבבים השונים. לא רק שהרכיבים האלה כוללים מתג, אלא גם שנאים, קבלים ומשרנים. ככל שמהירות המיתוג של הטרנזיסטור גבוהה יותר, כך קטן גודלם של הרכיבים האלה, מה שלבסוף יאפשר למזער את המערכות האלו ולהוזיל את עלותן.”
סטפן דקוטר: “נכון להיום, מטענים מהירים הם השוק הגדול ביותר עבור גליום ניטריד (GaN) ומיד לאחריהם ספקי כוח לשרתים, תעשיית הרכב וענף האנרגיות המתחדשות. ברמת המערכת, אנחנו צופים שספקי כוח על בסיס GaN יהיו אמינים יותר לאורך זמן. גודלם הקטן ומשקלם הנמוך מוזיל את עלויות החומרים ובעקבות כך גם את מחירם.
התקנים אנכיים בפיתוח
“כשפנינו לעתיד, נמשיך להתמקד בשיפור הביצועים של פלטפורמות קיימות ובביצוע בדיקות אמינות נוספות. כיום אנחנו מציעים פלטפורמת 200V ופלטפורמת 600V לצורך בניית אבות טיפוס, ובקרוב נציע גם פלטפורמת 100V. בכל הנוגע למערכות מתח גבוה, מעגלי הספק 1200V על בסיס GaN עם רכיבים מושתלים לא צפויה לשפר את הביצועים באופן משמעותי מכיוון שככל שהמתח גבוה יותר, כך עובדים הרכיבים לאט יותר ולכן ייתכן שאין טעם לשלב את הדרייבר על השבב. נדע יותר אחרי שנריץ הדמיות.”
“בתוך כך, אנחנו בוחנים חלופות עבור בניית התקני 1200V עצמאיים שיאפשרו להביא את טכנולוגיית הגליום ניטריד (GaN) ליישומי מתח גבוה כמו מערכות כוח לשוק הרכב החשמלי. טרנזיסטורים עם ארכיטקטורת מבנה אופקי הם הנפוצים ביותר כיום בשוק. להתקנים האלה שלושה הדקים (מוצא, שער ושפך) הממוקמים באותו מישור על פני השטח, כך שהשדה החשמלי הוא אופקי ומכסה באופן מלא את שכבות החציצה של הגליום ניטריד (GaN) ובאופן חלקי את החלק האחורי (מטליזציה, תחמוצת). בהתקן אנכי לעומת זאת, המוצא והשער נמצאים על פני השטח, בעוד שהשפך נמצא בתחתית המגדל האפיטקסיאלי. במקרה כזה עובר השדה החשמלי דרך המגדל כולו. המרווח הזה בין המוצא לשפך הוא זה שקובע את מתח הפריצה של ההתקן, ומרווח גדול יותר מגן טוב יותר מפני פריצה חשמלית. אולם, אליה וקוץ בה, מכיוון שמרחקים גדולים יותר בין הדקי המוצא והשפך הממוקמים באותו מישור אופקי מונעים את המשך מזעור הרכיבים. מכיוון שבגישה הזאת השבבים עבור מערכות כוח 1200V יהיו פשוט גדולים מדי, ההמלצה היא להשתמש בטרנזיסטורים עם ארכיטקטורת מבנה אופקית במערכות כוח עד למתח של 650V. בארכיטקטורת מבנה אנכית לעומת זאת, גדל עוביו של המגדל האפיטקסיאלי מכיוון שהמוצא והשפוך נמצאים בשני הקצוות שלו, אבל שטח הפנים של השבב אינו גדל!”, מסכם סטפן.
