L’expansion rapide des centres de données d’IA modifie les exigences en matière de dispositifs à semi-conducteurs de puissance. Une densité de puissance GPU plus élevée, une puissance de rack croissante et une demande croissante de conversion AC/DC et DC/DC efficaces accélèrent l'adoption de semi-conducteurs à large bande interdite tels que le nitrure de gallium.

Parmi les différentes plateformes GaN,GaN sur siliciuma attiré une attention particulière car il combine les avantages électriques du GaN avec l’infrastructure de fabrication des tranches de silicium.

Aujourd'hui, les plaquettes GaN-sur-Si de 200 mm sont déjà largement utilisées pour le développement et la fabrication de dispositifs de puissance et RF, tandis que le GaN-sur-Si de 300 mm est de plus en plus étudié comme voie potentielle vers une production en plus grand volume et une intégration plus profonde avec les usines de semi-conducteurs traditionnelles.

Cependant, passer de 200 mm à 300 mm ne consiste pas simplement à augmenter le diamètre des plaquettes. L'arc des plaquettes, la contrainte de la couche tampon, l'uniformité de l'épitaxie, le contrôle des défauts et la compatibilité des usines deviennent tous plus difficiles.

Cet article explique les principales différences entre les plaquettes GaN sur silicium de 200 mm et 300 mm pour l'électronique de puissance de l'IA.

Pourquoi le GaN sur silicium est important pour l'électronique de puissance de l'IA

Les serveurs IA nécessitent plusieurs étapes de conversion de puissance.

Les applications typiques incluent :

• Blocs d'alimentation pour centres de données
• Convertisseurs AC/DC pour serveur
• Architectures d'alimentation 48 V
• Convertisseurs de bus intermédiaires
• Convertisseurs DC/DC haute fréquence
• Alimentation électrique pour les GPU et les accélérateurs d'IA
• Systèmes d'alimentation en télécommunications
• Interfaces de stockage d'énergie par batterie

Les dispositifs GaN peuvent fonctionner à des fréquences de commutation plus élevées que les MOSFET au silicium conventionnels, permettant ainsi des inductances, transformateurs et condensateurs plus petits.

Cela peut aider à améliorer :

• Densité de puissance
• Efficacité de conversion
• Taille du système
• Performance thermique
• Vitesse de commutation

Le GaN-sur-Si est particulièrement intéressant car les substrats de silicium sont disponibles en grands diamètres et sont compatibles avec la plupart des équipements utilisés dans la fabrication de semi-conducteurs existants.

Qu'est-ce qu'une plaquette GaN sur silicium ?

Une plaquette de GaN sur silicium se compose normalement de plusieurs couches.

Une structure simplifiée peut inclure :

Substrat de silicium
↓
Couche de nucléation
↓
Gestion du stress ou couches de transition
↓
Couche tampon GaN
↓
Couche de canal GaN
↓
Barrière AlGaN ou dispositif d'épitaxie

La structure exacte dépend de l'application de l'appareil.

Pour l'électronique de puissance GaN, la pile épitaxiale peut être optimisée pour :

• Tension de claquage élevée
• Faible courant de fuite
• RDS à faible dynamique (activé)
• Mobilité électronique élevée
• Faible piégeage
• Haute uniformité des plaquettes

Étant donné que le GaN et le silicium ont des constantes de réseau et des coefficients de dilatation thermique très différents, des structures tampons sophistiquées sont nécessaires.

Ces couches tampons deviennent particulièrement importantes lorsque le diamètre des plaquettes augmente.

Plaquettes GaN-sur-Si de 200 mm

Les plaquettes GaN sur silicium de 200 mm ou 8 pouces sont devenues une plate-forme importante pour la fabrication commerciale de dispositifs de puissance GaN.

Le format 200 mm offre un équilibre entre maturité de fabrication et productivité à l’échelle d’une tranche.

Les avantages typiques incluent :

• Infrastructure de fabrication de silicium de 200 mm établie
• Équipement de manipulation de plaquettes matures
• Risque de développement moindre
• Gestion plus facile de l'arc de la plaquette
• Des procédés d’épitaxie GaN mieux établis
• Investissement initial en équipement inférieur par rapport au 300 mm

Pour de nombreux fabricants de dispositifs GaN, le 200 mm reste un choix pratique pour les dispositifs d'alimentation destinés aux centres de données, aux alimentations grand public, aux systèmes auxiliaires pour véhicules électriques et à l'électronique de puissance industrielle.

Paramètres typiques du GaN-sur-Si de 200 mm

Les spécifications dépendent de la structure épitaxiale, mais les paramètres typiques peuvent inclure :

Diamètre : 200 mm

Substrat : Si (111)

Épaisseur du silicium : environ 725 µm

Épaisseur GaN epi : en fonction de l'application

Conductivité : conception de tampon semi-isolant ou spécifique à l'appareil

Surface : epi-ready ou épitaxie GaN complète

Arc : contrôlé selon les exigences du processus de l'appareil

Warp : contrôlé pour la lithographie et la manipulation des plaquettes

Rugosité de surface : niveau généralement inférieur au nanomètre pour les surfaces de qualité appareil

Contrôle des particules : qualité semi-conducteur

Pour les tranches GaN epi finies, des paramètres supplémentaires peuvent inclure :

• Résistance de la feuille
• Densité 2DEG
• Mobilité électronique
• Fuite de tampon
• Tension de claquage
• Uniformité de l'épaisseur épitaxiale

Pourquoi l'industrie s'intéresse au GaN-sur-Si de 300 mm

Les tranches de 300 mm sont la norme dans la fabrication avancée de semi-conducteurs en silicium.

Déplacer le GaN sur une plate-forme de 300 mm pourrait offrir plusieurs avantages à long terme.

Le plus important est l’échelle de fabrication.

Une tranche de 300 mm a une surface utilisable nettement plus grande qu'une tranche de 200 mm, ce qui permet potentiellement de fabriquer davantage de dispositifs par tranche.

Pour les applications à grand volume telles que l’électronique de puissance des centres de données IA, cela pourrait éventuellement améliorer l’économie de fabrication.

Parmi les autres avantages potentiels figurent :

• Accès à une infrastructure de fabrication avancée de 300 mm
• Niveaux d'automatisation plus élevés
• Plus de matrices par tranche
• Meilleure intégration avec la fabrication CMOS
• Compatibilité avec les écosystèmes d'emballage avancés
• Réduction potentielle du coût des appareils en cas de volume de production élevé

Cependant, ces avantages ne sont significatifs que si l’épitaxie GaN peut répondre à des exigences strictes en matière de qualité des plaquettes.

C'est la partie la plus difficile.

Wafer Bow : l’un des plus grands défis du 300 mm

L'arc de la plaquette est l'un des paramètres les plus importants lors de la mise à l'échelle du GaN-sur-Si de 200 mm à 300 mm.

Le GaN et le silicium ont des paramètres de réseau et un comportement de dilatation thermique très différents.

Lors de la croissance épitaxiale à température élevée, des contraintes mécaniques s'accumulent à l'intérieur de la tranche.

Une fois la tranche refroidie, cette contrainte peut provoquer une courbure du substrat.

Plus le diamètre de la plaquette est grand, plus le contrôle des contraintes devient difficile.

Un arc excessif peut créer des problèmes lors de :

• Lithographie
• Mandrin de plaquettes
• Revêtement par rotation
• Gravure
• Implantation ionique
• Métallisation
• CMP
• Gestion automatisée des plaquettes

Pour le GaN-sur-Si de 300 mm, le contrôle de l'arc devient critique car les équipements semi-conducteurs modernes sont conçus autour de limites strictes de géométrie des plaquettes.

Une plaquette qui ne peut pas être posée correctement sur un mandrin à vide peut ne pas être compatible avec l'équipement de production standard.

Comment l'arc est contrôlé

Les fournisseurs d’épitaxie GaN utilisent plusieurs techniques pour gérer le stress.

Ceux-ci peuvent inclure :

• Couches de nucléation AlN
• Couches de transition AlGaN
• Tampons classés selon la composition
• Structures de super-réseau
• Tampons GaN dopés au carbone
• Couches de compensation de déformation
• Épaisseur du substrat de silicium optimisée

La conception de la pile tampon influence directement à la fois la géométrie des plaquettes et les performances électriques.

Les couches tampons deviennent plus importantes à 300 mm

La structure tampon du GaN-sur-Si n'est pas simplement une couche de transition mécanique.

Cela affecte également fortement les performances de l’appareil.

Une zone tampon correctement conçue doit fournir :

• Compensation du stress
• Isolation électrique
• Faible courant de fuite
• Tension de claquage élevée
• Faible densité de luxations
• Faible piégeage
• Performances stables de l'appareil

Pour les appareils électriques à haute tension, les fuites de tampon sont particulièrement importantes.

Une mauvaise conception du tampon peut entraîner :

• Panne prématurée
• Effondrement actuel
• Augmentation des fuites
• Dégradation RDS(on) dynamique

Lors du passage à 300 mm, la structure tampon doit rester uniforme sur une zone de tranche beaucoup plus grande.

Cela rend le contrôle du processus d’épitaxie nettement plus exigeant.

Uniformité de l'épitaxie : 200 mm contre 300 mm

L'uniformité est une autre différence importante.

Pour les dispositifs d’alimentation GaN, les propriétés suivantes doivent rester cohérentes sur l’ensemble de la tranche :

• Épaisseur de GaN
• Épaisseur d'AlGaN
• Composition de l'aluminium
• Résistance de la feuille
• Mobilité électronique
• Densité 2DEG
• Rugosité de la surface
• Stresser
• Densité des défauts

Sur une plaquette de 200 mm, obtenir une bonne uniformité du centre au bord est déjà un défi.

Sur une plaquette de 300 mm, le flux de gaz, la répartition de la température et l'administration des précurseurs deviennent plus compliqués.

De petites variations de température peuvent affecter :

• Taux de croissance
• Composition de l'alliage
• Épaisseur de couche
• Propriétés électriques

En conséquence, l’épitaxie GaN de 300 mm nécessite une conception de réacteur MOCVD et un contrôle de processus hautement optimisés.

Densité des défauts

Le GaN cultivé sur silicium est un système de matériaux hétéroépitaxiaux.

Les luxations du filetage sont donc inévitables.

Les types de défauts typiques peuvent inclure :

• Luxations de bord
• Luxations de vis
• Luxations mixtes
• Défauts d'empilement
• Fissures
• Fosses
• Particules

Pour les appareils électriques, ces défauts peuvent influencer :

• Courant de fuite
• Tension de claquage
• Fiabilité
• Rendement de l'appareil

La mise à l'échelle jusqu'à 300 mm rend la cartographie des défauts au niveau de la tranche de plus en plus importante.

Des systèmes d'inspection avancés peuvent être utilisés pour surveiller la répartition des défauts sur l'ensemble de la tranche.

Comparaison des coûts

À première vue, 300 mm semble plus économique car davantage de dispositifs peuvent être fabriqués à partir de chaque tranche.

Cependant, le diamètre de la plaquette ne détermine pas à lui seul le coût total du dispositif.

Les facteurs de coût importants comprennent :

• Coût du substrat de silicium
• Temps de croissance du MOCVD
• Utilisation du réacteur d'épitaxie
• Rendement des plaquettes
• Rendement de l'appareil
• Coût de la lithographie
• Coût de l'inspection
• Amortissement du matériel

Aujourd’hui, le GaN-sur-Si 200 mm bénéficie généralement d’une plus grande maturité de fabrication.

Pour des volumes de production faibles et moyens, le 200 mm peut donc rester plus économique.

Le 300 mm devient particulièrement attrayant lorsque le volume de production est suffisamment élevé pour tirer parti d’une infrastructure de fabrication à grande échelle.

Compatibilité de fonderie

L’une des principales raisons de développer du GaN-sur-Si de 300 mm est la compatibilité avec les usines de fabrication de silicium.

Cependant, une plaquette de GaN ne peut pas entrer automatiquement dans une chaîne de production de silicium standard.

Plusieurs questions doivent être considérées.

Géométrie des plaquettes

La plaquette doit répondre aux exigences d’équipement pour :

• Diamètre
• Épaisseur
• Arc
• Chaîne
• Profil de bord

Contamination

La fabrication du GaN introduit des éléments tels que le gallium et l'aluminium.

Les usines de fabrication de silicium ont souvent des règles strictes en matière de contrôle de la contamination.

Des modules de processus dédiés ou des stratégies de gestion de la contamination peuvent donc être nécessaires.

Budget thermique

L'épitaxie GaN peut impliquer des processus à haute température qui diffèrent de la fabrication CMOS standard.

Le traitement en aval doit donc être conçu avec soin.

Manipulation des plaquettes

Les systèmes robotisés, les FOUP, les aligneurs et les outils de lithographie doivent reconnaître et manipuler correctement la plaquette.

Les plaquettes GaN de 300 mm doivent donc suivre des spécifications de géométrie et de bords très strictes.

Comparaison GaN-sur-Si 200 mm et 300 mm

GaN-sur-Si de 200 mm

Avantages :

• Un écosystème manufacturier plus mature
• Risque technique réduit
• Production d’énergie GaN établie
• Contrôle de l'arc plus facile
• Coût de développement réduit

Idéal pour :

• Appareils d'alimentation GaN commerciaux
• Appareils RF
• Alimentations pour centres de données
• Chargeurs rapides
• Electronique de puissance industrielle
• Systèmes auxiliaires automobiles

GaN-sur-Si 300 mm

Avantages :

• Plus d'appareils par tranche
• Compatibilité fab avancée
• Potentiel d’automatisation plus élevé
• Avantage potentiel en termes de coûts pour les volumes élevés
• Forte intégration avec la fabrication avancée de semi-conducteurs

Défis :

• Arc de plaquette
• Contrôle du stress
• Uniformité de l'épitaxie
• Gestion des défauts
• Contrôle des contaminations
• Complexité de développement de processus plus élevée

Idéal pour :

• Future fabrication de GaN à grand volume
• Électronique de puissance du centre de données IA
• CI de puissance haute densité
• Plateformes de semi-conducteurs de puissance intégrées

Quels paramètres les acheteurs doivent-ils spécifier ?

Lors de la demande de plaquettes GaN sur silicium, les acheteurs doivent fournir un diamètre supérieur au diamètre de la plaquette.

Les paramètres importants de la demande de prix incluent :

Diamètre de la plaquette

200 mm ou 300 mm.

Orientation du silicium

Le Si (111) est couramment utilisé pour l'épitaxie GaN.

Épaisseur de la plaquette

Spécifiez l’épaisseur nominale et la tolérance.

Structure GaN

Précisez si vous avez besoin de :

• Modèle GaN
• Plaquette GaN épi
• Structure AlGaN/GaN HEMT
• Structure de puissance GaN haute tension

Épaisseur épitaxiale

Spécifiez les épaisseurs de couche requises.

Paramètres électriques

En fonction de la structure de l'appareil, précisez :

• Résistance de la feuille
• Mobilité électronique
• Concentration de porteurs
• Courant de fuite

Géométrie des plaquettes

Les paramètres importants incluent :

• TTV
• Arc
• Chaîne

Qualité des surfaces

Spécifier:

• Rugosité de la surface
• Niveau de particules
• Exigences de grattage
• Exclusion de bord

Exigences relatives aux défauts

Pour la fabrication de dispositifs avancés, une cartographie des défauts au niveau de la tranche peut également être nécessaire.

Quel diamètre est le meilleur pour l’électronique de puissance AI ?

Il n’y a pas de réponse universelle.

Pour la fabrication actuelle de dispositifs de puissance GaN, le 200 mm offre une plate-forme mature et commercialement pratique.

Pour les futurs composants électroniques de puissance de l’IA à grand volume, le GaN-sur-Si de 300 mm pourrait offrir d’importants avantages en matière de fabrication.

Cependant, l’adoption réussie du 300 mm dépend de la résolution de plusieurs problèmes liés aux matériaux et aux processus.

Les plus importants comprennent :

• Commande d'arc de plaquette
• Ingénierie des contraintes
• Epitaxie uniforme
• Croissance à faible défaut
• Isolation électrique
• Compatibilité fonderie

Dans de nombreux cas, la qualité de l’épitaxie est plus importante que le diamètre de la tranche elle-même.

Une plaquette de 300 mm mal contrôlée ne surpassera pas une plaquette GaN de 200 mm bien optimisée simplement parce qu'elle est plus grande.

Conclusion

La transition du GaN sur silicium de 200 mm à 300 mm représente une étape importante vers une fabrication de GaN en plus grand volume.

Pour l’électronique de puissance de l’IA, les avantages potentiels sont significatifs.

Des tranches plus grandes peuvent permettre d'augmenter le nombre de dispositifs par tranche, d'améliorer l'automatisation de la fabrication et une meilleure intégration avec l'infrastructure avancée de fabrication de semi-conducteurs.

Cependant, la mise à l'échelle de l'épitaxie GaN jusqu'à 300 mm présente des défis majeurs en termes de courbure des tranches, de contrainte de la couche tampon, d'uniformité de l'épitaxie et de contrôle des défauts.

Pour les fabricants de dispositifs et les instituts de recherche, la sélection des plaquettes doit donc prendre en compte non seulement le diamètre de la plaquette, mais également la structure épitaxiale complète et la géométrie de la plaquette.

Pour les projets GaN sur silicium, les acheteurs doivent fournir des exigences détaillées, notamment la taille de la tranche, l'orientation du silicium, la structure du GaN, l'épaisseur épitaxiale, l'arc, la déformation, les paramètres électriques et l'application du dispositif cible.

Une spécification bien définie permet d'optimiser la structure des plaquettes GaN pour le processus spécifique du dispositif de puissance et contribue à réduire les risques de développement lors de la qualification et de la mise à l'échelle des plaquettes.