Die rasante Expansion von KI-Rechenzentren verändert die Anforderungen an Leistungshalbleiterbauelemente. Höhere GPU-Leistungsdichte, steigende Rack-Leistung und die wachsende Nachfrage nach effizienten AC/DC- und DC/DC-Wandlungen beschleunigen die Einführung von Wide-Bandgap-Halbleitern wie Galliumnitrid.

Unter den verschiedenen GaN-Plattformen hat GaN-on-Silicon besondere Aufmerksamkeit erregt, da es die elektrischen Vorteile von GaN mit der Fertigungsinfrastruktur von Siliziumwafern kombiniert.

Heute werden 200-mm-GaN-on-Si-Wafer bereits weit verbreitet für die Entwicklung und Herstellung von Leistungs- und HF-Bauelementen eingesetzt, während 300-mm-GaN-on-Si zunehmend als möglicher Weg zu einer größeren Produktionsmenge und einer tieferen Integration mit Mainstream-Halbleiterfabriken untersucht wird.

Der Übergang von 200 mm auf 300 mm ist jedoch keine einfache Vergrößerung des Waferdurchmessers. Waferverzug, Spannungen in der Pufferschicht, Epitaxie-Gleichmäßigkeit, Defektkontrolle und Fab-Kompatibilität werden alle anspruchsvoller.

Dieser Artikel erklärt die wichtigsten Unterschiede zwischen 200-mm- und 300-mm-GaN-on-Silicon-Wafern für KI-Leistungselektronik.

Warum GaN-on-Silicon für KI-Leistungselektronik wichtig ist

KI-Server erfordern mehrere Stufen der Leistungsumwandlung.

Typische Anwendungen umfassen:

• Rechenzentrums-Netzteile
• Server AC/DC-Wandler
• 48V-Stromversorgungsarchitekturen
• Zwischenbuswandler
• Hochfrequenz-DC/DC-Wandler
• Stromversorgung für GPUs und KI-Beschleuniger
• Telekommunikations-Stromversorgungssysteme
• Schnittstellen für Batteriespeicher

GaN-Bauelemente können bei höheren Schaltfrequenzen als herkömmliche Silizium-MOSFETs betrieben werden, was kleinere Induktoren, Transformatoren und Kondensatoren ermöglicht.

Dies kann helfen zu verbessern:

• Leistungsdichte
• Umwandlungseffizienz
• Systemgröße
• Thermische Leistung
• Schaltgeschwindigkeit

GaN-on-Si ist besonders attraktiv, da Siliziumsubstrate in großen Durchmessern erhältlich sind und mit einem Großteil der in der bestehenden Halbleiterfertigung verwendeten Geräte kompatibel sind.

Was ist ein GaN-on-Silicon-Wafer?

Ein GaN-on-Silicon-Wafer besteht normalerweise aus mehreren Schichten.

Eine vereinfachte Struktur kann umfassen:

Siliziumsubstrat
↓
Keimbildungsschicht
↓
Spannungsmanagement- oder Übergangsschichten
↓
GaN-Pufferschicht
↓
GaN-Kanalschicht
↓
AlGaN-Barriere oder Geräteepitaxie

Die genaue Struktur hängt von der Geräteanwendung ab.

Für GaN-Leistungselektronik kann der Epitaxiestapel optimiert werden für:

• Hohe Durchbruchspannung
• Niedriger Leckstrom
• Niedriger dynamischer RDS(on)
• Hohe Elektronenmobilität
• Geringe Trapping-Effekte
• Hohe Wafer-Gleichmäßigkeit

Da GaN und Silizium sehr unterschiedliche Gitterkonstanten und Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, sind hochentwickelte Pufferstrukturen erforderlich.

Diese Pufferschichten werden bei zunehmendem Waferdurchmesser besonders wichtig.

200-mm-GaN-on-Si-Wafer

200-mm- oder 8-Zoll-GaN-on-Silicon-Wafer sind zu einer wichtigen Plattform für die kommerzielle Herstellung von GaN-Leistungsbauelementen geworden.

Das 200-mm-Format bietet ein Gleichgewicht zwischen Fertigungsreife und Wafer-Skalen-Produktivität.

Typische Vorteile sind:

• Etablierte 200-mm-Silizium-Fab-Infrastruktur
• Ausgereifte Wafer-Handling-Ausrüstung
• Geringeres Entwicklungsrisiko
• Einfacheres Waferverzugsmanagement
• Besser etablierte GaN-Epitaxieprozesse
• Geringere anfängliche Ausrüstungsinvestitionen im Vergleich zu 300 mm

Für viele GaN-Bauelementehersteller bleibt 200 mm eine praktikable Wahl für Leistungsbauelemente, die für Rechenzentren, Verbrauchernetzteile, EV-Hilfssysteme und industrielle Leistungselektronik bestimmt sind.

Typische 200-mm-GaN-on-Si-Parameter

Spezifikationen hängen von der Epitaxiestruktur ab, aber typische Parameter können umfassen:

Durchmesser: 200 mm

Substrat: Si (111)

Siliziumdicke: ca. 725 µm

GaN-Epi-Dicke: anwendungsabhängig

Leitfähigkeit: halbisolierend oder gerätespezifisches Pufferdesign

Oberfläche: Epi-bereit oder vollständige GaN-Epitaxie

Verzug: gesteuert gemäß den Anforderungen des Geräteprozesses

Warp: gesteuert für Lithografie und Wafer-Handling

Oberflächenrauheit: typischerweise sub-Nanometer-Niveau für Oberflächen in Gerätequalität

Partikelkontrolle: Halbleiterqualität

Für fertige GaN-Epi-Wafer können zusätzliche Parameter umfassen:

• Schichtwiderstand
• 2DEG-Dichte
• Elektronenmobilität
• Pufferleckage
• Durchbruchspannung
• Gleichmäßigkeit der Epitaxiedicke

Warum die Industrie an 300-mm-GaN-on-Si interessiert ist

300-mm-Wafer sind Standard in der fortschrittlichen Siliziumhalbleiterfertigung.

Die Verlagerung von GaN auf eine 300-mm-Plattform könnte mehrere langfristige Vorteile bieten.

Der wichtigste ist die Fertigungsskala.

Ein 300-mm-Wafer hat eine deutlich größere nutzbare Fläche als ein 200-mm-Wafer, was potenziell die Herstellung von mehr Bauelementen pro Wafer ermöglicht.

Für Hochvolumenanwendungen wie KI-Rechenzentrums-Leistungselektronik kann dies letztendlich die Fertigungswirtschaftlichkeit verbessern.

Weitere potenzielle Vorteile sind:

• Zugang zu fortschrittlicher 300-mm-Fab-Infrastruktur
• Höhere Automatisierungsgrade
• Mehr Dies pro Wafer
• Bessere Integration mit CMOS-Fertigung
• Kompatibilität mit fortschrittlichen Verpackungsökosystemen
• Potenzielle Reduzierung der Bauelementkosten bei hoher Produktionsmenge

Diese Vorteile sind jedoch nur dann sinnvoll, wenn die GaN-Epitaxie strenge Anforderungen an die Waferqualität erfüllen kann.

Das ist der schwierige Teil.

Waferverzug: Eine der größten Herausforderungen bei 300 mm

Waferverzug ist einer der wichtigsten Parameter bei der Skalierung von GaN-on-Si von 200 mm auf 300 mm.

GaN und Silizium haben sehr unterschiedliche Gitterparameter und Wärmeausdehnungsverhalten.

Während des Epitaxiewachstums bei erhöhter Temperatur baut sich mechanischer Stress im Wafer auf.

Nachdem der Wafer abgekühlt ist, kann dieser Stress dazu führen, dass sich das Substrat biegt.

Je größer der Waferdurchmesser wird, desto schwieriger wird die Spannungskontrolle.

Übermäßiger Verzug kann Probleme verursachen während:

• Lithografie
• Wafer-Chucking
• Spin-Coating
• Ätzen
• Ionenimplantation
• Metallisierung
• CMP
• Automatisierter Wafer-Transport

Bei 300-mm-GaN-on-Si wird die Verzugskontrolle entscheidend, da moderne Halbleitergeräte auf strengen Wafergeometriegrenzen basieren.

Ein Wafer, der nicht richtig auf einem Vakuum-Chuck sitzt, ist möglicherweise nicht mit Standardproduktionsgeräten kompatibel.

Wie der Verzug kontrolliert wird

GaN-Epitaxie-Lieferanten verwenden verschiedene Techniken zur Spannungsbewältigung.

Dazu können gehören:

• AlN-Keimbildungsschichten
• AlGaN-Übergangsschichten
• Zusammensetzungsgradierte Puffer
• Supergitterstrukturen
• Kohlenstoffdotierte GaN-Puffer
• Spannungskompensationsschichten
• Optimierte Siliziumsubstratdicke

Das Design des Pufferstapels beeinflusst direkt sowohl die Wafergeometrie als auch die elektrische Leistung.

Pufferschichten werden bei 300 mm wichtiger

Die Pufferstruktur in GaN-on-Si ist nicht nur eine mechanische Übergangsschicht.

Sie beeinflusst auch stark die Bauelementleistung.

Ein richtig konzipierter Puffer muss bieten:

• Spannungskompensation
• Elektrische Isolation
• Niedriger Leckstrom
• Hohe Durchbruchspannung
• Niedrige Versetzungsdichte
• Geringe Trapping-Effekte
• Stabile Bauelementleistung

Für Hochspannungs-Leistungsbauelemente ist die Pufferleckage besonders wichtig.

Ein schlechtes Pufferdesign kann führen zu:

• Vorzeitiger Durchbruch
• Stromkollaps
• Erhöhte Leckage
• Verschlechterung des dynamischen RDS(on)

Beim Übergang zu 300 mm muss die Pufferstruktur über eine viel größere Waferfläche hinweg gleichmäßig bleiben.

Dies macht die Epitaxieprozesskontrolle deutlich anspruchsvoller.

Epitaxie-Gleichmäßigkeit: 200 mm vs. 300 mm

Gleichmäßigkeit ist ein weiterer wichtiger Unterschied.

Für GaN-Leistungsbauelemente sollten die folgenden Eigenschaften über den Wafer hinweg konstant bleiben:

• GaN-Dicke
• AlGaN-Dicke
• Aluminiumzusammensetzung
• Schichtwiderstand
• Elektronenmobilität
• 2DEG-Dichte
• Oberflächenrauheit
• Spannung
• Defektdichte

Auf einem 200-mm-Wafer ist die Erzielung einer guten Gleichmäßigkeit von Zentrum zu Rand bereits eine Herausforderung.

Auf einem 300-mm-Wafer werden Gasströmung, Temperaturverteilung und Vorläuferlieferung komplizierter.

Kleine Temperaturschwankungen können beeinflussen:

• Wachstumsrate
• Legierungszusammensetzung
• Schichtdicke
• Elektrische Eigenschaften

Daher erfordert die 300-mm-GaN-Epitaxie ein hochoptimiertes MOCVD-Reaktordesign und eine Prozesskontrolle.

Defektdichte

GaN, das auf Silizium gewachsen ist, ist ein heteroepitaktisches Materialsystem.

Fadenförmige Versetzungen sind daher unvermeidlich.

Typische Defekttypen können umfassen:

• Randversetzungen
• Schraubenversetzungen
• Gemischte Versetzungen
• Stapeldefekte
• Risse
• Poren
• Partikel

Für Leistungsbauelemente können diese Defekte beeinflussen:

• Leckstrom
• Durchbruchspannung
• Zuverlässigkeit
• Bauelementausbeute

Die Skalierung auf 300 mm macht die Wafer-Level-Defektkartierung immer wichtiger.

Fortschrittliche Inspektionssysteme können verwendet werden, um die Defektverteilung über den gesamten Wafer zu überwachen.

Kostenvergleich

Auf den ersten Blick erscheint 300 mm wirtschaftlicher, da mehr Bauelemente pro Wafer hergestellt werden können.

Der Waferdurchmesser allein bestimmt jedoch nicht die Gesamtkosten der Bauelemente.

Wichtige Kostenfaktoren sind:

• Kosten für Siliziumsubstrate
• MOCVD-Wachstumszeit
• Auslastung der Epitaxiereaktoren
• Waferausbeute
• Bauelementausbeute
• Lithografiekosten
• Inspektionskosten
• Abschreibung der Ausrüstung

Heute profitiert 200-mm-GaN-on-Si im Allgemeinen von größerer Fertigungsreife.

Für geringe und mittlere Produktionsmengen kann 200 mm daher wirtschaftlicher bleiben.

300 mm wird besonders attraktiv, wenn die Produktionsmenge hoch genug ist, um die Vorteile der groß angelegten Fab-Infrastruktur zu nutzen.

Fab-Kompatibilität

Einer der stärksten Gründe für die Entwicklung von 300-mm-GaN-on-Si ist die Kompatibilität mit Silizium-Fabs.

Ein GaN-Wafer kann jedoch nicht automatisch in eine Standard-Siliziumproduktionslinie gelangen.

Mehrere Probleme müssen berücksichtigt werden.

Wafergeometrie

Der Wafer muss die Geräteanforderungen erfüllen für:

• Durchmesser
• Dicke
• Verzug
• Warp
• Randprofil

Kontamination

Die GaN-Fertigung führt Elemente wie Gallium und Aluminium ein.

Silizium-Fabs haben oft strenge Regeln zur Kontaminationskontrolle.

Daher können dedizierte Prozessmodule oder Strategien zur Kontaminationsbewältigung erforderlich sein.

Thermischer Budget

GaN-Epitaxie kann Hochtemperaturprozesse beinhalten, die sich von der Standard-CMOS-Fertigung unterscheiden.

Nachgeschaltete Prozesse müssen daher sorgfältig konzipiert werden.

Wafer-Handling

Robotersysteme, FOUPs, Ausrichtgeräte und Lithografiegeräte müssen den Wafer korrekt erkennen und handhaben.

300-mm-GaN-Wafer müssen daher sehr strenge Geometrie- und Randvorgaben einhalten.

Vergleich 200 mm vs. 300 mm GaN-on-Si

200 mm GaN-on-Si

Vorteile:

• Reiferes Fertigungsökosystem
• Geringeres technisches Risiko
• Etablierte GaN-Leistungsproduktion
• Einfachere Verzugskontrolle
• Geringere Entwicklungskosten

Am besten geeignet für:

• Kommerzielle GaN-Leistungsbauelemente
• HF-Bauelemente
• Rechenzentrums-Netzteile
• Schnellladegeräte
• Industrielle Leistungselektronik
• Automobil-Hilfssysteme

300 mm GaN-on-Si

Vorteile:

• Mehr Bauelemente pro Wafer
• Fortschrittliche Fab-Kompatibilität
• Höheres Automatisierungspotenzial
• Potenzieller Kostenvorteil bei hoher Stückzahl
• Starke Integration mit fortschrittlicher Halbleiterfertigung

Herausforderungen:

• Waferverzug
• Spannungskontrolle
• Epitaxie-Gleichmäßigkeit
• Defektmanagement
• Kontaminationskontrolle
• Höhere Komplexität der Prozessentwicklung

Am besten geeignet für:

• Zukünftige Massenfertigung von GaN
• KI-Rechenzentrums-Leistungselektronik
• Hochdichte Leistungsintegrationsschaltungen
• Integrierte Leistungshalbleiterplattformen

Welche Parameter sollten Käufer angeben?

Bei der Anforderung von GaN-on-Silicon-Wafern sollten Käufer mehr als nur den Waferdurchmesser angeben.

Wichtige RFQ-Parameter sind:

Waferdurchmesser

200 mm oder 300 mm.

Siliziumausrichtung

Si (111) wird üblicherweise für die GaN-Epitaxie verwendet.

Waferdicke

Nenn- und Toleranzdicke angeben.

GaN-Struktur

Geben Sie an, ob Sie benötigen:

• GaN-Vorlage
• GaN-Epi-Wafer
• AlGaN/GaN-HEMT-Struktur
• Hochspannungs-GaN-Leistungsstruktur

Epitaxiedicke

Erforderliche Schichtdicken angeben.

Elektrische Parameter

Abhängig von der Bauelementstruktur, angeben:

• Schichtwiderstand
• Elektronenmobilität
• Trägerkonzentration
• Leckstrom

Wafergeometrie

Wichtige Parameter sind:

• TTV
• Verzug
• Warp

Oberflächenqualität

Angeben:

• Oberflächenrauheit
• Partikelanzahl
• Kratzeranforderungen
• Randabschluss

Defektanforderungen

Für fortschrittliche Bauelementfertigung kann auch eine Wafer-Level-Defektkartierung erforderlich sein.

Welcher Durchmesser ist besser für KI-Leistungselektronik?

Es gibt keine allgemeingültige Antwort.

Für die aktuelle Herstellung von GaN-Leistungsbauelementen bietet 200 mm eine ausgereifte und kommerziell praktikable Plattform.

Für zukünftige Massenfertigung von KI-Leistungselektronik kann 300 mm GaN-on-Si wichtige Fertigungsvorteile bieten.

Die erfolgreiche Einführung von 300 mm hängt jedoch von der Lösung mehrerer Material- und Prozessherausforderungen ab.

Die wichtigsten sind:

• Waferverzugskontrolle
• Spannungsingenieurwesen
• Gleichmäßige Epitaxie
• Wachstum mit geringen Defekten
• Elektrische Isolation
• Fab-Kompatibilität

In vielen Fällen ist die Epitaxiequalität wichtiger als der Waferdurchmesser selbst.

Ein schlecht kontrollierter 300-mm-Wafer wird einen gut optimierten 200-mm-GaN-Wafer nicht übertreffen, nur weil er größer ist.

Schlussfolgerung

Der Übergang von 200 mm auf 300 mm GaN-on-Silicon stellt einen wichtigen Schritt in Richtung einer größeren GaN-Fertigung dar.

Für KI-Leistungselektronik sind die potenziellen Vorteile erheblich.

Größere Wafer können mehr Bauelemente pro Wafer, verbesserte Fab-Automatisierung und eine bessere Integration mit fortschrittlicher Halbleiterfertigungsinfrastruktur ermöglichen.

Die Skalierung der GaN-Epitaxie auf 300 mm bringt jedoch große Herausforderungen bei Waferverzug, Spannungen in der Pufferschicht, Epitaxie-Gleichmäßigkeit und Defektkontrolle mit sich.

Für Bauelementehersteller und Forschungsinstitute sollte die Waferauswahl daher nicht nur den Waferdurchmesser, sondern auch die vollständige Epitaxiestruktur und die Wafergeometrie berücksichtigen.

Für GaN-on-Silicon-Projekte sollten Käufer detaillierte Anforderungen angeben, einschließlich Wafergröße, Siliziumausrichtung, GaN-Struktur, Epitaxiedicke, Verzug, Warp, elektrische Parameter und Zielgeräteanwendung.

Eine gut definierte Spezifikation ermöglicht die Optimierung der GaN-Waferstruktur für den spezifischen Leistungshalbleiterprozess und hilft, das Entwicklungsrisiko während der Waferqualifizierung und Skalierung zu reduzieren.