واکاوی فیزیک رفتار گذرا و چالش های پایداری حرارتی در ترانزیستورهای قدرت GaN (نیترات گالیم) تحت استرس های کلیدزنی فرکانس بالا

واکاوی فیزیک رفتار گذرا و چالش های پایداری حرارتی در ترانزیستورهای قدرت GaN (نیترات گالیم) تحت استرس های کلیدزنی فرکانس بالا

با اشباع ظرفیت های عملیاتی سیلیکون در کاربردهای الکترونیک قدرت، ادوات مبتنی بر نیمه هادی های با شکاف انرژی پهن (Wide Bandgap) و در راس آن ها نیترات گالیم (GaN)، به عنوان پیشران اصلی در افزایش چگالی توان مطرح شده اند. اما این جهش تکنولوژیک بدون هزینه نبوده است. چالش اصلی که ذهن پژوهشگران ارشد را به خود مشغول کرده، پدیده «فرار حرارتی در مقیاس میکروسکوپی» و «تله اندازی بار» در لایه های ناهمگون (Heterostructure) این ادوات است.
برخلاف ترانزیستورهای سنتی، GaN به دلیل سرعت بسیار بالای کلیدزنی، با پدیده هایی روبرو می شود که در آن گرما نه به صورت یکنواخت، بلکه در نقاط فوق العاده کوچک (Hotspots) در نزدیکی لبه گیت متمرکز می شود. اهمیت علمی این مسئله در آنجاست که عدم درک دقیق این رفتار گذرا می تواند منجر به تخریب ناگهانی قطعه، حتی در ولتاژهایی بسیار پایین تر از ولتاژ شکست اسمی شود؛ پدیده ای که قابلیت اطمینان سیستم های قدرت مدرن را در کاربردهایی نظیر ایستگاه های شارژ سریع و مبدل های فضایی به چالش می کشد.

در این یادداشت فنی، تحلیل بر پایه مفروضات و شرایط مرزی زیر استوار است:
* ساختار قطعه: ترانزیستور مورد تحلیل از نوع HEMT (High Electron Mobility Transistor) بر پایه لایه AlGaN/GaN فرض می شود که در آن یک گاز الکترون دوبعدی (2DEG) با چگالی و تحرک پذیری بالا عامل اصلی هدایت است.
* شرایط عملیاتی: کلیدزنی در فرکانس های مگاهرتزی با نرخ تغییرات ولتاژ (dv/dt) و جریان (di/dt) بسیار بالا مد نظر است.
* مدل حرارتی: تمرکز اصلی بر «مقاومت حرارتی گذرا» در لایه های نانومتری فعال قطعه است، جایی که ثابت زمانی حرارتی با سرعت سوئیچینگ الکتریکی هم پوشانی پیدا می کند.
* توصیف فیزیکی: رفتار حامل های بار نه به صورت یک سیال یکنواخت، بلکه با در نظر گرفتن اثر تله های سطحی و بارهای فضایی در مرز ناهمگونی ها تحلیل می شود.

تحلیل رفتار این قطعات مستلزم کالبدشکافی فرآیندهایی است که در بازه های زمانی نانوثانیه رخ می دهند:
الف) دینامیک تشکیل و فروپاشی گاز الکترون دوبعدی (2DEG):
در قلب یک GaN HEMT، هدایت الکتریکی مدیون لایه نازک الکترون هایی است که به دلیل اختلاف پلاریزاسیون فیزیکی بین AlGaN و GaN در مرز مشترک آن ها انباشته می شوند. در لحظه کلیدزنی، این ابر الکترونی باید با سرعت فوق العاده زیاد شکل گرفته یا تخلیه شود. برخلاف MOSFETهای سیلیکونی که وابسته به تزریق حامل های اقلیت یا اکثریت در حجم نیمه هادی هستند، در اینجا جابجایی بار تنها در یک لایه اتمی رخ می دهد. این فشردگی مسیر جریان باعث می شود که چگالی جریان در لحظات گذرا به ارقام خیره کننده ای برسد که منجر به برخورد شدید الکترون ها با شبکه کریستالی (Phonon Scattering) و تولید گرمای آنی در فضایی بسیار محدود می شود.
ب) پدیده تله اندازی بار (Charge Trapping) و اثر زانویی:
یکی از پیچیده ترین رفتارهای فیزیکی در GaN، حبس شدن الکترون ها در تله های انرژی موجود در سطح یا در بدنه لایه AlGaN است. در ولتاژهای بالا، الکترون های پرانرژی ("الکترون های داغ") از کانال خارج شده و در این تله ها گرفتار می شوند. این بارهای محبوس، یک میدان الکتریکی معکوس ایجاد می کنند که باعث تخلیه موضعی کانال 2DEG می شود. نتیجه مهندسی این پدیده، افزایش ناگهانی مقاومت در حالت روشن (Dynamic Rds-on) است. این افزایش مقاومت، به نوبه خود تلفات هدایتی را بالا برده و یک چرخه بازخورد مثبت حرارتی ایجاد می کند: گرمای بیشتر باعث فعال شدن تله های بیشتر و افزایش مجدد مقاومت می شود.
ج) استرس میدان الکتریکی در لبه گیت:
به دلیل ساختار مسطح این ترانزیستورها، بیشترین تمرکز میدان الکتریکی در لبه درین سمت گیت رخ می دهد. در زمان سوئیچینگ خاموش، خطوط میدان در این ناحیه به شدت متراکم می شوند. اگر طراحی لایه های غیرفعال ساز (Passivation) دقیق نباشد، این تمرکز میدان باعث تسریع پدیده تله اندازی و حتی یونیزاسیون ضربه ای می شود. این فرآیند نه تنها بازدهی را کاهش می دهد، بلکه با ایجاد نقاط داغ میکروسکوپی، باعث خستگی ساختاری در شبکه کریستالی و کاهش طول عمر قطعه می گردد.

برای مقابله با این چالش های فیزیکی، رویکردهای متعددی در سطح طراحی قطعه و مدار پیشنهاد شده است:
* استفاده از صفحات میدانی (Field Plates): این تکنیک شامل اضافه کردن لایه های فلزی متصل به گیت یا سورس بر روی لایه عایق است تا خطوط میدان الکتریکی را باز توزیع کرده و تمرکز آن را در لبه گیت کاهش دهد.
* تحلیل انتقادی: اگرچه این روش به شدت پدیده تله اندازی را کاهش می دهد، اما باعث افزایش ظرفیت های خازنی پارازیتی (Cgs و Cgd) می شود که به طور مستقیم سرعت کلیدزنی را محدود کرده و تلفات سوئیچینگ را افزایش می دهد. یافتن نقطه بهینه بین ایزولاسیون میدان و سرعت سوئیچینگ، یکی از پیچیده ترین مسائل طراحی در سطح ماسک است.
* بسترهای با رسانایی حرارتی بالا (GaN-on-SiC): استفاده از کاربید سیلیکون به جای سیلیکون به عنوان بستر اصلی.
* تحلیل انتقادی: SiC رسانایی حرارتی بسیار بالاتری دارد و به تخلیه گرمای نقاط داغ کمک شایانی می کند. با این حال، تفاوت در ضریب انبساط حرارتی و ثابت شبکه بین GaN و SiC می تواند باعث ایجاد عیوب ساختاری (Dislocations) در لایه فعال شود که خود تله های انرژی جدیدی ایجاد می کنند. علاوه بر این، هزینه تمام شده این بسترها مانع بزرگی برای کاربردهای عمومی است.

از تحلیل های فوق می توان استنتاج کرد که برتری نیترات گالیم در فرکانس های بالا، به طور ذاتی با چالش های حرارتی و الکتریکی در مقیاس اتمی گره خورده است. پایداری حرارتی در این ادوات یک پارامتر استاتیک نیست، بلکه یک ویژگی کاملا دینامیک و وابسته به تاریخچه سوئیچینگ قطعه است. مهندس طراح نباید تنها به مقاومت حرارتی ذکر شده در برگه مشخصات قطعه اکتفا کند؛ چرا که تلفات ناشی از مقاومت دینامیکی (Dynamic Rds-on) می تواند به مراتب فراتر از مقاومت استاتیک باشد. موفقیت در به کارگیری این تکنولوژی مستلزم یک طراحی یکپارچه است که در آن مدیریت میدان الکتریکی در سطح نیمه هادی با استراتژی های کنترلی برای محدود کردن نرخ تغییرات ولتاژ (dv/dt) همگام شده باشد.

با توجه به محدودیت های فیزیکی لایه های غیرفعال ساز فعلی، چگونه می توان از مواد دی الکتریک با ضریب گذردهی بالا (High-k) در ساختار Field Plateها استفاده کرد تا بدون افزایش چشمگیر ظرفیت های پارازیتی، کنترل کامل تری بر توزیع بار فضایی در فرکانس های فراتر از ۱۰ مگاهرتز داشت؟ همچنین، نقش آلایش های نوین در لایه بافر برای کاهش رانش بار در شرایط دمایی فوق العاده بالا چگونه خواهد بود؟
مایل هستید در یادداشت بعدی به واکاوی معماری درایورهای گیت اختصاصی برای این قطعات و چالش های "روشن شدن کاذب" در پل های قدرت بپردازیم؟