Reducción del costo de los MOSFET verticales mediante tecnología de corte por láser -- GaN WAFER

Los MOSFET verticales GaN son dispositivos de potencia prometedores para vehículos eléctricos, superando a dispositivos similares de SiC en términos de movilidad del canal, una métrica clave.el alto coste de los sustratos nativos ha obstaculizado su éxito comercial.

Para abordar este problema, varios equipos han estado investigando tecnologías de reciclado de sustratos de GaN. Entre ellos, un equipo colaborativo compuesto por investigadores de Mirise Technologies,Universidad de Nagoya, y Hamamatsu ha afirmado haber llevado a cabo la demostración más completa del éxito de este método.

Según Takashi Ishida, portavoz del equipo de Mirise, los informes anteriores sobre el reciclaje de sustrato de GaN se limitaron a evaluar partes del proceso."Es esencial evaluar las características de los productos fabricados con obleas recicladasNuestro artículo es el primero en informar estos resultados".

Ishida añade que aunque sus resultados son alentadores, se necesita más trabajo antes de que este proceso pueda aplicarse a escala industrial.Dado que los sustratos de GaN deben reciclarse varias veces para reducir los costes de fabricación, es necesario demostrar que los productos cultivados en sustratos después de múltiples rondas de reciclado no se ven afectados negativamente.

Como se muestra en la figura, el proceso de reciclaje del equipo colaborador japonés implica el uso de un láser de 532 nm para separar los dispositivos del sustrato.Esta fuente de luz irradia el sustrato de la cara N, y a través de la absorción de dos fotones en el plano focal, el sustrato se descompone en galio metálico y nitrógeno.

Después de la separación, la cara en N de las virutas es pulida para lograr una superficie lisa, seguida de deposición y envasado de metal.

La superficie de Ga del sustrato liberado se pulió primero, luego se pulió químicamente mecánicamente para lograr una planitud a nivel atómico y luego se utiliza HVPE para depositar una capa de GaN de aproximadamente 90 μm de espesor.Según el equipo, después de este paso adicional de pulido químico mecánico, el sustrato de GaN parece tan bueno como nuevo.

Para evaluar su proceso, el equipo de investigación midió el rendimiento de los MOSFET laterales y los diodos p-n verticales fabricados en la misma oblea.Ambos tipos de dispositivos se formaron a partir de obleas epitaxiales producidas en el proceso MOCVD: primero, una capa de GaN de tipo n de 4 μm de espesor dopada a 1 x 10^17 cm^-3, seguida de una capa de GaN de tipo p de 2 μm de espesor dopada a 5 x 10^17 cm^-3.

El estudio evaluó en primer lugar el rendimiento de ambos tipos de dispositivos antes y después del corte en trozos del sustrato de GaN.Los gráficos de corriente de drenaje y corriente de puerta de MOSFET a diferentes voltajes de puerta y corriente inversa de diodo a diferentes valores de sesgo inverso no mostraron cambios significativos debido al corte por láserEsto llevó al equipo de investigación a concluir que los dispositivos fueron "apenas afectados" por el proceso de dicción,Como el calentamiento de la fuente láser y las tensiones relacionadas con el paso de separación podrían haber tenido un impacto.

Takashi Ishida y sus colegas compararon estas mediciones con las de los MOSFET laterales y los diodos p-n verticales producidos con sustratos reciclados.con una diferencia en la corriente de fuga de la puerta para los MOSFET laterales, atribuido a las variaciones en la calidad del aislante de la puerta.

Según el equipo de investigación, sus hallazgos indican que el rendimiento de los dispositivos no se degradó significativamente después del proceso de reciclaje de GaN.

Takashi Ishida afirma que, además de reciclar los sustratos de GaN, es necesario aumentar su tamaño para que los costes de producción de los dispositivos sean más competitivos.El equipo de investigación está interesado en demostrar su proceso de reciclaje utilizando sustratos de GaN más grandes.

Esto pone de relieve las ventajas de los sustratos de GaN.

• Alta tensión de ruptura: Los sustratos de GaN pueden soportar altos voltajes, lo que los hace ideales para aplicaciones de alta potencia.
• Alta movilidad de los electrones: Los sustratos de GaN presentan una alta movilidad electrónica, lo que contribuye a velocidades de conmutación más rápidas y mayor eficiencia.
• Amplio espacio de banda: GaN tiene una amplia banda, lo que permite que los dispositivos funcionen a temperaturas y voltajes más altos en comparación con los dispositivos basados en silicio.
• Alta conductividad térmica: Los sustratos de GaN tienen una conductividad térmica superior, lo que ayuda a una disipación de calor eficiente y mejora la confiabilidad del dispositivo.
• Baja resistencia: Los dispositivos construidos en sustratos de GaN suelen tener una menor resistencia de encendido, lo que conduce a menores pérdidas de conducción y un mejor rendimiento general.
• Capacidad de alta frecuencia: Los sustratos de GaN son adecuados para aplicaciones de alta frecuencia, incluidas las comunicaciones de RF y microondas.
• La robustez: Los dispositivos GaN son más robustos y pueden soportar condiciones ambientales adversas, por lo que son adecuados para aplicaciones exigentes.
• Tamaño y peso reducidos: Los dispositivos basados en GaN pueden ser más pequeños y más ligeros que sus homólogos de silicio, lo que es beneficioso en aplicaciones donde el espacio y el peso son críticos.
• Mejora de la eficiencia: Las propiedades inherentes del GaN conducen a una mejora de la eficiencia en la conversión de energía, que es crucial para aplicaciones como vehículos eléctricos y sistemas de energía renovable.
• Mejora del rendimiento en ambientes de alta temperatura: Los sustratos de GaN funcionan bien en ambientes de alta temperatura, manteniendo su eficiencia y fiabilidad.
• Posibilidad de reducción de costes: A medida que mejoran los procesos de reciclaje y fabricación de sustratos de GaN, el costo puede reducirse, haciendo que los dispositivos basados en GaN sean más viables comercialmente.
• Compatibilidad con las técnicas de fabricación avanzadas: Los sustratos de GaN se pueden integrar con técnicas de fabricación avanzadas, como el corte con láser, para mejorar aún más el rendimiento del dispositivo y reducir los costos de producción.

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