Réduction du coût des MOSFET verticaux à l'aide de la technologie de découpe laser - GaN WAFER

Les MOSFET verticaux GaN sont des appareils de puissance prometteurs pour les véhicules électriques, dépassant les appareils SiC similaires en termes de mobilité des canaux, une mesure clé.le coût élevé des substrats natifs a entravé leur succès commercial.

Pour répondre à cette question, plusieurs équipes ont étudié les technologies de recyclage des substrats GaN, dont une équipe collaborative composée de chercheurs de Mirise Technologies,Université de Nagoya, et Hamamatsu a prétendu avoir mené la démonstration la plus complète du succès de cette méthode.

Selon Takashi Ishida, porte-parole de l'équipe Mirise, les rapports précédents sur le recyclage du substrat GaN se limitaient à l'évaluation de certaines parties du processus."Il est essentiel d'évaluer les caractéristiques des dispositifs fabriqués à partir de plaquettes recycléesNotre article est le premier à rendre compte de ces résultats".

Ishida ajoute que, bien que leurs résultats soient encourageants, il reste encore beaucoup à faire avant que ce procédé ne puisse être appliqué à l'échelle industrielle.Étant donné que les substrats GaN doivent être recyclés plusieurs fois pour réduire les coûts de fabrication,, il est nécessaire de démontrer que les dispositifs cultivés sur des substrats après plusieurs cycles de recyclage ne sont pas affectés négativement.

Comme le montre la figure, le processus de recyclage de l'équipe collaborative japonaise consiste à utiliser un laser de 532 nm pour séparer les dispositifs du substrat.Cette source lumineuse irradie le substrat de la face N, et par absorption de deux photons au plan focal, le substrat se décompose en gallium métallique et en azote.

Après séparation, la face en N des copeaux est poli pour obtenir une surface lisse, suivie d'un dépôt métallique et d'un emballage.

La face Ga du substrat libéré est d'abord poli, puis poli chimiquement mécaniquement pour atteindre une planéité au niveau atomique, puis HVPE est utilisé pour déposer une couche GaN d'environ 90 μm d'épaisseur.Selon l'équipe, après cette étape de polissage chimique mécanique supplémentaire, le substrat GaN apparaît comme neuf.

Pour évaluer leur processus, l'équipe de recherche a mesuré les performances des MOSFET latéraux et des diodes p-n verticales fabriquées sur la même plaque.Les deux types d'appareils ont été formés à partir de plaquettes épitaxiennes produites dans le processus MOCVD: d'abord, une couche de GaN de type n de 4 μm d'épaisseur dopée à 1 x 10^17 cm^-3, suivie d'une couche de GaN de type p de 2 μm d'épaisseur dopée à 5 x 10^17 cm^-3.

L'étude a d'abord évalué les performances des deux types de dispositifs avant et après le découpage du substrat GaN.Les graphiques du courant d'écoulement et du courant de la porte MOSFET à différentes tensions de la porte et du courant inverse de la diode à différentes valeurs de biais inverse n'ont montré aucun changement significatif en raison de la découpe au laserCela a conduit l'équipe de recherche à conclure que les appareils ont été "à peine affectés" par le processus de découpe,Comme le chauffage de la source laser et les contraintes liées à l'étape de séparation pourraient avoir eu un impact.

Takashi Ishida et ses collègues ont comparé ces mesures à celles des MOSFET latéraux et des diodes p-n verticales produites à l'aide de substrats recyclés.avec une différence de courant de fuite de la porte pour les MOSFET latéraux, attribuables à des variations de la qualité de l'isolant de porte.

Selon l'équipe de recherche, leurs résultats indiquent que les performances des dispositifs ne se sont pas considérablement détériorées après le processus de recyclage du GaN.

Takashi Ishida déclare qu'en plus de recycler les substrats GaN, il est nécessaire d'augmenter leur taille pour rendre les coûts de production des dispositifs plus compétitifs.L'équipe de recherche est intéressée à démontrer leur processus de recyclage en utilisant de plus grands substrats GaN.

Cela met en évidence les avantages des substrats GaN.

• Voltage de rupture élevé: Les substrats GaN peuvent supporter des tensions élevées, ce qui les rend idéaux pour les applications à haute puissance.
• Mobilité élevée des électrons: Les substrats GaN présentent une grande mobilité électronique, ce qui contribue à des vitesses de commutation plus rapides et à un rendement plus élevé.
• Large bande passante: Le GaN a une large bande passante, ce qui permet aux appareils de fonctionner à des températures et des tensions plus élevées que les appareils à base de silicium.
• Conductivité thermique élevée: Les substrats GaN ont une conductivité thermique supérieure, ce qui contribue à une dissipation de chaleur efficace et améliore la fiabilité du dispositif.
• Faible résistance: Les dispositifs construits sur des substrats GaN ont généralement une résistance à l'allumage plus faible, ce qui entraîne des pertes de conduction plus faibles et des performances globales améliorées.
• Capacité à haute fréquence: Les substrats GaN conviennent aux applications à haute fréquence, y compris les communications RF et micro-ondes.
• Résilience: Les dispositifs GaN sont plus robustes et peuvent résister à des conditions environnementales difficiles, ce qui les rend adaptés à des applications exigeantes.
• Diminution de la taille et du poids: Les appareils à base de GaN peuvent être plus petits et plus légers que leurs homologues en silicium, ce qui est bénéfique dans les applications où l'espace et le poids sont critiques.
• Amélioration de l'efficacité: Les propriétés inhérentes du GaN conduisent à une efficacité améliorée de la conversion d'énergie, ce qui est crucial pour des applications telles que les véhicules électriques et les systèmes d'énergie renouvelable.
• Amélioration des performances dans des environnements à haute température: Les substrats GaN fonctionnent bien dans des environnements à haute température, en maintenant leur efficacité et leur fiabilité.
• Le potentiel de réduction des coûts: Au fur et à mesure que les processus de recyclage et de fabrication des substrats GaN s'améliorent, le coût peut être réduit, ce qui rend les dispositifs à base de GaN plus viables sur le plan commercial.
• Compatibilité avec les techniques de fabrication avancées: Les substrats GaN peuvent être intégrés à des techniques de fabrication avancées, telles que la découpe laser, afin d'améliorer encore les performances des appareils et de réduire les coûts de production.

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