Redução do custo dos MOSFETs verticais usando a tecnologia de corte a laser - GaN WAFER

Os GaN Vertical MOSFETs são dispositivos de potência promissores para veículos elétricos, superando dispositivos de SiC semelhantes em termos de mobilidade do canal, uma métrica chave.O elevado custo dos substratos nativos prejudicou o seu sucesso comercial.

Para resolver esta questão, várias equipas têm investigado tecnologias de reciclagem de substrato de GaN, entre as quais uma equipa colaborativa composta por investigadores da Mirise Technologies,Universidade de Nagoya, e Hamamatsu afirmou ter conduzido a demonstração mais abrangente do sucesso deste método.

De acordo com Takashi Ishida, porta-voz da equipe do Mirise, relatórios anteriores sobre reciclagem de substrato de GaN foram limitados a avaliar partes do processo."É essencial avaliar as características dos dispositivos fabricados a partir de wafers recicladosO nosso artigo é o primeiro a relatar estes resultados".

Ishida acrescenta que, embora os resultados sejam encorajadores, é necessário mais trabalho antes que este processo possa ser aplicado em escala industrial.Uma vez que os substratos de GaN precisam ser reciclados várias vezes para reduzir os custos de fabrico, é necessário demonstrar que os dispositivos cultivados em substratos após várias rodadas de reciclagem não são afectados negativamente.

Como mostrado na figura, o processo de reciclagem da equipa colaboradora japonesa envolve o uso de um laser de 532 nm para separar dispositivos do substrato.Esta fonte de luz irradia o substrato da face N, e através da absorção de dois fótons no plano focal, o substrato se decompõe em gálio metálico e nitrogênio.

Após a separação, a face N das fichas é polida para obter uma superfície lisa, seguida de deposição de metal e embalagem.

A face de Ga do substrato liberado é primeiramente polida, depois polida quimicamente mecanicamente para alcançar a planície a nível atômico e, em seguida, o HVPE é usado para depositar uma camada de GaN de aproximadamente 90 μm de espessura.De acordo com a equipe, após essa etapa adicional de polimento químico mecânico, o substrato de GaN parece bom como novo.

Para avaliar seu processo, a equipe de pesquisa mediu o desempenho de MOSFETs laterais e diodos p-n verticais fabricados na mesma wafer.Ambos os tipos de dispositivos foram formados a partir de wafers epitaxial produzidos no processo MOCVD: primeiro, uma camada de GaN do tipo n de 4 μm de espessura dopada a 1 x 10^17 cm^-3, seguida por uma camada de GaN do tipo p de 2 μm de espessura dopada a 5 x 10^17 cm^-3.

O estudo avaliou primeiro o desempenho de ambos os tipos de dispositivos antes e após o corte em pedaços do substrato de GaN.Os gráficos da corrente de drenagem do MOSFET e da corrente da porta em diferentes voltagens da porta e da corrente reversa do diodo em diferentes valores de desvio inverso não mostraram alterações significativas devido ao corte a laserIsto levou a equipa de investigação a concluir que os dispositivos foram "apenas afetados" pelo processo de corte em pedaços,Como o aquecimento da fonte de laser e as tensões relacionadas com a etapa de separação podem ter tido um impacto.

Takashi Ishida e seus colegas compararam estas medições com as de MOSFETs laterais e diodos p-n verticais produzidos usando substratos reciclados.com uma diferença na corrente de vazamento da porta para os MOSFETs laterais, atribuída a variações na qualidade do isolante de porta.

De acordo com a equipe de pesquisa, suas descobertas indicam que o desempenho dos dispositivos não se degradou significativamente após o processo de reciclagem de GaN.

Takashi Ishida afirma que, para além da reciclagem dos substratos de GaN, é necessário aumentar o seu tamanho para tornar os custos de produção dos dispositivos mais competitivos.A equipa de investigação está interessada em demonstrar o seu processo de reciclagem utilizando substratos maiores de GaN.

Isto destaca as vantagens dos substratos de GaN.

• Alta tensão de ruptura: Os substratos de GaN podem suportar altas tensões, tornando-os ideais para aplicações de alta potência.
• Alta mobilidade de elétrons: Os substratos de GaN apresentam alta mobilidade eletrônica, o que contribui para velocidades de comutação mais rápidas e maior eficiência.
• Ampla distância de banda: O GaN tem uma banda larga, permitindo que os dispositivos operem a temperaturas e voltagens mais elevadas em comparação com os dispositivos baseados em silício.
• Alta condutividade térmica: Os substratos de GaN têm uma condutividade térmica superior, o que ajuda na dissipação de calor eficiente e aumenta a confiabilidade do dispositivo.
• Baixa resistência: Dispositivos construídos em substratos de GaN normalmente têm menor resistência de ligação, levando a menores perdas de condução e melhor desempenho geral.
• Capacidade de alta frequência: Os substratos de GaN são adequados para aplicações de alta frequência, incluindo comunicações de RF e microondas.
• Robustez: Os dispositivos GaN são mais robustos e podem suportar condições ambientais adversas, tornando-os adequados para aplicações exigentes.
• Dimensão e peso reduzidos: Dispositivos baseados em GaN podem ser menores e mais leves do que seus homólogos de silício, o que é benéfico em aplicações onde o espaço e o peso são críticos.
• Melhoria da eficiência: As propriedades inerentes do GaN levam a uma melhor eficiência na conversão de energia, o que é crucial para aplicações como veículos elétricos e sistemas de energia renovável.
• Melhoria do desempenho em ambientes de alta temperatura: Os substratos de GaN apresentam um bom desempenho em ambientes de alta temperatura, mantendo a sua eficiência e fiabilidade.
• Potencial de redução de custos: À medida que os processos de reciclagem e fabricação de substratos de GaN melhoram, o custo pode ser reduzido, tornando os dispositivos baseados em GaN mais viáveis comercialmente.
• Compatibilidade com técnicas de fabrico avançadas: Os substratos de GaN podem ser integrados com técnicas de fabricação avançadas, como o corte a laser, para melhorar ainda mais o desempenho do dispositivo e reduzir os custos de produção.

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