Reduzierung der Kosten für vertikale MOSFETs mit Hilfe der Laser-Dicing-Technologie -- GaN WAFER

Vertical MOSFETs sind vielversprechende Antriebsgeräte für Elektrofahrzeuge und übertreffen ähnliche SiC-Geräte in Bezug auf die Kanalmobilität, eine wichtige Kennzahl.Die hohen Kosten für einheimische Substrate haben ihren kommerziellen Erfolg beeinträchtigt.

Um dieses Problem zu lösen, haben verschiedene Teams Technologien für das Recycling von GaN-Substraten untersucht, darunter ein Team aus Forschern von Mirise Technologies,Universität Nagoya, und Hamamatsu hat behauptet, die umfassendste Demonstration des Erfolgs dieser Methode durchgeführt zu haben.

Nach Angaben von Takashi Ishida, einem Sprecher des Mirise-Teams, beschränkten sich frühere Berichte über das Recycling von GaN-Substraten auf die Bewertung von Teilen des Prozesses."Es ist unerlässlich, die Eigenschaften von Geräten zu bewerten, die auf recycelten Wafern hergestellt werden."Unser Papier ist das erste, das diese Ergebnisse berichtet".

Ishida fügt hinzu, daß ihre Ergebnisse zwar ermutigend sind, aber noch mehr Arbeit erforderlich ist, bevor dieser Prozess im industriellen Maßstab angewendet werden kann.Da GaN-Substrate mehrfach recycelt werden müssen, um die Herstellungskosten zu senken, muss nachgewiesen werden, dass die auf Substraten angebauten Produkte nach mehreren Recyclingrunden nicht beeinträchtigt werden.

Wie in der Abbildung gezeigt, beinhaltet der Recyclingprozess des japanischen Kooperationsteams die Verwendung eines 532 nm-Lasers zur Trennung von Geräten vom Substrat.Diese Lichtquelle strahlt das Substrat von der N-Seite, und durch Zwei-Photonen-Absorption in der Brennfläche zerfällt das Substrat in metallisches Gallium und Stickstoff.

Nach der Trennung wird die N-Fläche der Chips poliert, um eine glatte Oberfläche zu erzielen, gefolgt von Metalldeposition und Verpackung.

Die Ga-Fläche des freigesetzten Substrats wird zunächst poliert, dann chemisch mechanisch poliert, um eine Flachheit auf atomarer Ebene zu erreichen, und dann wird HVPE verwendet, um eine GaN-Schicht mit einer Dicke von etwa 90 μm abzulassen.Nach Angaben des Teams erscheint das GaN-Substrat nach diesem zusätzlichen chemisch-mechanischen Poliervorgang wie neu.

Um ihren Prozess zu bewerten, maß das Forscherteam die Leistung von seitlichen MOSFETs und vertikalen p-n-Dioden, die auf derselben Wafer hergestellt wurden.Beide Arten von Geräten wurden aus epitaxialen Wafern hergestellt, die im MOCVD-Prozess hergestellt wurden: zunächst eine 4 μm dicke GaN-Schicht des n-Typs, die bei 1 x 10^17 cm^-3 doppiert wurde, gefolgt von einer 2 μm dicke GaN-Schicht des p-Typs, die bei 5 x 10^17 cm^-3 doppiert wurde.

Die Studie untersuchte zunächst die Leistung beider Arten von Geräten vor und nach dem GaN-Substratdicken.Grafiken des MOSFET-Abflussstroms und des Torstroms bei unterschiedlichen Torspannungen und des Diodenumkehrstroms bei unterschiedlichen Umkehrverzerrungswerten zeigten keine signifikanten Veränderungen aufgrund des LaserdieckensDies führte dazu, dass das Forscherteam zu dem Schluss kam, dass die Geräte "wenig beeinflusst" wurden,Da die Erwärmung der Laserquelle und die Belastungen im Zusammenhang mit dem Trennschritt einen Einfluss gehabt haben könnten.

Takashi Ishida und seine Kollegen verglichen diese Messungen mit denen seitlicher MOSFETs und vertikaler p-n-Dioden, die mit recycelten Substraten hergestellt wurden.mit einer Differenz im Torleckstrom für die seitlichen MOSFETs, die auf Unterschiede in der Qualität des Torisolators zurückzuführen sind.

Nach Angaben des Forschungsteams deuten ihre Ergebnisse darauf hin, dass sich die Leistung der Geräte nach dem GaN-Recyclingprozess nicht signifikant verschlechterte.

Nach Angaben von Takashi Ishida ist neben dem Recycling von GaN-Substraten eine Erhöhung ihrer Größe erforderlich, um die Produktionskosten der Geräte wettbewerbsfähiger zu machen.Das Forschungsteam ist daran interessiert, ihren Recyclingprozess mit größeren GaN-Substraten zu demonstrieren.

Dies unterstreicht die Vorteile von GaN-Substraten.

• Hochspannung: GaN-Substrate können hohe Spannungen bewältigen und sind somit ideal für Hochleistungsanwendungen geeignet.
• Hohe Elektronenmobilität: GaN-Substrate weisen eine hohe Elektronenmobilität auf, was zu schnelleren Schaltgeschwindigkeiten und höherem Wirkungsgrad beiträgt.
• Weite Bandbreite: GaN hat eine große Bandbreite, so dass Geräte bei höheren Temperaturen und Spannungen im Vergleich zu Geräten auf Siliziumbasis arbeiten können.
• Hohe Wärmeleitung: GaN-Substrate weisen eine überlegene Wärmeleitfähigkeit auf, was zu einer effizienten Wärmeableitung beiträgt und die Zuverlässigkeit des Geräts erhöht.
• Niedriger Widerstand: Geräte, die auf GaN-Substraten gebaut sind, weisen typischerweise einen geringeren Einschaltwiderstand auf, was zu geringeren Leitverlusten und einer verbesserten Gesamtleistung führt.
• Hochfrequenzfähigkeit: GaN-Substrate eignen sich für Hochfrequenzanwendungen, einschließlich HF- und Mikrowellenkommunikation.
• Robustheit: GaN-Geräte sind robuster und können rauen Umweltbedingungen standhalten, was sie für anspruchsvolle Anwendungen geeignet macht.
• Größe und Gewicht reduziert: Geräte auf GaN-Basis können kleiner und leichter sein als ihre Silizium-Gegenstücke, was in Anwendungen, in denen Platz und Gewicht kritisch sind, von Vorteil ist.
• Verbesserte Effizienz: Die inhärenten Eigenschaften von GaN führen zu einer verbesserten Effizienz bei der Energieumwandlung, die für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge und Systeme erneuerbarer Energien von entscheidender Bedeutung ist.
• Verbesserte Leistung in hochtemperaturen Umgebungen: GaN-Substrate funktionieren gut in hochtemperaturen Umgebungen und erhalten ihre Effizienz und Zuverlässigkeit.
• Möglichkeiten zur Kostensenkung: Da sich die Recycling- und Herstellungsprozesse für GaN-Substrate verbessern, können die Kosten reduziert werden, wodurch Geräte auf GaN-Basis kommerziell rentabler werden.
• Kompatibilität mit fortgeschrittenen Herstellungsverfahren: GaN-Substrate können mit fortschrittlichen Fertigungstechniken wie dem Laserdiecken integriert werden, um die Leistung des Geräts weiter zu verbessern und die Produktionskosten zu senken.

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