Miksi Glliumnitridi (GaN) Epitaxy ei kasva GaN-substraatilla?

KasvuGaN epitaksiaGaN-substraatilla on ainutlaatuinen haaste huolimatta materiaalin ylivertaisista ominaisuuksista piiiin verrattuna.GaN epitaksiatarjoaa merkittäviä etuja kaistavälin leveyden, lämmönjohtavuuden ja läpilyöntisähkökentän suhteen piipohjaisiin materiaaleihin verrattuna. Tämä tekee GaN:n käyttöönotosta kolmannen sukupolven puolijohteiden selkäranka, joka tarjoaa paremman jäähdytyksen, pienemmän johtavuushäviön ja paremman suorituskyvyn korkeissa lämpötiloissa ja taajuuksilla, lupaava ja ratkaiseva edistysaskel fotoni- ja mikroelektroniikkateollisuudelle.

GaN ensisijaisena kolmannen sukupolven puolijohdemateriaalina loistaa erityisesti laajan käyttökelpoisuutensa ansiosta ja sitä on pidetty yhtenä tärkeimmistä materiaaleista piin jälkeen. GaN-teholaitteet osoittavat ylivertaisia ​​ominaisuuksia verrattuna nykyisiin piipohjaisiin laitteisiin, kuten korkeamman kriittisen sähkökentän voimakkuuden, alhaisemman päällekytkennän ja nopeammat kytkentätaajuudet, mikä parantaa järjestelmän tehokkuutta ja suorituskykyä korkeissa käyttölämpötiloissa.

GaN-puolijohteiden arvoketjussa, joka sisältää substraatin,GaN epitaksia, laitteen suunnittelun ja valmistuksen, substraatti toimii peruskomponenttina. GaN on luonnollisesti sopivin materiaali toimimaan alustana, jonka päälläGaN epitaksiakasvatetaan, koska se on luontaisesti yhteensopiva homogeenisen kasvuprosessin kanssa. Tämä varmistaa materiaalin ominaisuuksien eroista johtuvan minimaalisen jännityksen, mikä johtaa korkealaatuisten epitaksiaalisten kerrosten syntymiseen verrattuna heterogeenisilla alustoilla kasvatettuihin kerroksiin. Käyttämällä GaN:a substraattina voidaan tuottaa korkealaatuista GaN-epidemologiaa, jonka sisäinen vikatiheys on tuhatkertainen verrattuna substraatteihin, kuten safiiriin. Tämä vähentää merkittävästi LEDien liitoslämpötilaa ja mahdollistaa lumenin kymmenkertaisen lisääntymisen pinta-alayksikköä kohti.

GaN-laitteiden tavanomainen substraatti ei kuitenkaan ole GaN-yksikiteitä niiden kasvuun liittyvien vaikeuksien vuoksi. GaN-yksikiteiden kasvu on edennyt huomattavasti hitaammin kuin tavanomaisissa puolijohdemateriaaleissa. Haasteena on pitkänomaisten ja kustannustehokkaiden GaN-kiteiden viljely. Ensimmäinen GaN-synteesi tapahtui vuonna 1932, jolloin materiaalin kasvattamiseen käytettiin ammoniakkia ja puhdasta metalligalliumia. Siitä lähtien GaN-yksikidemateriaaleja on tutkittu laajasti, mutta haasteita on edelleen. GaN:n kyvyttömyys sulaa normaalipaineessa, sen hajoaminen Ga:ksi ja typeksi (N2) korkeissa lämpötiloissa ja sen dekompressiopaine, joka saavuttaa 6 gigapascalia (GPa) sen sulamispisteessä 2 300 celsiusastetta vaikeuttavat olemassa olevien kasvatuslaitteiden mukauttamista GaN-yksittäisten kiteiden synteesi niin korkeissa paineissa. Perinteisiä sulakasvatusmenetelmiä ei voida käyttää GaN-yksikiteiden kasvattamiseen, mikä edellyttää heterogeenisten substraattien käyttöä epitaksia varten. GaN-pohjaisten laitteiden nykyisessä tilassa kasvu tapahtuu tyypillisesti substraateilla, kuten piillä, piikarbidilla ja safiirilla, sen sijaan, että käytettäisiin homogeenista GaN-substraattia, mikä vaikeuttaa GaN-epitaksaalisten laitteiden kehitystä ja haittaa sovelluksia, jotka vaativat homogeenista alustaa. kasvanut laite.

GaN-epitaksissa käytetään useita substraatteja:

1. Safiiri:Safiiri tai α-Al2O3 on laajimmin levinnyt kaupallinen LED-substraatti, joka valloittaa merkittävän osan LED-markkinoista. Sen käyttöä ennustettiin sen ainutlaatuisista eduista, erityisesti GaN-epitaksiaalisen kasvun yhteydessä, joka tuottaa kalvoja, joilla on yhtä alhainen dislokaatiotiheys kuin piikarbidisubstraateilla kasvatetut. Sapphiren valmistukseen liittyy sulan kasvu, kypsä prosessi, joka mahdollistaa korkealaatuisten, teolliseen käyttöön soveltuvien yksittäiskiteiden valmistuksen alhaisemmilla kustannuksilla ja suurempikokoisina. Tämän seurauksena safiiri on yksi varhaisimmista ja yleisimmistä substraateista LED-teollisuudessa.

2. piikarbidi:Piikarbidi (SiC) on neljännen sukupolven puolijohdemateriaali, joka on safiirin jälkeen toisella sijalla LED-substraattien markkinaosuudella. Piikarbidille on tunnusomaista sen erilaiset kidemuodot, jotka luokitellaan pääasiassa kolmeen luokkaan: kuutio (3C-SiC), kuusikulmainen (4H-SiC) ja romboedrinen (15R-SiC). Suurin osa SiC-kiteistä on 3C, 4H ja 6H, ja 4H- ja 6H-SiC-tyyppejä käytetään GaN-laitteiden substraatteina.

Piikarbidi on erinomainen valinta LED-substraatiksi. Siitä huolimatta korkealaatuisten, isojen SiC-yksikiteiden valmistus on edelleen haastavaa, ja materiaalin kerrosrakenne tekee siitä alttiita halkeamiselle, mikä vaikuttaa sen mekaaniseen eheyteen, mikä saattaa aiheuttaa pintavirheitä, jotka vaikuttavat epitaksiaalikerroksen laatuun. Yksikiteisen piikarbidisubstraatin hinta on noin useita kertoja samankokoisen safiirialustan hinta, mikä rajoittaa sen laajaa käyttöä sen korkealaatuisen hinnoittelun vuoksi.

Semicorex  850 V:n suuritehoinen GaN-on-Si Epi Wafer

3. Yksikiteinen silikoni:Pii, joka on laajimmin käytetty ja teollisesti vakiintunut puolijohdemateriaali, tarjoaa vankan perustan GaN-epitaksiaalisten substraattien valmistukseen. Kehittyneiden yksikiteisten piin kasvatustekniikoiden saatavuus takaa korkealaatuisten 6-12 tuuman substraattien kustannustehokkaan ja laajamittaisen tuotannon. Tämä vähentää merkittävästi LEDien kustannuksia ja tasoittaa tietä LED-sirujen ja integroitujen piirien integroinnille käyttämällä yksikiteisiä piisubstraatteja, mikä edistää miniatyrisointia. Lisäksi verrattuna safiiriin, joka on tällä hetkellä yleisin LED-substraatti, piipohjaisilla laitteilla on etuja lämmönjohtavuuden, sähkönjohtavuuden, pystysuorien rakenteiden valmistamisen ja paremman sopivuuden suhteen suuritehoiseen LED-valmistukseen.**