Sissejuhatus kolmanda põlvkonna pooljuhtidesse: GaN ja sellega seotud epitaksiaaltehnoloogiad

1. Kolmanda põlvkonna pooljuhid

(1) Esimese põlvkonna pooljuhid

Esimese põlvkonna pooljuhttehnoloogia põhineb sellistel materjalidel nagu räni (Si) ja germaanium (Ge). Need materjalid panid aluse transistoride ja integraallülituste (IC) tehnoloogiale, mis omakorda pani aluse 20. sajandi elektroonikatööstusele.

(2) Teise põlvkonna pooljuhid
Teise põlvkonna pooljuhtmaterjalid hõlmavad peamiselt galliumarseniidi (GaAs), indiumfosfiidi (InP), galliumfosfiidi (GaP), indiumarseniidi (InAs), alumiiniumarseniidi (AlAs) ja nende kolmekomponentseid ühendeid. Need materjalid moodustavad optoelektroonilise teabetööstuse selgroo, mis on toonud kaasa valgustuse, kuvari, laseri, fotogalvaanilise ja muude seotud tööstusharude arengu. Neid kasutatakse laialdaselt kaasaegses infotehnoloogia ja optoelektroonilise kuvaritööstuses.

(3) Kolmanda põlvkonna pooljuhid
Kolmanda põlvkonna pooljuhtide tüüpilised materjalid on galliumnitriid (GaN) ja ränikarbiid (SiC). Tänu laiale ribalaiusele, suure elektronide küllastumise triivi kiirusele, kõrgele soojusjuhtivusele ja suurele läbilöögivõimega elektriväljadele sobivad need materjalid ideaalselt suure võimsustiheduse, kõrge sagedusega ja väikese kadudega elektroonikaseadmete jaoks. SiC toiteseadmetel on kõrge energiatihedus, madal energiatarve ja väike suurus, mistõttu need sobivad kasutamiseks elektrisõidukites, fotogalvaanilises energias, raudteetranspordis ja suurandmete sektorites. GaN RF-seadmetel on kõrge sagedus, suur võimsus, lai ribalaius, madal energiatarve ja väike suurus, mis on kasulikud 5G-side, asjade Interneti (IoT) ja sõjaliste radarirakenduste jaoks. Lisaks kasutatakse GaN-põhiseid toiteseadmeid nüüd laialdaselt madalpingerakendustes. Uued galliumoksiidi (Ga2O3) materjalid näitavad ka potentsiaali olemasolevate SiC ja GaN tehnoloogiate täiendamiseks, eriti madala sagedusega kõrgepinge rakendustes.

Võrreldes teise põlvkonna pooljuhtmaterjalidega on kolmanda põlvkonna materjalidel laiemad ribalaiused (tüüpilise Si ribalaius on umbes 1,1 eV, GaAs umbes 1,42 eV, GaN aga üle 2,3 eV), tugevam kiirgustakistus, suurem elektrivälja purunemise jõudlus ja parem. vastupidavus kõrgele temperatuurile. Need omadused muudavad kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalid eriti sobivaks kiirguskindlate, kõrgsageduslike, suure võimsusega ja suure integratsioonitihedusega elektroonikaseadmete jaoks. Nad teevad suuri edusamme mikrolaine raadiosagedusseadmete, LED-ide, laserite ja toiteseadmete vallas ning näitavad paljutõotavaid väljavaateid mobiilside, nutivõrkude, raudteetranspordi, elektrisõidukite, tarbeelektroonika ning ultraviolett- ja sinakasrohelise valgusega seadmetes[1].

Joonis 1: GaN-i toiteseadmete turu suurus ja prognoos

2. GaN-i struktuur ja omadused

Galliumnitriid (GaN) on otse ribalaiusega pooljuht, mille vurtsiitstruktuuris on ribalaius toatemperatuuril ligikaudu 3,26 eV. GaN esineb peamiselt kolmes kristalses struktuuris: wurtsiit, tsinkblende ja kivisool. Wurtsiidi struktuur on nende seas kõige stabiilsem.Joonisel 2 on kujutatud GaN kuusnurkne wurtsiidi struktuur. Wurtzite struktuuris kuulub GaN kuusnurksesse tihedalt pakitud konfiguratsiooni. Iga rakk sisaldab 12 aatomit, sealhulgas 6 lämmastiku (N) aatomit ja 6 galliumi (Ga) aatomit. Iga Ga (N) aatom on seotud 4 lähima N (Ga) aatomiga, moodustades virnastava järjestuse [0001] suunas ABABAB… mustriga[2].

Joonis 2: GaN-ühikraku wurtsiidi struktuur

3. GaN Epitaxy tavalised substraadid

Esmapilgul näib homoepitaksia GaN-i substraatidel olevat GaN-i epitaksia jaoks optimaalne valik. Kuid tänu GaN kõrgele sidemeenergiale on selle sulamistemperatuuril (2500 °C) vastav lagunemisrõhk ligikaudu 4,5 GPa. Sellest rõhust madalamal GaN ei sula, vaid laguneb otse. See muudab traditsioonilised substraadi ettevalmistamise tehnikad, nagu Czochralski meetod, GaN monokristall-substraatide valmistamiseks sobimatuks. Järelikult on GaN substraate raske masstootmine ja need on kulukad. Seetõttu on GaN-i epitaksika jaoks tavaliselt kasutatavad substraadid Si, SiC ja safiir [3].

Joonis 3: GaN ja tavaliste substraadimaterjalide parameetrid

(1) GaN Epitaxy on Sapphire

Safiir on keemiliselt stabiilne, odav ja masstootmises kõrge küpsusastmega, mistõttu on see pooljuhtseadmete valmistamisel üks varasemaid ja enim kasutatud substraatmaterjale. GaN-i epitaksia tavalise substraadina peavad safiirsubstraadid lahendama järgmised põhiprobleemid:

✔ Suur võre mittevastavus: safiiri (Al2O3) ja GaN võre mittevastavus on märkimisväärne (ligikaudu 15%), mis põhjustab epitaksiaalse kihi ja substraadi liideses suure defektide tiheduse. Selle kahjuliku mõju leevendamiseks peab substraat enne epitaksiaalse protsessi algust läbima keeruka eeltöötluse. See hõlmab põhjalikku puhastamist saasteainete ja poleerimisjääkide eemaldamiseks, astmete ja astmeliste pinnastruktuuride loomist, pinna nitreerimist, et muuta epitaksiaalse kihi märgamisomadusi, ja lõpuks õhukese AlN puhverkihi (tavaliselt 10–100 nm paksuse) sadestamist, millele järgneb madal. -temperatuuril lõõmutamine, et valmistuda lõplikuks epitaksiaalseks kasvuks. Vaatamata nendele meetmetele jääb safiirsubstraatidel kasvatatud GaN epitaksiaalkilede dislokatsioonitihedus kõrgeks (~ 10^10 cm^-2) võrreldes homoepitaksiaga ränil või GaAs (dislokatsioonitihedus 0 kuni 102-104 cm^-2). Suur defektide tihedus vähendab kandja liikuvust, lühendab vähemuskandjate eluiga ja vähendab soojusjuhtivust, mis kõik halvendab seadme jõudlust[4].

✔ Soojuspaisumise koefitsiendi mittevastavus: Sapphire'il on suurem soojuspaisumistegur kui GaN-il, mille tulemuseks on kaheteljeline survepinge epitaksiaalses kihis, kui see jahtub sadestamistemperatuurilt toatemperatuurini. Paksemate epitaksiaalkilede korral võib see pinge põhjustada kile või isegi substraadi pragunemist.

✔ Kehv soojusjuhtivus: võrreldes teiste aluspindadega on safiiril madalam soojusjuhtivus (~0,25 Wcm^-1K^-1 temperatuuril 100°C), mis on soojuse hajumise seisukohalt ebasoodne.

✔ Madal elektrijuhtivus: safiiri halb elektrijuhtivus takistab selle integreerimist ja kasutamist teiste pooljuhtseadmetega.

Vaatamata suurele defektide tihedusele safiiril kasvatatud GaN-i epitaksiaalsetes kihtides, ei tundu selle optiline ja elektrooniline jõudlus GaN-põhistes sinakasrohelistes LED-des oluliselt vähenenud. Seetõttu on safiirsubstraadid GaN-põhiste LED-ide puhul tavalised. Kuna aga areneb rohkem GaN-seadmeid, nagu laserid ja muud suure tihedusega toiteseadmed, muutuvad safiirsubstraatide omased piirangud üha ilmsemaks.

(2) GaN Epitaxy SiC-l

Võrreldes safiiriga on SiC substraatidel (4H- ja 6H-polütüübid) väiksem võre mittevastavus GaN epitaksiaalsete kihtidega (3,1% [0001] suunas), kõrgem soojusjuhtivus (ligikaudu 3,8 Wcm^-1K^-1) ja elektrijuhtivus, mis võimaldab luua tagumisi elektrikontakte, lihtsustades seadme struktuure. Need eelised tõmbavad üha rohkem teadlasi uurima GaN-i epitaksit SiC substraatidel. GaN epitaksiaalsete kihtide otsene kasvatamine SiC substraatidel seisab aga silmitsi ka mitme väljakutsega:

✔ Pinna karedus: SiC-substraatide pinnakaredus on palju suurem kui safiir-substraatide (0,1 nm RMS safiiri puhul, 1 nm RMS SiC puhul). SiC kõrge kõvadus ja halb töödeldavus soodustavad seda karedust ja poleerimiskahjustusi, mis on GaN epitaksiaalsete kihtide defektide allikad.

✔ Kõrge keermestuse dislokatsioonitihedus: SiC-substraatide keermestamise dislokatsioonitihedus on suur (103–104 cm^-2), mis võib levida GaN-i epitaksiaalsesse kihti ja halvendada seadme jõudlust.

✔ Virnastamisvead: Aatomi paigutus substraadi pinnal võib GaN epitaksiaalsetes kihtides esile kutsuda virnastamisvigu (BSF). Mitmed võimalikud aatomi paigutused SiC substraadil põhjustavad GaN kihis ebaühtlaseid esialgseid aatomi virnastamisjärjestusi, suurendades virnastamisvigade tõenäosust. BSF-id piki c-telge toovad sisse sisseehitatud elektrivälju, põhjustades kandja eraldumist ja seadmetes lekkeprobleeme.

✔ Soojuspaisumise koefitsiendi mittevastavus: SiC soojuspaisumistegur on väiksem kui AlN ja GaN, mis põhjustab jahutamise ajal termilise pinge akumuleerumist epitaksiaalse kihi ja substraadi vahel. Waltereiti ja Brandi uuringud näitavad, et seda probleemi saab leevendada GaN-i epitaksiaalse kihi kasvatamisega õhukesele, koherentselt pingutatud AlN-i tuumakihile.

✔ Ga aatomite halb märgumine: GaN otsene kasv SiC pindadel on raske Ga aatomite halva märgumise tõttu. GaN kipub kasvama 3D saarerežiimis, puhverkihtide sisseviimine on levinud lahendus epitaksiaalsete materjalide kvaliteedi parandamiseks. AlN või AlxGa1-xN puhverkihtide kasutuselevõtt võib parandada SiC pinna niisutamist, soodustades GaN epitaksiaalse kihi 2D kasvu ja moduleerides stressi ja blokeerides substraadi defektide levimist GaN kihti.

✔ Kõrge hind ja piiratud pakkumine: ränikarbiidi substraadi ettevalmistamise tehnoloogia on ebaküps, mis põhjustab kõrgeid substraadikulusid ja piiratud tarneid vähestelt müüjatelt.

Torrese jt uuringud. näitab, et SiC substraatide eelsöövitamine H2-ga kõrgel temperatuuril (1600 ° C) loob korrapärasemad astmelised struktuurid, mille tulemuseks on kvaliteetsemad AlN epitaksiaalsed kiled võrreldes nendega, mida kasvatatakse otse töötlemata substraatidel. Xie ja tema meeskond näitasid ka, et SiC substraatide söövitamise eeltöötlus parandab oluliselt GaN epitaksiaalsete kihtide pinnamorfoloogiat ja kristallide kvaliteeti. Smith et al. leidis, et keermestamise dislokatsioonid substraadi/puhverkihi ja puhverkihi/epitaksiaalse kihi liidestest on seotud substraadi tasapinnalisusega [5].

Joonis 4: 6H-SiC substraatide pinnal (0001) kasvatatud GaN epitaksiaalsete kihtide TEM-morfoloogia erineva pinnatöötluse all: (a) keemiline puhastus; (b) keemiline puhastus + vesinikplasmatöötlus; © Keemiline puhastus + Vesinikplasmatöötlus + 1300°C Vesiniktermotöötlus 30 min

(3) GaN Epitaxy on Si

Võrreldes ränikarbiidi ja safiirsubstraatidega on ränisubstraatidel küpsed ettevalmistusprotsessid, stabiilne suuremõõtmeline substraadi tarnimine, kulutõhusus ning suurepärane soojus- ja elektrijuhtivus. Lisaks pakub küpse räni elektroonikaseadmete tehnoloogia potentsiaali optoelektrooniliste GaN-seadmete täiuslikuks integreerimiseks räni elektroonikaseadmetega, muutes räni GaN-i epitaksika väga atraktiivseks. Märkimisväärne võre konstantne mittevastavus Si substraatide ja GaN materjalide vahel tekitab aga mitmeid väljakutseid.

✔ Liidese energiaprobleemid: kui GaN-i kasvatatakse Si substraatidel, moodustab Si pind kõigepealt amorfse SiNx kihi, mis kahjustab suure tihedusega GaN tuuma moodustumist. Lisaks reageerivad Si pinnad algselt Ga-ga, põhjustades pinna korrosiooni, ja kõrgel temperatuuril võib Si pinna lagunemine difundeeruda GaN epitaksiaalsesse kihti, moodustades mustad räni laigud.

✔ Võre ebakõla: suur võre konstantne mittevastavus (~17%) GaN ja Si vahel põhjustab suure tihedusega keermestusnihkeid, mis vähendab oluliselt epitaksiaalse kihi kvaliteeti.

✔ Soojuspaisumistegur ei sobi: GaN-il on suurem soojuspaisumise koefitsient kui Si-l (GaN ~5,6×10^-6 K^-1, Si ~2,6×10^-6 K^-1), mis võib põhjustada GaN-is pragusid. epitaksiaalne kiht jahutamisel epitaksiaalsest kasvutemperatuurist toatemperatuurini.

✔ Kõrgtemperatuurilised reaktsioonid: Si reageerib kõrgel temperatuuril NH3-ga, moodustades polükristallilise SiNx. AlN ei saa eelistatavalt tuumastuda polükristallilisel SiNx-il, mis põhjustab väga desorienteeritud GaN-i kasvu väga suure defektide tihedusega, muutes ühekristalliliste GaN-i epitaksiaalsete kihtide moodustamise keeruliseks [6].

Suure võre mittevastavuse kõrvaldamiseks on teadlased püüdnud Si substraatide puhverkihtidena kasutusele võtta selliseid materjale nagu AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO ja SiC. Et vältida polükristallilise SiNx moodustumist ja vähendada selle kahjulikku mõju GaN/AlN/Si (111) kristallide kvaliteedile, sisestatakse TMAl tavaliselt enne AlN puhverkihi epitaksiaalset kasvu, et vältida NH3 reageerimist avatud Si pinnaga. Lisaks kasutatakse epitaksiaalse kihi kvaliteedi parandamiseks selliseid tehnikaid nagu mustriga substraadid. Need arengud aitavad pärssida SiNx moodustumist epitaksiaalses liideses, soodustavad GaN epitaksiaalse kihi 2D kasvu ja parandavad kasvukvaliteeti. AlN puhverkihtide kasutuselevõtt kompenseerib soojuspaisumistegurite erinevustest põhjustatud tõmbepinget, vältides GaN kihi pragude tekkimist ränisubstraatidel. Krosti uuringud näitavad positiivset korrelatsiooni AlN puhverkihi paksuse ja vähenenud deformatsiooni vahel, võimaldades sobivate kasvuskeemide abil ränisubstraatidel üle 6 μm paksuste epitaksiaalsete kihtide kasvu ilma pragunemiseta.

Tänu ulatuslikele uurimistööle on ränisubstraatidel kasvatatud GaN epitaksiaalsete kihtide kvaliteet oluliselt paranenud. Väljatransistorid, Schottky barjääri ultraviolettdetektorid, sinakasrohelised LED-id ja ultraviolettlaserid on kõik teinud märkimisväärseid edusamme.

Kokkuvõtteks võib öelda, et tavalised GaN-i epitaksiaalsed substraadid on kõik heteroepitaksiaalsed, seisavad silmitsi erineva astmega võre mittevastavuse ja soojuspaisumise koefitsiendi erinevustega. Homoepitaksiaalseid GaN substraate piiravad ebaküps tehnoloogia, kõrged tootmiskulud, väikesed substraadi suurused ja suboptimaalne kvaliteet, mistõttu on uute GaN epitaksiaalsete substraatide väljatöötamine ja epitaksiaalse kvaliteedi parandamine tööstuse edasise arengu jaoks kriitilised tegurid.

4. GaN-epitaksika levinumad meetodid

(1) MOCVD (metallide orgaaniline keemiline aurustamine-sadestamine)

Kuigi GaN-i substraatide homoepitaksia näib olevat GaN-i epitaksika jaoks optimaalne valik, pakub metallorgaaniline keemiline aurustamine-sadestamine (MOCVD) olulisi eeliseid. Kasutades prekursoridena trimetüülgalliumi ja ammoniaaki ning kandegaasina vesinikku, töötab MOCVD tavaliselt kasvutemperatuuril umbes 1000–1100 °C. MOCVD kasvukiirus jääb vahemikku mitu mikromeetrit tunnis. See meetod võib tekitada aatomiliselt teravaid liideseid, muutes selle ideaalseks heteroristmike, kvantkaevude ja supervõrede kasvatamiseks. Selle suhteliselt suur kasvukiirus, suurepärane ühtlus ja sobivus suurel pinnal ja mitme vahvliga kasvatamiseks muudavad selle tööstusliku tootmise standardmeetodiks.

(2) MBE (Molecular Beam Epitaxy)

Molecular Beam Epitaxy (MBE) puhul kasutatakse galliumi jaoks elementaarseid allikaid ja aktiivset lämmastikku genereeritakse RF plasma kaudu lämmastikgaasist. Võrreldes MOCVD-ga töötab MBE oluliselt madalamatel kasvutemperatuuridel, umbes 350–400 °C. See madalam temperatuur võib vältida mõningaid saasteprobleeme, mis võivad tekkida kõrge temperatuuriga keskkondades. MBE-süsteemid töötavad ülikõrge vaakumi tingimustes, võimaldades integreerida rohkem in situ jälgimistehnikaid. MBE kasvutempo ja tootmisvõimsus ei saa aga võrrelda MOCVD omaga, mistõttu on see teadusuuringute jaoks sobivam[7].

Joonis 5: (a) Eiko-MBE skeem (b) MBE peamise reaktsioonikambri skeem

(3) HVPE (hüdriid-aurufaasi epitaksia)

Hüdriid-aurufaasi epitaksy (HVPE) kasutab lähteainetena GaCl3 ja NH3. Detchprohm et al. kasutas seda meetodit mitmesaja mikromeetri paksuste GaN epitaksiaalsete kihtide kasvatamiseks safiirsubstraatidel. Nende katsetes kasvatati safiirisubstraadi ja epitaksiaalse kihi vahele ZnO puhverkiht, mis võimaldas epitaksiaalset kihti substraadi pinnalt eemaldada. Võrreldes MOCVD ja MBE-ga, on HVPE peamine eelis selle kõrge kasvukiirus, mis muudab selle sobivaks paksude kihtide ja puistematerjalide tootmiseks. Kui aga epitaksiaalse kihi paksus ületab 20 μm, on HVPE poolt kasvatatud kihid pragunemisohtlikud.

Akira USUI tutvustas mustriga substraadi tehnoloogiat, mis põhineb HVPE meetodil. Algselt kasvatati safiirsubstraadil MOCVD abil õhuke GaN epitaksiaalne kiht, paksusega 1–1, 5 μm. See kiht koosnes 20 nm paksusest madala temperatuuriga GaN puhverkihist ja kõrge temperatuuriga GaN kihist. Seejärel kanti 430 °C juures epitaksiaalse kihi pinnale SiO2 kiht ja fotolitograafia abil loodi SiO2 kilele aknatriibud. Triibude vahekaugus oli 7 μm, maski laius jäi vahemikku 1 μm kuni 4 μm. See modifikatsioon võimaldas neil toota 2-tollise läbimõõduga safiirsubstraatidel GaN epitaksiaalseid kihte, mis jäid pragudeta ja peegelsiledaks isegi siis, kui paksus kasvas kümnete või isegi sadade mikromeetriteni. Defektide tihedust vähendati traditsioonilise HVPE meetodi 109-1010 cm ^-2-lt ligikaudu 6 × 10 ^ 7 cm ^-2-le. Samuti märkisid nad, et proovi pind muutus karedaks, kui kasvukiirus ületas 75 μm/h [8]. 

                                                                                                                   

                                                                                                                                     Joonis 6: Mustrilise aluspinna skeem

5. Kokkuvõte ja väljavaade

Tohutu turunõudlus toob kahtlemata kaasa märkimisväärseid edusamme GaN-iga seotud tööstusharudes ja tehnoloogiates. Kuna GaN-i tööstusahel küpseb ja paraneb, leevendatakse või ületatakse GaN-i epitaksia praeguseid väljakutseid. Tulevased arengud tutvustavad tõenäoliselt uusi epitaksiaalseid tehnikaid ja paremaid substraadivalikuid. Need edusammud võimaldavad valida kõige sobivama epitaksiaaltehnoloogia ja substraadi erinevate kasutusstsenaariumide omaduste põhjal, mis viib väga konkurentsivõimeliste kohandatud toodete tootmiseni.**

Viited:

[1] "Tähelepanu" pooljuhtmaterjal - galliumnitriid (baidu.com)

[2] Tang Linjiang, Wan Chengan, Zhang Minghua, Li Ying, lairibaribaga pooljuhtmaterjalide SiC ja GaN uurimistöö, sõjalised ja tsiviilotstarbelised kahesuguse kasutusega tehnoloogiad ja tooted, märts 2020, väljaanne 437, 21–28.

[3] Wang Huan, Tian Ye, Ränisubstraadi galliumnitriidi suure mittevastavuse pinge kontrolli meetodi uurimine, Teadus- ja tehnoloogiauuendused ja -rakendused, 3. väljaanne, 2023

[4]L.Liu, J.H.Edgar, Substrates for galliumnitride epitaxy, Materialss Science and Engineering R, 37(2002) 61-127.

[5]P.Ruterana, Philippe Vermaut, G.Nouet, A.Salvador, H.Morkoc, Pinnatöötlus ja kihi struktuur 2H-GaN kasvus 6H-SiC (0001)Si pinnal, MBE, MRS Internet J. Nitriid Semicond. Res.2(1997)42.

[6]M.A.Sanchez-Garcia, F.B. Naranjo, J.L.Pau, A.Jimenez, E.Calleja, E.Munoz, Ultravioletne elektroluminestsents GaN/AlGaN üheheteroühendusega valgusdioodides, kasvatatud Si(111), Journal of Applied Physics 87,1569(2000).

[7] Xinqiang Wang, Akihiko Yoshikawa, GaN, AlN ja InN molekulaarkiire epitaksia kasv, Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials, 48/49 (2004) 42-103.

[8]Akira Usui, Haruo Sunakawa, Akira Sakai ja A. atsushi Yamaguchi, paksu GaN-i epitaksiaalne kasv madala dislokatsioonitihedusega hüdriidi aurufaasi epitaksia järgi, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 36 (1997), lk 899-902.