Miks glliumnitriidi (GaN) epitaksy GaN substraadil ei kasva?

KasvGaN epitaksiaGaN substraadil on ainulaadne väljakutse, hoolimata materjali parematest omadustest võrreldes räniga.GaN epitaksiapakub ränipõhiste materjalidega võrreldes olulisi eeliseid ribalaiuse, soojusjuhtivuse ja elektrivälja purunemise osas. See muudab GaN-i kasutuselevõtu kolmanda põlvkonna pooljuhtide selgrooks, mis tagavad parema jahutuse, väiksema juhtivuse kadu ja parema jõudluse kõrgetel temperatuuridel ja sagedustel, paljutõotavaks ja oluliseks edusammuks fotoonika- ja mikroelektroonikatööstuses.

GaN kui esmane kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjal paistab eriti silma tänu oma laialdasele kasutatavusele ja seda on peetud räni järel üheks kõige olulisemaks materjaliks. GaN-i toiteseadmed näitavad praeguste ränipõhiste seadmetega võrreldes paremaid omadusi, nagu kõrgem kriitiline elektrivälja tugevus, väiksem sisselülitustakistus ja kiiremad lülitussagedused, mis parandavad süsteemi tõhusust ja jõudlust kõrgetel töötemperatuuridel.

GaN pooljuhtide väärtusahelas, mis sisaldab substraati,GaN epitaksia, seadme projekteerimise ja tootmisega, toimib substraat aluskomponendina. GaN on loomulikult kõige sobivam materjal aluspinnana kasutamiseksGaN epitaksiakasvatatakse selle olemusliku ühilduvuse tõttu homogeense kasvuprotsessiga. See tagab materjali omaduste erinevustest tingitud minimaalse pinge, mille tulemuseks on heterogeensetel substraatidel kasvatatavatega võrreldes parema kvaliteediga epitaksiaalsed kihid. Kasutades substraadina GaN-i, saab toota kvaliteetset GaN-i epistemoloogiat, mille sisemiselt väheneb defektide tihedus tuhat korda võrreldes substraatidega nagu safiir. See aitab oluliselt vähendada LED-ide ühendustemperatuuri ja võimaldab kümnekordselt suurendada luumeneid pindalaühiku kohta.

Kuid GaN-seadmete tavaline substraat ei ole nende kasvuga seotud raskuste tõttu GaN-i üksikkristallid. GaN monokristallide kasvu areng on edenenud oluliselt aeglasemalt kui tavaliste pooljuhtmaterjalide puhul. Väljakutse seisneb piklike ja kulutõhusate GaN-kristallide kasvatamises. Esimene GaN süntees toimus 1932. aastal, kasutades materjali kasvatamiseks ammoniaaki ja puhast metallist galliumi. Sellest ajast alates on GaN monokristallmaterjalide kohta tehtud ulatuslikke uuringuid, kuid väljakutsed on endiselt olemas. GaN-i võimetus sulada normaalrõhul, selle lagunemine Ga-ks ja lämmastikuks (N2) kõrgetel temperatuuridel ning dekompressioonirõhk, mis ulatub 6 gigapaskalini (GPa) sulamistemperatuuril 2300 kraadi Celsiuse järgi, muudavad olemasolevate kasvuseadmete jaoks keeruliseks GaN monokristallide süntees nii kõrgel rõhul. Traditsioonilisi sulamiskasvatusmeetodeid ei saa kasutada GaN monokristallide kasvatamiseks, mistõttu on vaja epitakseerimiseks kasutada heterogeenseid substraate. GaN-põhiste seadmete praeguses olekus toimub kasv tavaliselt substraatidel, nagu räni, ränikarbiid ja safiir, selle asemel, et kasutada homogeenset GaN-substraati, takistades GaN-i epitaksiaalseadmete väljatöötamist ja takistades rakendusi, mis nõuavad homogeenset substraati. kasvanud seade.

GaN-i epitaksis kasutatakse mitut tüüpi substraate:

1. Safiir:Safiir ehk α-Al2O3 on LED-ide kõige levinum kaubanduslik substraat, mis hõivab olulise osa LED-turust. Selle kasutamist kuulutati selle ainulaadsete eeliste tõttu, eriti GaN-i epitaksiaalse kasvu kontekstis, mis toodab kilesid, millel on sama madal dislokatsioonitihedus kui ränikarbiidsubstraatidel kasvatatud kiled. Sapphire'i tootmine hõlmab sulatuskasvu, küpset protsessi, mis võimaldab toota kvaliteetseid monokristalle madalamate kuludega ja suuremate suurustega, mis sobivad tööstuslikuks kasutamiseks. Selle tulemusena on safiir üks varasemaid ja levinumaid substraate LED-tööstuses.

2. Ränikarbiid:Ränikarbiid (SiC) on neljanda põlvkonna pooljuhtmaterjal, mis on LED-substraatide turuosa poolest safiiri järel teisel kohal. SiC iseloomustavad selle mitmekesised kristallivormid, mis jagunevad peamiselt kolme kategooriasse: kuubikujuline (3C-SiC), kuusnurkne (4H-SiC) ja romboeedriline (15R-SiC). Enamik SiC kristalle on 3C, 4H ja 6H, kusjuures GaN seadmete substraatidena kasutatakse 4H ja 6H-SiC tüüpe.

Ränikarbiid on suurepärane valik LED-substraadina. Sellegipoolest on kvaliteetsete, suurte SiC monokristallide tootmine endiselt keeruline ja materjali kihiline struktuur muudab selle lõhenemisohtlikuks, mis mõjutab selle mehaanilist terviklikkust, mis võib põhjustada pinnadefekte, mis mõjutavad epitaksiaalse kihi kvaliteeti. Ühekristallilise SiC-substraadi maksumus on ligikaudu mitu korda suurem kui sama suurusega safiir-substraadi maksumus, mis piirab selle kõrgetasemelise hinna tõttu selle laialdast kasutamist.

Semicorex  850 V suure võimsusega GaN-on-Si Epi vahvel

3. Ühekristalliline räni:Räni, mis on kõige laialdasemalt kasutatav ja tööstuslikult väljakujunenud pooljuhtmaterjal, loob tugeva aluse GaN epitaksiaalsete substraatide tootmiseks. Täiustatud monokristalli räni kasvutehnikate kättesaadavus tagab kvaliteetsete 6–12-tolliste substraatide kuluefektiivse ja suuremahulise tootmise. See vähendab märkimisväärselt LED-ide kulusid ja sillutab teed LED-kiipide ja integraallülituste integreerimiseks monokristalli ränisubstraatide kasutamise kaudu, mis edendab miniaturiseerimist. Lisaks pakuvad ränipõhised seadmed võrreldes safiiriga, mis on praegu kõige levinum LED-substraat, eeliseid soojusjuhtivuse, elektrijuhtivuse, vertikaalsete konstruktsioonide valmistamise ja parema sobivuse osas suure võimsusega LED-ide valmistamiseks.**