Dlaczego epitaksja azotku gliu (GaN) nie rośnie na podłożu GaN?

WzrostEpitaksja GaNna podłożu GaN stanowi wyjątkowe wyzwanie, pomimo lepszych właściwości materiału w porównaniu z krzemem.Epitaksja GaNoferuje znaczące korzyści pod względem szerokości pasma wzbronionego, przewodności cieplnej i pola elektrycznego przebicia w porównaniu z materiałami na bazie krzemu. To sprawia, że ​​przyjęcie GaN jako szkieletu półprzewodników trzeciej generacji, które zapewniają ulepszone chłodzenie, niższe straty przewodzenia i lepszą wydajność w wysokich temperaturach i częstotliwościach, stanowi obiecujący i kluczowy postęp dla przemysłu fotonicznego i mikroelektronicznego.

GaN, jako podstawowy materiał półprzewodnikowy trzeciej generacji, szczególnie wyróżnia się szerokim zastosowaniem i jest uważany za jeden z najważniejszych materiałów po krzemie. Urządzenia zasilające GaN charakteryzują się lepszymi właściwościami w porównaniu z obecnymi urządzeniami opartymi na krzemie, takimi jak wyższe krytyczne natężenie pola elektrycznego, niższa rezystancja włączenia i szybsze częstotliwości przełączania, co prowadzi do poprawy wydajności i wydajności systemu w wysokich temperaturach roboczych.

W łańcuchu wartości półprzewodników GaN, który obejmuje podłoże,Epitaksja GaN, projektowania urządzeń i produkcji, podłoże służy jako podstawowy element. GaN jest naturalnie najodpowiedniejszym materiałem, który może służyć jako podłożeEpitaksja GaNjest uprawiana ze względu na swą wewnętrzną zgodność z jednorodnym procesem wzrostu. Zapewnia to minimalny stopień naprężeń spowodowany różnicami we właściwościach materiału, co skutkuje wytworzeniem warstw epitaksjalnych o wyższej jakości w porównaniu do tych rosnących na podłożach heterogenicznych. Wykorzystując GaN jako podłoże, można uzyskać wysokiej jakości epistemologię GaN z wewnętrznie zmniejszoną gęstością defektów tysiąckrotnie w porównaniu z podłożami takimi jak szafir. Przyczynia się to do znacznego obniżenia temperatury złącza diod LED i umożliwia dziesięciokrotne zwiększenie lumenów na jednostkę powierzchni.

Jednak konwencjonalnym podłożem urządzeń GaN nie są monokryształy GaN ze względu na trudność związaną z ich wzrostem. Postęp we wzroście monokryształów GaN postępował znacznie wolniej niż w przypadku konwencjonalnych materiałów półprzewodnikowych. Wyzwanie polega na hodowli kryształów GaN, które są wydłużone i opłacalne. Pierwsza synteza GaN miała miejsce w 1932 roku, przy użyciu amoniaku i czystego metalicznego galu do hodowli materiału. Od tego czasu prowadzono szeroko zakrojone badania nad materiałami monokrystalicznymi GaN, jednak nadal istnieją wyzwania. Niezdolność GaN do topienia się pod normalnym ciśnieniem, jego rozkład na Ga i azot (N2) w podwyższonych temperaturach oraz ciśnienie dekompresji sięgające 6 gigapaskali (GPa) w temperaturze topnienia 2300 stopni Celsjusza utrudniają istniejący sprzęt hodowlany przystosowanie się do syntezę monokryształów GaN przy tak wysokich ciśnieniach. Tradycyjnych metod wzrostu w stopie nie można zastosować do wzrostu monokryształów GaN, co powoduje konieczność stosowania heterogenicznych podłoży do epitaksji. W obecnym stanie urządzeń opartych na GaN wzrost zwykle przeprowadza się na podłożach takich jak krzem, węglik krzemu i szafir, zamiast używać jednorodnego podłoża GaN, co utrudnia rozwój urządzeń epitaksjalnych GaN i utrudnia zastosowania wymagające jednorodnego podłoża. dorosłe urządzenie.

W epitaksji GaN wykorzystuje się kilka rodzajów podłoży:

1. Szafir:Szafir, czyli α-Al2O3, to najbardziej rozpowszechniony komercyjny substrat dla diod LED, zajmujący znaczną część rynku diod LED. Jego zastosowanie było zapowiadane ze względu na jego wyjątkowe zalety, szczególnie w kontekście wzrostu epitaksjalnego GaN, w wyniku którego powstają filmy o równie niskiej gęstości dyslokacji, jak te hodowane na podłożach z węglika krzemu. Produkcja szafiru obejmuje wzrost stopu – dojrzały proces, który umożliwia produkcję wysokiej jakości monokryształów przy niższych kosztach i większych rozmiarach, odpowiednich do zastosowań przemysłowych. W rezultacie szafir jest jednym z najwcześniejszych i najbardziej rozpowszechnionych substratów w branży LED.

2. Węglik krzemu:Węglik krzemu (SiC) to materiał półprzewodnikowy czwartej generacji, który zajmuje drugie miejsce po szafirze pod względem udziału w rynku podłoży LED. SiC charakteryzuje się różnorodnymi formami krystalicznymi, podzielonymi głównie na trzy kategorie: sześcienny (3C-SiC), sześciokątny (4H-SiC) i romboedryczny (15R-SiC). Większość kryształów SiC to kryształy 3C, 4H i 6H, przy czym typy 4H i 6H-SiC są wykorzystywane jako substraty w urządzeniach GaN.

Węglik krzemu to doskonały wybór jako podłoże LED. Niemniej jednak produkcja wysokiej jakości monokryształów SiC o dużych rozmiarach pozostaje wyzwaniem, a warstwowa struktura materiału sprawia, że ​​jest on podatny na rozszczepianie, co wpływa na jego integralność mechaniczną, potencjalnie wprowadzając defekty powierzchniowe wpływające na jakość warstwy epitaksjalnej. Koszt monokrystalicznego podłoża SiC jest w przybliżeniu kilkakrotnie większy niż koszt podłoża szafirowego tej samej wielkości, co ogranicza jego powszechne zastosowanie ze względu na wyższą cenę.

Semicorex Wafel epi GaN-on-Si o dużej mocy 850 V

3. Pojedynczy kryształ krzemu:Krzem, będący najszerzej stosowanym i uznanym w przemyśle materiałem półprzewodnikowym, stanowi solidną podstawę do produkcji podłoży epitaksjalnych GaN. Dostępność zaawansowanych technik wzrostu monokrystalicznego krzemu zapewnia opłacalną produkcję na dużą skalę wysokiej jakości podłoży o średnicy od 6 do 12 cali. To znacznie obniża koszt diod LED i toruje drogę do integracji chipów LED i obwodów scalonych poprzez zastosowanie monokrystalicznych substratów krzemowych, stymulując postęp w miniaturyzacji. Co więcej, w porównaniu z szafirem, który jest obecnie najpopularniejszym podłożem dla diod LED, urządzenia na bazie krzemu oferują zalety w zakresie przewodności cieplnej i elektrycznej, możliwości wytwarzania struktur pionowych i lepszego dopasowania do produkcji diod LED dużej mocy.**