Kodėl Glio nitrido (GaN) epitaksija neauga ant GaN substrato?

AugimasGaN epitaksijaant GaN pagrindo yra unikalus iššūkis, nepaisant pranašesnių medžiagos savybių, palyginti su siliciu.GaN epitaksijasuteikia didelių pranašumų, susijusių su juostos tarpo pločiu, šilumos laidumu ir elektrinio lauko gedimu, palyginti su silicio pagrindo medžiagomis. Dėl to GaN kaip trečiosios kartos puslaidininkių, užtikrinančių geresnį aušinimą, mažesnį laidumo nuostolį ir geresnį veikimą esant aukštai temperatūrai bei dažniams, stuburas yra perspektyvi ir esminė fotonikos ir mikroelektronikos pramonės pažanga.

GaN, kaip pagrindinė trečiosios kartos puslaidininkinė medžiaga, ypač šviečia dėl plataus pritaikomumo ir buvo laikoma viena iš svarbiausių medžiagų po silicio. GaN galios įrenginiai pasižymi pranašesnėmis charakteristikomis, palyginti su dabartiniais silicio pagrindu veikiančiais įrenginiais, pvz., didesnį kritinį elektrinio lauko stiprumą, mažesnę įjungimo varžą ir greitesnius perjungimo dažnius, todėl pagerėjo sistemos efektyvumas ir našumas esant aukštai darbo temperatūrai.

GaN puslaidininkių vertės grandinėje, kuri apima substratą,GaN epitaksija, įrenginio projektavimas ir gamyba, substratas yra pagrindinis komponentas. Natūralu, kad GaN yra tinkamiausia medžiaga, naudojama kaip pagrindasGaN epitaksijaauginamas dėl savo suderinamumo su vienalyčiu augimo procesu. Tai užtikrina minimalų įtempių laipsnį dėl medžiagų savybių skirtumų, todėl susidaro aukščiausios kokybės epitaksiniai sluoksniai, palyginti su auginamais ant heterogeninių substratų. Naudojant GaN kaip substratą, galima sukurti aukštos kokybės GaN epistemologiją, kurios viduje defektų tankis sumažėja tūkstantį kartų, palyginti su tokiais substratais kaip safyras. Tai žymiai sumažina šviesos diodų jungties temperatūrą ir leidžia dešimt kartų padidinti liumenų ploto vienetą.

Tačiau įprastas GaN įrenginių substratas nėra GaN pavieniai kristalai dėl sunkumų, susijusių su jų augimu. GaN monokristalų augimo pažanga buvo žymiai lėtesnė nei įprastose puslaidininkinėse medžiagose. Iššūkis yra auginant GaN kristalus, kurie yra pailgi ir ekonomiški. Pirmoji GaN sintezė įvyko 1932 m., naudojant amoniaką ir gryną metalinį galią medžiagai auginti. Nuo tada buvo atlikti platūs GaN monokristalų medžiagų tyrimai, tačiau iššūkių išlieka. GaN nesugebėjimas ištirpti esant normaliam slėgiui, jo skilimas į Ga ir azotą (N2) esant aukštesnei temperatūrai ir jo dekompresinis slėgis, kuris pasiekia 6 gigapaskalius (GPa), esant 2300 laipsnių Celsijaus lydymosi temperatūrai, apsunkina esamos auginimo įrangos pritaikymą GaN monokristalų sintezė esant tokiam aukštam slėgiui. Tradiciniai lydalo augimo metodai negali būti naudojami GaN monokristalų auginimui, todėl epitaksijai reikia naudoti heterogeninius substratus. Esant dabartinei GaN pagrindu veikiančių prietaisų būsenai, augimas paprastai atliekamas ant substratų, tokių kaip silicis, silicio karbidas ir safyras, o ne naudojant homogeninį GaN substratą, trukdant kurti GaN epitaksinius įrenginius ir trukdyti naudoti, kai reikalingas vienalytis substratas. išaugintas įrenginys.

GaN epitaksijoje naudojami keli substratų tipai:

1. Safyras:Safyras arba α-Al2O3 yra plačiausiai paplitęs komercinis šviesos diodų substratas, užimantis didelę LED rinkos dalį. Jo naudojimas buvo paskelbtas dėl unikalių pranašumų, ypač atsižvelgiant į GaN epitaksinį augimą, kuris gamina plėveles, kurių dislokacijos tankis yra toks pat mažas, kaip ir ant silicio karbido substratų. „Sapphire“ gamyba apima lydalo augimą, brandų procesą, leidžiantį gaminti aukštos kokybės pavienius kristalus mažesnėmis sąnaudomis ir didesnių dydžių, tinkamų pramoniniam naudojimui. Dėl to safyras yra vienas iš pirmųjų ir labiausiai paplitusių substratų LED pramonėje.

2. Silicio karbidas:Silicio karbidas (SiC) yra ketvirtos kartos puslaidininkinė medžiaga, kuri užima antrąją vietą pagal LED substratų rinkos dalį po safyro. SiC pasižymi įvairiomis kristalų formomis, kurios pirmiausia skirstomos į tris kategorijas: kubinis (3C-SiC), šešiakampis (4H-SiC) ir romboedras (15R-SiC). Dauguma SiC kristalų yra 3C, 4H ir 6H, o 4H ir 6H-SiC tipai naudojami kaip GaN įrenginių substratai.

Silicio karbidas yra puikus pasirinkimas kaip LED pagrindas. Nepaisant to, aukštos kokybės, didelių SiC monokristalų gamyba išlieka sudėtinga, o dėl sluoksninės medžiagos struktūros ji linkusi skilti, o tai turi įtakos mechaniniam vientisumui ir gali atsirasti paviršiaus defektų, kurie turi įtakos epitaksinio sluoksnio kokybei. Vieno kristalo SiC substrato kaina yra maždaug kelis kartus didesnė už tokio paties dydžio safyro substrato kainą, o tai riboja platų jo taikymą dėl aukščiausios kokybės kainų.

Semicorex  850 V didelės galios GaN-on-Si Epi plokštelė

3. Vieno kristalo silicis:Silicis, kuris yra plačiausiai naudojama ir pramoniniu būdu sukurta puslaidininkinė medžiaga, suteikia tvirtą pagrindą GaN epitaksiniams substratams gaminti. Pažangios monokristalinio silicio auginimo technologijos užtikrina ekonomišką didelio masto aukštos kokybės 6–12 colių substratų gamybą. Tai žymiai sumažina šviesos diodų kainą ir atveria kelią LED lustų ir integrinių grandynų integravimui naudojant monokristalinius silicio pagrindus, taip skatinant miniatiūrizavimo pažangą. Be to, palyginti su safyru, kuris šiuo metu yra labiausiai paplitęs LED substratas, silicio pagrindu pagaminti įrenginiai turi pranašumų dėl šilumos laidumo, elektros laidumo, galimybės gaminti vertikalias konstrukcijas ir geriau tinka didelės galios LED gamybai.**