1. Derdegenerasie halfgeleiers
Die eerste-generasie halfgeleier tegnologie is ontwikkel gebaseer op halfgeleier materiale soos Si en Ge. Dit is die wesenlike basis vir die ontwikkeling van transistors en geïntegreerde stroombaantegnologie. Die eerste generasie halfgeleiermateriaal het die grondslag vir die elektroniese industrie in die 20ste eeu gelê en is die basiese materiale vir geïntegreerde stroombaantegnologie.
Die tweede generasie halfgeleiermateriale sluit hoofsaaklik galliumarsenied, indiumfosfied, galliumfosfied, indiumarseenied, aluminiumarsenied en hul ternêre verbindings in. Die tweede generasie halfgeleiermateriaal is die grondslag van die opto-elektroniese inligtingsbedryf. Op hierdie basis is verwante nywerhede soos beligting, vertoon, laser en fotovoltaïese ontwikkel. Hulle word wyd gebruik in kontemporêre inligtingstegnologie en opto-elektroniese vertoonbedrywe.
Verteenwoordigende materiale van die derde generasie halfgeleiermateriale sluit in galliumnitried en silikonkarbied. As gevolg van hul wye bandgaping, hoë elektronversadigingsdryfsnelheid, hoë termiese geleidingsvermoë en hoë afbreekveldsterkte, is dit ideale materiale vir die voorbereiding van hoëkragdigtheid, hoëfrekwensie en lae-verlies elektroniese toestelle. Onder hulle het silikonkarbiedkragtoestelle die voordele van hoë energiedigtheid, lae energieverbruik en klein grootte, en het breë toepassingsvooruitsigte in nuwe energievoertuie, fotovoltaïese, spoorvervoer, groot data en ander velde. Galliumnitried RF-toestelle het die voordele van hoë frekwensie, hoë krag, wye bandwydte, lae kragverbruik en klein grootte, en het breë toepassingsvooruitsigte in 5G-kommunikasie, die Internet van Dinge, militêre radar en ander velde. Daarbenewens is galliumnitried-gebaseerde kragtoestelle wyd gebruik in die laespanningsveld. Boonop word daar in onlangse jare verwag dat opkomende galliumoksiedmateriale tegniese komplementariteit met bestaande SiC- en GaN-tegnologie sal vorm, en potensiële toepassingsvooruitsigte in die lae-frekwensie- en hoëspanningsvelde het.
In vergelyking met die tweede generasie halfgeleier materiale, het die derde generasie halfgeleier materiale wyer bandgaping breedte (die bandgap breedte van Si, 'n tipiese materiaal van die eerste generasie halfgeleier materiaal, is ongeveer 1.1eV, die bandgap breedte van GaAs, 'n tipiese materiaal van die tweede generasie halfgeleier materiaal, is ongeveer 1.42eV, en die bandgaping breedte van GaN, 'n tipiese materiaal van die derdegenerasie halfgeleiermateriaal, is bo 2.3eV), sterker stralingsweerstand, sterker weerstand teen elektriese veldafbreking en hoër temperatuurweerstand. Die derdegenerasie-halfgeleiermateriale met groter bandgapingwydte is veral geskik vir die vervaardiging van stralingsbestande, hoëfrekwensie-, hoëkrag- en hoë-integrasiedigtheid elektroniese toestelle. Hul toepassings in mikrogolfradiofrekwensietoestelle, LED's, lasers, kragtoestelle en ander velde het baie aandag getrek, en hulle het breë ontwikkelingsvooruitsigte getoon in mobiele kommunikasie, slimnetwerke, spoorvervoer, nuwe energievoertuie, verbruikerselektronika en ultraviolet en blou -groen lig toestelle [1].
Beeldbron: CASA, Zheshang Securities Research Institute
Figuur 1 GaN krag toestel tydskaal en voorspelling
II GaN-materiaalstruktuur en -eienskappe
GaN is 'n direkte bandgap halfgeleier. Die bandgapingwydte van die wurtzietstruktuur by kamertemperatuur is ongeveer 3.26eV. GaN-materiale het drie hoofkristalstrukture, naamlik wurtzietstruktuur, sfalerietstruktuur en rotssoutstruktuur. Onder hulle is die wurtzietstruktuur die mees stabiele kristalstruktuur. Figuur 2 is 'n diagram van die seskantige wurtzietstruktuur van GaN. Die wurtziet-struktuur van GaN-materiaal behoort aan 'n seskantige, nougepakte struktuur. Elke eenheidsel het 12 atome, insluitend 6 N-atome en 6 Ga-atome. Elke Ga (N) atoom vorm 'n binding met die 4 naaste N (Ga) atome en word in die volgorde van ABABAB... langs die [0001] rigting [2] gestapel.
Figuur 2 Wurtzite struktuur GaN kristal sel diagram
III Algemeen gebruikte substrate vir GaN epitaksie
Dit blyk dat homogene epitaksie op GaN-substrate die beste keuse vir GaN-epitaksie is. As gevolg van die groot bindingsenergie van GaN, wanneer die temperatuur die smeltpunt van 2500 ℃ bereik, is die ooreenstemmende ontbindingsdruk egter ongeveer 4.5GPa. Wanneer die ontbindingsdruk laer as hierdie druk is, smelt GaN nie maar ontbind direk. Dit maak volwasse substraatvoorbereidingstegnologieë soos die Czochralski-metode ongeskik vir die voorbereiding van GaN-enkelkristalsubstrate, wat GaN-substrate moeilik maak om massa te produseer en duur. Daarom is die substrate wat algemeen in GaN epitaksiale groei gebruik word hoofsaaklik Si, SiC, saffier, ens. [3].
Grafiek 3 GaN en parameters van algemeen gebruikte substraatmateriale
GaN epitaksie op saffier
Sapphire het stabiele chemiese eienskappe, is goedkoop, en het 'n hoë volwassenheid van grootskaalse produksiebedryf. Daarom het dit een van die vroegste en mees gebruikte substraatmateriale in halfgeleier-toestelingenieurswese geword. As een van die algemeen gebruikte substrate vir GaN epitaksie, is die hoofprobleme wat vir saffiersubstrate opgelos moet word:
✔ As gevolg van die groot rooster-wanverhouding tussen saffier (Al2O3) en GaN (ongeveer 15%), is die defekdigtheid by die raakvlak tussen die epitaksiale laag en die substraat baie hoog. Om die nadelige effekte daarvan te verminder, moet die substraat aan komplekse voorbehandeling onderwerp word voordat die epitaksie-proses begin. Voordat GaN-epitaksie op saffiersubstrate gegroei word, moet die substraatoppervlak eers streng skoongemaak word om kontaminante, oorblywende poleerskade, ens., en om trappe en trapoppervlakstrukture te produseer. Dan word die substraatoppervlak genitreer om die benattingseienskappe van die epitaksiale laag te verander. Laastens moet 'n dun AlN bufferlaag (gewoonlik 10-100nm dik) op die substraatoppervlak neergesit word en by lae temperatuur uitgegloei word om voor te berei vir die finale epitaksiale groei. Desondanks is die ontwrigtingsdigtheid in GaN epitaksiale films wat op saffiersubstrate gekweek word steeds hoër as dié van homoepitaksiale films (ongeveer 1010cm-2, in vergelyking met in wese nul ontwrigtingsdigtheid in silikon homoepitaksiale films of galliumarsenied homoepitaksiale films, of tussen 110402 cm. 2). Die hoër defekdigtheid verminder draermobiliteit, waardeur minderheidsdraerleeftyd verkort word en termiese geleidingsvermoë verminder, wat alles toestelwerkverrigting sal verminder [4];
✔ Die termiese uitsettingskoëffisiënt van saffier is groter as dié van GaN, so tweeaksiale drukspanning sal in die epitaksiale laag gegenereer word tydens die proses van afkoeling vanaf die neerslagtemperatuur tot kamertemperatuur. Vir dikker epitaksiale films kan hierdie spanning krake van die film of selfs die substraat veroorsaak;
✔ In vergelyking met ander substrate, is die termiese geleidingsvermoë van saffiersubstrate laer (ongeveer 0.25W*cm-1*K-1 by 100℃), en die hitte-afvoerprestasie is swak;
✔ As gevolg van sy swak geleidingsvermoë, is saffiersubstrate nie bevorderlik vir hul integrasie en toepassing met ander halfgeleiertoestelle nie.
Alhoewel die defekdigtheid van GaN-epitaksiale lae wat op saffiersubstrate gegroei is hoog is, lyk dit nie of dit die opto-elektroniese werkverrigting van GaN-gebaseerde blougroen LED's aansienlik verminder nie, so saffiersubstrate word steeds algemeen gebruikte substrate vir GaN-gebaseerde LED's.
Met die ontwikkeling van meer nuwe toepassings van GaN-toestelle soos lasers of ander hoëdigtheidkragtoestelle, het die inherente defekte van saffiersubstrate toenemend 'n beperking op hul toepassing geword. Daarbenewens, met die ontwikkeling van SiC-substraatgroeitegnologie, kostevermindering en die volwassenheid van GaN-epitaksiale tegnologie op Si-substrate, het meer navorsing oor die groei van GaN-epitaksiale lae op saffiersubstrate geleidelik 'n verkoelingstendens getoon.
GaN epitaksie op SiC
In vergelyking met saffier, het SiC-substrate (4H- en 6H-kristalle) 'n kleiner roostermispassing met GaN-epitaksiale lae (3.1%, gelykstaande aan [0001]-georiënteerde epitaksiale films), hoër termiese geleidingsvermoë (ongeveer 3.8W*cm-1*K) -1), ens. Daarbenewens laat die geleidingsvermoë van SiC-substrate ook elektriese kontakte toe om te wees gemaak op die agterkant van die substraat, wat help om die toestelstruktuur te vereenvoudig. Die bestaan van hierdie voordele het meer en meer navorsers gelok om aan GaN-epitaksie op silikonkarbiedsubstrate te werk.
Om direk op SiC-substrate te werk om te verhoed dat GaN-epilae groei, staar egter ook 'n reeks nadele in die gesig, insluitend die volgende:
✔ Die oppervlakruwheid van SiC-substrate is baie hoër as dié van saffiersubstrate (saffierruwheid 0.1nm RMS, SiC-ruwheid 1nm RMS), SiC-substrate het hoë hardheid en swak verwerkingsprestasie, en hierdie grofheid en oorblywende poleerskade is ook een van die bronne van defekte in GaN epilae.
✔ Die skroefontwrigtingsdigtheid van SiC-substrate is hoog (dislokasiedigtheid 103-104cm-2), skroefontwrigtings kan na die GaN-epillaag voortplant en toestelwerkverrigting verminder;
✔ Die atoomrangskikking op die substraatoppervlak veroorsaak die vorming van stapelfoute (BSF's) in die GaN epilaag. Vir epitaksiale GaN op SiC-substrate is daar verskeie moontlike atoomrangskikkingsordes op die substraat, wat lei tot inkonsekwente aanvanklike atoomstapelingsorde van die epitaksiale GaN-laag daarop, wat geneig is tot stapelfoute. Stapelfoute (SF's) stel ingeboude elektriese velde langs die c-as in, wat lei tot probleme soos lekkasie van in-vlak draer skeidingstoestelle;
✔ Die termiese uitsettingskoëffisiënt van SiC-substraat is kleiner as dié van AlN en GaN, wat termiese spanningakkumulasie tussen die epitaksiale laag en die substraat veroorsaak tydens die verkoelingsproses. Waltereit en Brand het op grond van hul navorsingsresultate voorspel dat hierdie probleem verlig of opgelos kan word deur GaN-epitaksiale lae op dun, koherent gespanne AlN-kernlae te laat groei;
✔ Die probleem van swak benatbaarheid van Ga-atome. Wanneer GaN epitaksiale lae direk op die SiC-oppervlak gegroei word, as gevolg van die swak benatbaarheid tussen die twee atome, is GaN geneig tot 3D-eilandgroei op die substraatoppervlak. Die bekendstelling van 'n bufferlaag is die mees gebruikte oplossing om die kwaliteit van epitaksiale materiale in GaN epitaksie te verbeter. Die bekendstelling van 'n AlN of AlxGa1-xN bufferlaag kan effektief die benatbaarheid van die SiC oppervlak verbeter en die GaN epitaksiale laag in twee dimensies laat groei. Daarbenewens kan dit ook stres reguleer en voorkom dat substraatdefekte na GaN-epitaksie uitbrei;
✔ Die voorbereidingstegnologie van SiC-substrate is onvolwasse, die substraatkoste is hoog, en daar is min verskaffers en min aanbod.
Torres et al. se navorsing toon dat die ets van die SiC-substraat met H2 by hoë temperatuur (1600°C) voor epitaksie 'n meer geordende stapstruktuur op die substraatoppervlak kan produseer, waardeur 'n hoër kwaliteit AlN epitaksiale film verkry word as wanneer dit direk is. gegroei op die oorspronklike substraatoppervlak. Xie en sy span se navorsing toon ook dat etsvoorbehandeling van die silikonkarbiedsubstraat die oppervlakmorfologie en kristalkwaliteit van die GaN-epitaksiale laag aansienlik kan verbeter. Smith et al. het gevind dat draadontwrigtings wat afkomstig is van die substraat/bufferlaag en bufferlaag/epitaksiale laag-koppelvlakke verband hou met die platheid van die substraat [5].
Figuur 4 TEM morfologie van GaN epitaksiale laag monsters gegroei op 6H-SiC substraat (0001) onder verskillende oppervlak behandeling toestande (a) chemiese skoonmaak; (b) chemiese skoonmaak + waterstofplasmabehandeling; (c) chemiese skoonmaak + waterstof plasma behandeling + 1300 ℃ waterstof hitte behandeling vir 30 min
GaN epitaksie op Si
In vergelyking met silikonkarbied, saffier en ander substrate, is die silikonsubstraatvoorbereidingsproses volwasse, en dit kan stabiel volwasse grootgrootte substrate met hoë kosteprestasie verskaf. Terselfdertyd is die termiese geleidingsvermoë en elektriese geleidingsvermoë goed, en die Si elektroniese toestel proses is volwasse. Die moontlikheid om in die toekoms opto-elektroniese GaN-toestelle perfek met Si-elektroniese toestelle te integreer, maak ook die groei van GaN-epitaksie op silikon baie aantreklik.
As gevolg van die groot verskil in roosterkonstantes tussen Si-substraat en GaN-materiaal, is heterogene epitaksie van GaN op Si-substraat egter 'n tipiese groot wanpassing-epitaksie, en dit moet ook 'n reeks probleme ondervind:
✔ Oppervlak-koppelvlak energie probleem. Wanneer GaN op 'n Si-substraat groei, sal die oppervlak van die Si-substraat eers nitreer word om 'n amorfe silikonnitriedlaag te vorm wat nie bevorderlik is vir die kernvorming en groei van hoëdigtheid GaN nie. Daarbenewens sal die Si-oppervlak eers Ga kontak, wat die oppervlak van die Si-substraat sal roes. By hoë temperature sal die ontbinding van die Si-oppervlak in die GaN-epitaksiale laag diffundeer om swart silikonkolle te vorm.
✔ Die rooster konstante wanverhouding tussen GaN en Si is groot (~17%), wat sal lei tot die vorming van hoë-digtheid schroefdraad ontwrigtings en aansienlik verminder die kwaliteit van die epitaksiale laag;
✔ In vergelyking met Si, het GaN 'n groter termiese uitsettingskoëffisiënt (GaN se termiese uitsettingskoëffisiënt is ongeveer 5.6×10-6K-1, Si se termiese uitsettingskoëffisiënt is ongeveer 2.6×10-6K-1), en krake kan in die GaN gegenereer word epitaksiale laag tydens die afkoeling van die epitaksiale temperatuur tot kamertemperatuur;
✔ Si reageer met NH3 by hoë temperature om polikristallyne SiNx te vorm. AlN kan nie 'n voorkeur-georiënteerde kern op polikristallyne SiNx vorm nie, wat lei tot 'n wanordelike oriëntasie van die daaropvolgende gegroeide GaN-laag en 'n hoë aantal defekte, wat lei tot swak kristalkwaliteit van die GaN-epitaksiale laag, en selfs moeilikheid om 'n enkelkristallyne laag te vorm. GaN epitaksiale laag [6].
Ten einde die probleem van groot rooster-wanpassing op te los, het navorsers probeer om materiale soos AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO en SiC as bufferlae op Si-substrate in te voer. Om die vorming van polikristallyne SiNx te vermy en die nadelige uitwerking daarvan op die kristalkwaliteit van GaN/AlN/Si (111)-materiale te verminder, moet TMAl gewoonlik vir 'n sekere tydperk ingebring word voor epitaksiale groei van die AlN-bufferlaag om te verhoed dat NH3 met die blootgestelde Si-oppervlak reageer om SiNx te vorm. Boonop kan epitaksiale tegnologieë soos patroonsubstraattegnologie gebruik word om die kwaliteit van die epitaksiale laag te verbeter. Die ontwikkeling van hierdie tegnologieë help om die vorming van SiNx by die epitaksiale koppelvlak te inhibeer, die tweedimensionele groei van die GaN epitaksiale laag te bevorder en die groeikwaliteit van die epitaksiale laag te verbeter. Daarbenewens word 'n AlN bufferlaag ingebring om te kompenseer vir die trekspanning wat veroorsaak word deur die verskil in termiese uitsettingskoëffisiënte om krake in die GaN epitaksiale laag op die silikon substraat te vermy. Krost se navorsing toon dat daar 'n positiewe korrelasie is tussen die dikte van die AlN-bufferlaag en die vermindering in vervorming. Wanneer die bufferlaagdikte 12nm bereik, kan 'n epitaksiale laag dikker as 6μm op 'n silikonsubstraat gekweek word deur 'n toepaslike groeiskema sonder dat epitaksiale laag kraak.
Na langtermynpogings deur navorsers is die kwaliteit van GaN-epitaksiale lae wat op silikonsubstrate gegroei is aansienlik verbeter, en toestelle soos veldeffektransistors, Schottky-versperring ultravioletdetektors, blougroen LED's en ultravioletlasers het aansienlike vordering gemaak.
Ter opsomming, aangesien die algemeen gebruikte GaN-epitaksiale substrate almal heterogene epitaksie is, het hulle almal algemene probleme soos roostermispassing en groot verskille in termiese uitsettingskoëffisiënte in verskillende grade. Homogene epitaksiale GaN-substrate word beperk deur die volwassenheid van tegnologie, en die substrate is nog nie massa-geproduseer nie. Die produksiekoste is hoog, die substraatgrootte is klein en die substraatkwaliteit is nie ideaal nie. Die ontwikkeling van nuwe GaN epitaksiale substrate en die verbetering van epitaksiale kwaliteit is steeds een van die belangrike faktore wat die verdere ontwikkeling van die GaN epitaksiale industrie beperk.
IV. Algemene metodes vir GaN epitaksie
MOCVD (chemiese dampneerslag)
Dit blyk dat homogene epitaksie op GaN-substrate die beste keuse vir GaN-epitaksie is. Aangesien die voorlopers van chemiese dampneerslag egter trimetielgallium en ammoniak is, en die draergas waterstof is, is die tipiese MOCVD-groeitemperatuur ongeveer 1000-1100 ℃, en die groeitempo van MOCVD is ongeveer 'n paar mikron per uur. Dit kan steil raakvlakke op atoomvlak produseer, wat baie geskik is vir die groei van hetero-aansluitings, kwantumputte, superroosters en ander strukture. Die vinnige groeitempo, goeie eenvormigheid en geskiktheid vir groot-area en multi-stuk groei word dikwels in industriële produksie gebruik.
MBE (molekulêre bundel epitaksie)
In molekulêre bundelepitaksie gebruik Ga 'n elementêre bron, en aktiewe stikstof word verkry uit stikstof deur RF plasma. In vergelyking met die MOCVD-metode is die MBE-groeitemperatuur ongeveer 350-400 ℃ laer. Die laer groeitemperatuur kan sekere besoedeling vermy wat deur hoë temperatuur omgewings veroorsaak kan word. Die MBE-stelsel werk onder ultrahoë vakuum, wat dit toelaat om meer in-situ opsporing metodes te integreer. Terselfdertyd kan sy groeikoers en produksievermoë nie met MOCVD vergelyk word nie, en dit word meer in wetenskaplike navorsing gebruik [7].
Figuur 5 (a) Eiko-MBE skematiese (b) MBE hoofreaksie kamer skematies
HVPE metode (hidried dampfase epitaksie)
Die voorlopers van die hidried dampfase epitaksie metode is GaCl3 en NH3. Detchprohm et al. het hierdie metode gebruik om 'n GaN epitaksiale laag honderde mikron dik op die oppervlak van 'n saffier substraat te laat groei. In hul eksperiment is 'n laag ZnO tussen die saffiersubstraat en die epitaksiale laag as 'n bufferlaag gegroei, en die epitaksiale laag is van die substraatoppervlak afgeskil. In vergelyking met MOCVD en MBE, is die hoofkenmerk van die HVPE-metode sy hoë groeitempo, wat geskik is vir die vervaardiging van dik lae en grootmaatmateriaal. Wanneer die dikte van die epitaksiale laag egter 20μm oorskry, is die epitaksiale laag wat deur hierdie metode vervaardig word, geneig tot krake.
Akira USUI het patroonsubstraattegnologie bekendgestel wat op hierdie metode gebaseer is. Hulle het eers 'n dun 1-1.5μm dik GaN epitaksiale laag op 'n saffier substraat gegroei deur die MOCVD metode te gebruik. Die epitaksiale laag het bestaan uit 'n 20nm dik GaN bufferlaag wat onder lae temperatuur toestande gegroei is en 'n GaN laag gegroei onder hoë temperatuur toestande. Toe, by 430℃, is 'n laag SiO2 op die oppervlak van die epitaksiale laag geplaat, en vensterstrepe is op die SiO2-film gemaak deur fotolitografie. Die streepspasiëring was 7μm en die maskerwydte het gewissel van 1μm tot 4μm. Na hierdie verbetering het hulle 'n GaN epitaksiale laag op 'n 2-duim deursnee saffiersubstraat verkry wat kraakvry en so glad soos 'n spieël was, selfs wanneer die dikte tot tiene of selfs honderde mikrons toegeneem het. Die defekdigtheid is verminder van 109-1010cm-2 van die tradisionele HVPE-metode tot ongeveer 6×107cm-2. Hulle het ook in die eksperiment daarop gewys dat wanneer die groeitempo 75μm/h oorskry, die monsteroppervlak grof sou word[8].
Figuur 6 Grafiese Substraat Skematiese
V. Opsomming en vooruitsigte
GaN-materiaal het in 2014 begin verskyn toe die bloulig-LED daardie jaar die Nobelprys in Fisika gewen het en die publiek se veld van vinniglaaitoepassings in die verbruikerselektronika-veld betree het. Trouens, toepassings in die kragversterkers en RF-toestelle wat in 5G-basisstasies gebruik word wat die meeste mense nie kan sien nie, het ook stilweg na vore gekom. In onlangse jare word verwag dat die deurbraak van GaN-gebaseerde motorkragtoestelle nuwe groeipunte vir die GaN-materiaaltoepassingsmark sal oopmaak.
Die groot markaanvraag sal sekerlik die ontwikkeling van GaN-verwante nywerhede en tegnologieë bevorder. Met die volwassenheid en verbetering van die GaN-verwante industriële ketting, sal die probleme waarmee die huidige GaN epitaksiale tegnologie te kampe het uiteindelik verbeter of oorkom word. In die toekoms sal mense sekerlik meer nuwe epitaksiale tegnologieë en meer uitstekende substraatopsies ontwikkel. Teen daardie tyd sal mense die mees geskikte eksterne navorsingstegnologie en -substraat vir verskillende toepassingscenario's kan kies volgens die kenmerke van die toepassingscenario's, en die mees mededingende pasgemaakte produkte kan produseer.
Pos tyd: Jun-28-2024