1. Poluprovodnici treće generacije
Poluvodička tehnologija prve generacije razvijena je na bazi poluvodičkih materijala kao što su Si i Ge. To je materijalna osnova za razvoj tranzistora i tehnologije integriranih kola. Poluprovodnički materijali prve generacije postavili su temelje elektronske industrije u 20. stoljeću i osnovni su materijali za tehnologiju integriranih kola.
Poluvodički materijali druge generacije uglavnom uključuju galijum arsenid, indijum fosfid, galijum fosfid, indijum arsenid, aluminijum arsenid i njihova ternarna jedinjenja. Poluvodički materijali druge generacije su temelj optoelektronske informatičke industrije. Na osnovu toga su razvijene srodne industrije poput rasvjete, displeja, lasera i fotonapona. Široko se koriste u suvremenoj informacijskoj tehnologiji i industriji optoelektronskih displeja.
Reprezentativni materijali treće generacije poluvodičkih materijala uključuju galijum nitrid i silicijum karbid. Zbog svog širokog pojasa, velike brzine drifta zasićenja elektrona, visoke toplotne provodljivosti i velike jačine polja proboja, oni su idealni materijali za pripremu elektronskih uređaja velike gustine, visoke frekvencije i malih gubitaka. Među njima, uređaji za napajanje od silicijum karbida imaju prednosti visoke gustine energije, niske potrošnje energije i male veličine, i imaju široku perspektivu primene u novim energetskim vozilima, fotonaponskim sistemima, železničkom transportu, velikim podacima i drugim poljima. RF uređaji sa galijum nitridom imaju prednosti visoke frekvencije, velike snage, širokog propusnog opsega, niske potrošnje energije i male veličine, te imaju široku perspektivu primjene u 5G komunikacijama, Internetu stvari, vojnom radaru i drugim poljima. Osim toga, energetski uređaji zasnovani na galijum nitridu široko se koriste u polju niskog napona. Osim toga, posljednjih godina se očekuje da će novi materijali od galij oksida formirati tehničku komplementarnost sa postojećim SiC i GaN tehnologijama i imati potencijalne izglede za primjenu u niskofrekventnim i visokonaponskim poljima.
U poređenju sa poluprovodničkim materijalima druge generacije, poluvodički materijali treće generacije imaju širu širinu pojasnog razmaka (širina pojasnog razmaka Si, tipičnog materijala prve generacije poluprovodničkog materijala, je oko 1,1eV, širina pojasnog razmaka GaAs, tipična materijal poluprovodničkog materijala druge generacije, je oko 1,42eV, a širina pojasnog razmaka GaN, tipičnog materijala poluvodičkog materijala treće generacije, iznad 2,3 eV), jača otpornost na zračenje, jača otpornost na raspad električnog polja i veća temperaturna otpornost. Poluvodički materijali treće generacije sa većom širinom pojasa posebno su pogodni za proizvodnju elektronskih uređaja otpornih na zračenje, visoke frekvencije, velike snage i visoke gustoće integracije. Njihove primjene u mikrovalnim radiofrekventnim uređajima, LED diodama, laserima, energetskim uređajima i drugim poljima privukle su veliku pažnju, a pokazale su i široke razvojne perspektive u mobilnim komunikacijama, pametnim mrežama, željezničkom tranzitu, novim energetskim vozilima, potrošačkoj elektronici, te ultraljubičastom i plavom zračenju. -uređaji zelenog svjetla [1].
Izvor slike: CASA, Zheshang Securities Research Institute
Slika 1 Vremenska skala i prognoza GaN energetskog uređaja
II GaN struktura i karakteristike materijala
GaN je poluvodič sa direktnim razmakom. Širina pojasa vurcit strukture na sobnoj temperaturi je oko 3,26eV. GaN materijali imaju tri glavne kristalne strukture, odnosno strukturu vurcita, strukturu sfalerita i strukturu kamene soli. Među njima, wurtzit struktura je najstabilnija kristalna struktura. Slika 2 je dijagram heksagonalne vurcitne strukture GaN. Wurtzit struktura GaN materijala pripada heksagonalnoj zbijenoj strukturi. Svaka jedinična ćelija ima 12 atoma, uključujući 6 atoma N i 6 atoma Ga. Svaki atom Ga (N) formira vezu sa 4 najbliža N (Ga) atoma i složen je redom ABABAB… duž [0001] pravca [2].
Slika 2 Struktura vircita GaN dijagram kristalne ćelije
III Uobičajene podloge za GaN epitaksiju
Čini se da je homogena epitaksija na GaN podlogama najbolji izbor za GaN epitaksiju. Međutim, zbog velike energije veze GaN, kada temperatura dostigne tačku topljenja od 2500 ℃, njegov odgovarajući pritisak raspadanja je oko 4,5 GPa. Kada je pritisak raspadanja niži od ovog pritiska, GaN se ne topi već se direktno razlaže. Ovo čini tehnologije pripreme zrelih supstrata kao što je Czochralski metoda neprikladnim za pripremu monokristalnih supstrata GaN, što čini GaN supstrate teškim za masovnu proizvodnju i skupim. Stoga su supstrati koji se obično koriste u GaN epitaksijalnom rastu uglavnom Si, SiC, safir, itd. [3].
Grafikon 3 GaN i parametri najčešće korištenih materijala supstrata
GaN epitaksija na safiru
Safir ima stabilna hemijska svojstva, jeftin je i ima visoku zrelost u industriji velike proizvodnje. Stoga je postao jedan od najranijih i najčešće korištenih supstratnih materijala u inženjerstvu poluvodičkih uređaja. Kao jedan od najčešće korištenih supstrata za GaN epitaksiju, glavni problemi koje treba riješiti za safirne supstrate su:
✔ Zbog velike neusklađenosti rešetke između safira (Al2O3) i GaN (oko 15%), gustina defekta na granici između epitaksijalnog sloja i supstrata je vrlo visoka. Kako bi se smanjili njeni štetni efekti, supstrat se mora podvrgnuti složenoj prethodnoj obradi prije početka procesa epitaksije. Prije uzgoja GaN epitaksije na safirnim podlogama, površina podloge prvo mora biti strogo očišćena kako bi se uklonili zagađivači, zaostala oštećenja od poliranja, itd., i kako bi se proizvele stepenice i strukture stepenica. Zatim se površina podloge nitrira kako bi se promijenila svojstva vlaženja epitaksijalnog sloja. Konačno, tanak AlN puferski sloj (obično debljine 10-100 nm) treba nanijeti na površinu supstrata i žariti na niskoj temperaturi kako bi se pripremio za konačni epitaksijalni rast. Čak i tako, gustina dislokacija u GaN epitaksijalnim filmovima uzgojenim na safirnim supstratima je i dalje veća od one kod homoepitaksijalnih filmova (oko 1010 cm-2, u poređenju sa gustinom dislokacija u suštini nultom u silicijumskim homoepitaksijalnim filmovima ili homoepitaksijalnim filmovima galij arsenida2, ili-10 10 cm). 2). Veća gustina defekata smanjuje mobilnost nosača, skraćujući tako životni vijek manjinskih nosača i smanjuje toplinsku provodljivost, što će sve smanjiti performanse uređaja [4];
✔ Koeficijent termičke ekspanzije safira je veći od GaN, tako da će se u epitaksijalnom sloju stvoriti biaksijalni kompresioni napon tokom procesa hlađenja od temperature taloženja do sobne temperature. Za deblje epitaksijalne filmove, ovo naprezanje može uzrokovati pucanje filma ili čak podloge;
✔ U poređenju sa drugim podlogama, toplotna provodljivost safirnih supstrata je niža (oko 0,25W*cm-1*K-1 na 100℃), a učinak odvođenja toplote je loš;
✔ Zbog svoje slabe provodljivosti, safirne podloge nisu pogodne za njihovu integraciju i primjenu s drugim poluvodičkim uređajima.
Iako je gustina defekta GaN epitaksijalnih slojeva uzgojenih na safirnim supstratima visoka, čini se da ne umanjuje značajno optoelektronske performanse plavo-zelenih LED dioda na bazi GaN, tako da su safirne podloge još uvijek često korištene supstrate za LED diode na bazi GaN.
S razvojem novih primjena GaN uređaja kao što su laseri ili drugi uređaji visoke gustoće energije, inherentni defekti safirnih supstrata sve više postaju ograničenje njihove primjene. Osim toga, s razvojem tehnologije rasta SiC supstrata, smanjenjem troškova i zrelošću GaN epitaksijalne tehnologije na Si supstratima, više istraživanja rasta GaN epitaksijalnih slojeva na safirnim podlogama postepeno je pokazalo trend hlađenja.
GaN epitaksija na SiC
U poređenju sa safirom, SiC supstrati (4H- i 6H-kristali) imaju manju neusklađenost rešetke sa epitaksijalnim slojevima GaN (3,1%, što je ekvivalentno [0001] orijentisanim epitaksijalnim filmovima), veću toplotnu provodljivost (oko 3,8W*cm-1*K -1), itd. Osim toga, provodljivost SiC supstrata omogućava i električne kontakte biti napravljen na poleđini podloge, što pomaže da se pojednostavi struktura uređaja. Postojanje ovih prednosti privlači sve više istraživača da rade na GaN epitaksiji na podlogama od silicijum karbida.
Međutim, rad direktno na SiC supstratima kako bi se izbjegao rast GaN epislojeva također se suočava s nizom nedostataka, uključujući sljedeće:
✔ Površinska hrapavost SiC supstrata je mnogo veća nego kod safirnih supstrata (hrapavost safira 0,1nm RMS, SiC hrapavost 1nm RMS), SiC podloge imaju visoku tvrdoću i loše performanse obrade, a ova hrapavost i zaostala oštećenja od poliranja su takođe jedan od izvori defekata u GaN epislojevima.
✔ Gustina vijčane dislokacije SiC supstrata je visoka (gustina dislokacija 103-104cm-2), dislokacije vijaka se mogu širiti do GaN epilayera i smanjiti performanse uređaja;
✔ Raspored atoma na površini supstrata izaziva formiranje grešaka u slaganju (BSF) u episloju GaN. Za epitaksijalni GaN na SiC supstratima, postoji više mogućih redosleda atomskog rasporeda na supstratu, što rezultira nedoslednim početnim redosledom atomskog slaganja epitaksijalnog GaN sloja na njemu, koji je sklon greškama u slaganju. Greške slaganja (SF) uvode ugrađena električna polja duž c-ose, što dovodi do problema kao što je curenje uređaja za odvajanje nosača u ravni;
✔ Koeficijent toplinskog širenja SiC podloge je manji od koeficijenta AlN i GaN, što uzrokuje akumulaciju termičkog naprezanja između epitaksijalnog sloja i podloge tokom procesa hlađenja. Waltereit i Brand predvidjeli su na osnovu rezultata svojih istraživanja da se ovaj problem može ublažiti ili riješiti uzgojem GaN epitaksijalnih slojeva na tankim, koherentno napregnutim AlN nukleacijskim slojevima;
✔ Problem slabe kvašljivosti Ga atoma. Kada se GaN epitaksijalni slojevi uzgajaju direktno na površini SiC, zbog loše kvašenja između dva atoma, GaN je sklon rastu 3D ostrva na površini supstrata. Uvođenje puferskog sloja je najčešće korišteno rješenje za poboljšanje kvaliteta epitaksijalnih materijala u GaN epitaksiji. Uvođenje AlN ili AlxGa1-xN puferskog sloja može efikasno poboljšati kvašenje površine SiC i učiniti da epitaksijalni sloj GaN raste u dvije dimenzije. Osim toga, može također regulirati stres i spriječiti da se defekti supstrata prošire na GaN epitaksiju;
✔ Tehnologija pripreme SiC supstrata je nezrela, cijena supstrata je visoka, a ima malo dobavljača i malo ponude.
Istraživanje Torresa i saradnika pokazuje da nagrizanje SiC supstrata sa H2 na visokoj temperaturi (1600°C) prije epitaksije može proizvesti uređeniju stepenastu strukturu na površini supstrata, čime se dobija kvalitetniji AlN epitaksijalni film nego kada je direktno uzgojene na originalnoj površini supstrata. Istraživanje Xiea i njegovog tima također pokazuje da predtretman jetkanjem supstrata od silicijum karbida može značajno poboljšati morfologiju površine i kvalitet kristala GaN epitaksijalnog sloja. Smith et al. otkrili su da su navojne dislokacije koje potiču iz supstrata/tampon sloja i međusloja međusloja/epitaksijalnog sloja povezane s ravnošću supstrata [5].
Slika 4 TEM morfologija uzoraka epitaksijalnog sloja GaN uzgojenih na 6H-SiC supstratu (0001) pod različitim uvjetima površinske obrade (a) kemijsko čišćenje; (b) hemijsko čišćenje + tretman vodoničnom plazmom; (c) hemijsko čišćenje + tretman vodoničnom plazmom + toplotna obrada vodonikom na 1300℃ u trajanju od 30 minuta
GaN epitaksija na Si
U poređenju sa silicijum karbidom, safirom i drugim supstratima, proces pripreme silicijumske podloge je zreo i može stabilno da obezbedi zrele podloge velikih dimenzija sa visokim performansama. Istovremeno, toplotna provodljivost i električna provodljivost su dobre, a proces Si elektronskih uređaja je zreo. Mogućnost savršene integracije optoelektronskih GaN uređaja sa Si elektronskim uređajima u budućnosti takođe čini razvoj GaN epitaksije na silicijumu veoma atraktivnim.
Međutim, zbog velike razlike u konstantama rešetke između Si supstrata i GaN materijala, heterogena epitaksija GaN na Si supstratu je tipična epitaksija velike neusklađenosti, a također se mora suočiti s nizom problema:
✔ Problem sa energijom površinskog interfejsa. Kada GaN raste na Si supstratu, površina Si supstrata će se prvo nitrirati kako bi se formirao sloj amorfnog silicijum nitrida koji ne pogoduje nukleaciji i rastu GaN visoke gustine. Osim toga, površina Si će prvo kontaktirati Ga, koji će korodirati površinu Si supstrata. Na visokim temperaturama, razlaganje površine Si će difundirati u epitaksijalni sloj GaN i formirati crne silikonske mrlje.
✔ Neusklađenost konstante rešetke između GaN i Si je velika (~17%), što će dovesti do stvaranja dislokacija navoja visoke gustine i značajno smanjiti kvalitet epitaksijalnog sloja;
✔ U poređenju sa Si, GaN ima veći koeficijent termičke ekspanzije (GaN-ov koeficijent termičke ekspanzije je oko 5,6×10-6K-1, Si-ov koeficijent termičkog širenja je oko 2,6×10-6K-1), a pukotine se mogu generisati u GaN epitaksijalni sloj tokom hlađenja epitaksijalne temperature na sobnu temperaturu;
✔ Si reaguje sa NH3 na visokim temperaturama i formira polikristalni SiNx. AlN ne može formirati preferencijalno orijentisanu jezgru na polikristalnom SiNxu, što dovodi do neuređene orijentacije naknadno izraslog sloja GaN i velikog broja defekata, što rezultira lošim kristalnim kvalitetom epitaksijalnog sloja GaN, pa čak i poteškoćama u formiranju monokristalnog sloja. GaN epitaksijalni sloj [6].
Kako bi riješili problem velike neusklađenosti rešetke, istraživači su pokušali uvesti materijale kao što su AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO i SiC kao puferske slojeve na Si supstratima. Kako bi se izbjeglo stvaranje polikristalnog SiNx i smanjio njegov štetni utjecaj na kristalnu kvalitetu GaN/AlN/Si (111) materijala, obično je potrebno uvesti TMAl na određeni vremenski period prije epitaksijalnog rasta AlN puferskog sloja. kako bi se spriječilo da NH3 reaguje sa izloženom površinom Si i nastane SiNx. Osim toga, epitaksijalne tehnologije kao što je tehnologija supstrata sa uzorkom mogu se koristiti za poboljšanje kvaliteta epitaksijalnog sloja. Razvoj ovih tehnologija pomaže u inhibiciji formiranja SiNx na epitaksijalnom interfejsu, promoviše dvodimenzionalni rast epitaksijalnog sloja GaN i poboljšava kvalitet rasta epitaksijalnog sloja. Dodatno, uvodi se AlN puferski sloj kako bi se kompenziralo vlačno naprezanje uzrokovano razlikom u koeficijentima toplinskog širenja kako bi se izbjegle pukotine u epitaksijalnom sloju GaN na silikonskoj podlozi. Krostovo istraživanje pokazuje da postoji pozitivna korelacija između debljine AlN puferskog sloja i smanjenja deformacije. Kada debljina tampon sloja dostigne 12nm, epitaksijalni sloj deblji od 6μm može se uzgajati na silikonskoj podlozi kroz odgovarajuću shemu rasta bez pucanja epitaksijalnog sloja.
Nakon dugotrajnih napora istraživača, kvalitet GaN epitaksijalnih slojeva uzgojenih na silikonskim supstratima je značajno poboljšan, a uređaji kao što su tranzistori s efektom polja, ultraljubičasti detektori s Schottky barijerom, plavo-zelene LED diode i ultraljubičasti laseri su postigli značajan napredak.
Ukratko, budući da su najčešće korišteni GaN epitaksijalni supstrati heterogena epitaksija, svi se oni suočavaju sa zajedničkim problemima kao što su neusklađenost rešetke i velike razlike u koeficijentima toplinske ekspanzije do različitog stupnja. Homogeni epitaksijalni GaN supstrati su ograničeni zrelošću tehnologije, a supstrati još nisu masovno proizvedeni. Troškovi proizvodnje su visoki, veličina podloge je mala, a kvaliteta podloge nije idealna. Razvoj novih GaN epitaksijalnih supstrata i poboljšanje epitaksijalne kvalitete i dalje su jedan od važnih faktora koji ograničavaju dalji razvoj GaN epitaksijalne industrije.
IV. Uobičajene metode za GaN epitaksiju
MOCVD (hemijsko taloženje pare)
Čini se da je homogena epitaksija na GaN podlogama najbolji izbor za GaN epitaksiju. Međutim, budući da su prekursori hemijskog taloženja iz pare trimetilgalijum i amonijak, a gas nosač je vodonik, tipična temperatura rasta MOCVD je oko 1000-1100℃, a brzina rasta MOCVD je oko nekoliko mikrona na sat. Može proizvesti strme sučelje na atomskom nivou, što je vrlo pogodno za rastuće heterospojnice, kvantne bušotine, superrešetke i druge strukture. Njegova brza stopa rasta, dobra uniformnost i pogodnost za rast velikih površina i više komada često se koriste u industrijskoj proizvodnji.
MBE (epitaksija molekularnim snopom)
U epitaksiji molekularnim snopom, Ga koristi elementarni izvor, a aktivni dušik se dobija iz dušika kroz RF plazmu. U poređenju sa MOCVD metodom, temperatura rasta MBE je oko 350-400℃ niža. Niža temperatura rasta može izbjeći određeno zagađenje koje može biti uzrokovano visokim temperaturama. MBE sistem radi pod ultra-visokim vakuumom, što mu omogućava da integriše više metoda detekcije na licu mesta. Istovremeno, njegova stopa rasta i proizvodni kapacitet ne mogu se porediti s MOCVD-om, te se više koristi u znanstvenim istraživanjima [7].
Slika 5 (a) Eiko-MBE šema (b) Šema glavne reakcione komore MBE
HVPE metoda (epitaksija hidridne parne faze)
Prekursor metode epitaksije hidridne parne faze su GaCl3 i NH3. Detchprohm et al. koristio ovu metodu za uzgoj GaN epitaksijalnog sloja debljine stotine mikrona na površini safirne podloge. U njihovom eksperimentu, sloj ZnO je uzgajan između safirne podloge i epitaksijalnog sloja kao puferskog sloja, a epitaksijalni sloj je oljušten sa površine supstrata. U poređenju sa MOCVD i MBE, glavna karakteristika HVPE metode je njena visoka stopa rasta, koja je pogodna za proizvodnju debelih slojeva i rasutih materijala. Međutim, kada debljina epitaksijalnog sloja prelazi 20 μm, epitaksijalni sloj proizveden ovom metodom je sklon pucanju.
Akira USUI je predstavio tehnologiju supstrata sa uzorkom zasnovanu na ovoj metodi. Prvo su uzgojili tanak GaN epitaksijalni sloj debljine 1-1,5 μm na safirnoj podlozi koristeći MOCVD metodu. Epitaksijalni sloj se sastojao od 20nm debelog GaN puferskog sloja uzgojenog u uvjetima niske temperature i GaN sloja uzgojenog u uvjetima visoke temperature. Zatim je na 430℃ sloj SiO2 nanesen na površinu epitaksijalnog sloja, a na SiO2 filmu su fotolitografijom napravljene prozorske trake. Razmak između pruga bio je 7 μm, a širina maske bila je od 1 μm do 4 μm. Nakon ovog poboljšanja, dobili su GaN epitaksijalni sloj na supstratu od safira prečnika 2 inča koji je bio bez pukotina i gladak kao ogledalo čak i kada se debljina povećala na desetine ili čak stotine mikrona. Gustoća defekta smanjena je sa 109-1010cm-2 tradicionalnom HVPE metodom na oko 6×107cm-2. U eksperimentu su također istakli da kada brzina rasta prijeđe 75 μm/h, površina uzorka postaje hrapava[8].
Slika 6. Šema grafičke podloge
V. Sažetak i izgled
GaN materijali su počeli da se pojavljuju 2014. godine kada je plava LED lampa dobila Nobelovu nagradu za fiziku te godine i ušla u javno polje aplikacija za brzo punjenje u polju potrošačke elektronike. U stvari, tiho su se pojavile i aplikacije u pojačivačima snage i RF uređajima koji se koriste u 5G baznim stanicama koje većina ljudi ne vidi. Posljednjih godina se očekuje da će proboj električnih uređaja za automobilsku industriju zasnovanih na GaN-u otvoriti nove tačke rasta za tržište primjene GaN materijala.
Ogromna potražnja tržišta sigurno će promovirati razvoj industrija i tehnologija povezanih s GaN. Sa zrelošću i unapređenjem industrijskog lanca vezanog za GaN, problemi sa kojima se suočava trenutna GaN epitaksijalna tehnologija će na kraju biti poboljšani ili prevaziđeni. U budućnosti će ljudi sigurno razvijati nove epitaksijalne tehnologije i više odličnih opcija supstrata. Do tada će ljudi moći odabrati najprikladniju tehnologiju eksternog istraživanja i supstrat za različite scenarije primjene prema karakteristikama scenarija primjene i proizvesti najkonkurentnije proizvode po mjeri.
Vrijeme objave: Jun-28-2024