1. Semicondutturi di terza generazione
A tecnulugia di semiconductor di prima generazione hè stata sviluppata basatu annantu à materiali semiconductor cum'è Si è Ge. Hè a basa materiale per u sviluppu di transistors è tecnulugia di circuiti integrati. I materiali semiconduttori di prima generazione pusonu i fundamenti per l'industria elettronica in u XXu seculu è sò i materiali basi per a tecnulugia di circuiti integrati.
I materiali semiconduttori di a seconda generazione includenu principarmenti l'arsenidu di gallu, u fosfuru d'indiu, u fosfuru di galiu, l'arsenidu di indiu, l'arsenidu d'aluminiu è i so cumposti ternari. I materiali semiconduttori di seconda generazione sò u fundamentu di l'industria di l'informazioni optoelettronica. In questa basa, sò stati sviluppati industrii cunnessi cum'è l'illuminazione, a visualizazione, u laser è a fotovoltaica. Sò largamente utilizati in a tecnulugia di l'informatica cuntempuranea è l'industrii di visualizazione optoelettronica.
I materiali rapprisentanti di i materiali semiconduttori di terza generazione includenu nitruru di galiu è carburu di siliciu. A causa di a so banda larga, a velocità di deriva di saturazione di l'elettroni elevata, alta conducibilità termale è alta forza di campu di ruptura, sò materiali ideali per a preparazione di apparecchi elettronichi di alta putenza, alta frequenza è bassa perdita. À mezu à elli, i dispusitivi di putenza di carburu di siliciu anu i vantaghji di una alta densità d'energia, un bassu cunsumu d'energia è una piccula dimensione, è anu una larga prospettiva d'applicazione in i veiculi di l'energia nova, fotovoltaica, trasportu ferroviariu, big data è altri campi. I dispusitivi RF di nitruru di galiu anu i vantaghji di l'alta frequenza, alta putenza, larghezza di banda larga, bassu cunsumu d'energia è piccula dimensione, è anu una larga prospettiva di applicazione in cumunicazioni 5G, Internet di e cose, radar militari è altri campi. Inoltre, i dispositi di putenza basati in nitruru di gallu sò stati largamente usati in u campu di bassa tensione. Inoltre, in l'ultimi anni, i materiali emergenti di l'ossidu di galliu sò previsti per furmà una complementarità tecnica cù e tecnulugia SiC è GaN esistenti, è anu potenziale prospettive di applicazione in i campi di bassa frequenza è alta tensione.
Comparatu cù i materiali semiconduttori di a seconda generazione, i materiali semiconduttori di a terza generazione anu una larghezza di banda più larga (a larghezza di banda di Si, un materiale tipicu di u materiale di semiconduttore di prima generazione, hè di circa 1.1eV, a larghezza di banda di GaAs, un tipicu). materiale di u materiale semiconductor di seconda generazione, hè di circa 1.42eV, è a larghezza di banda di GaN, un materiale tipicu di u materiale semiconductor di terza generazione, hè sopra 2.3eV), resistenza à a radiazione più forte, resistenza più forte à a rottura di u campu elettricu è a resistenza di a temperatura più alta. I materiali semiconduttori di terza generazione cù una larghezza di banda larga più larga sò particularmente adattati per a produzzione di apparecchi elettronichi resistenti à a radiazione, d'alta frequenza, d'alta putenza è di alta densità d'integrazione. E so appiicazioni in i dispositi di frequenze radio à microonde, LED, laser, apparecchi di putere è altri campi anu attiratu assai l'attenzione, è anu dimustratu ampi prospettivi di sviluppu in cumunicazioni mobili, reti intelligenti, transitu ferroviariu, veiculi d'energia nova, elettronica di cunsumazione è ultraviolet è blu. -dispositivi di luce verde [1].
Fonte di l'imaghjini: CASA, Zheshang Securities Research Institute
Figura 1 Scala di tempu è previsione di u dispusitivu di putenza GaN
II struttura di materiale GaN è caratteristiche
GaN hè un semiconductor bandgap direttu. A larghezza di banda di a struttura di wurtzite à a temperatura di l'ambienti hè di circa 3.26eV. I materiali GaN anu trè strutture cristalline principali, à dì a struttura di wurtzite, a struttura di sphalerite è a struttura di sal di roccia. Trà elli, a struttura di wurtzite hè a struttura cristallina più stabile. A Figura 2 hè un diagramma di a struttura di wurtzite esagonale di GaN. A struttura wurtzite di u materiale GaN appartene à una struttura esagonale stretta. Ogni cellula unità hà 12 atomi, cumpresi 6 atomi N è 6 atomi Ga. Ogni atomu Ga (N) forma un ligame cù i 4 atomi N (Ga) più vicini è hè impilatu in l'ordine di ABABAB ... longu a direzzione [0001] [2].
Figura 2 Schema di cellula cristallina di a struttura Wurtzite GaN
III Sustrati cumunimenti usati per l'epitassia GaN
Sembra chì l'epitassia omogenea nantu à i sustrati GaN hè a megliu scelta per l'epitassia GaN. Tuttavia, per via di a grande energia di legame di GaN, quandu a temperatura righjunghji u puntu di fusione di 2500 ℃, a so pressione di descomposizione currispondente hè di circa 4,5 GPa. Quandu a prissioni di descomposizione hè più bassu di sta pressione, GaN ùn si funnu micca, ma si decompone direttamente. Questu rende i tecnulugii di preparazione di sustrato maturu cum'è u metudu Czochralski micca adattatu per a preparazione di substrati di cristalli unicu GaN, facendu i sustrati GaN difficiuli di pruduce in massa è costu. Dunque, i sustrati cumunimenti utilizati in a crescita epitaxial GaN sò principalmente Si, SiC, zaffiro, etc. [3].
Graficu 3 GaN è paràmetri di materiali sustrati cumunimenti usati
Epitassi GaN nantu à zaffiro
Sapphire hà pruprietà chimica stabile, hè economicu, è hà una alta maturità di l'industria di produzzione à grande scala. Dunque, hè diventatu unu di i materiali di sustrato più antichi è più utilizati in l'ingegneria di i dispositi semiconduttori. Cum'è unu di i sustrati cumunimenti utilizati per l'epitassia GaN, i prublemi principali chì devenu esse risolti per i sustrati di zaffiro sò:
✔ A causa di a grande discordanza di lattice trà zaffiro (Al2O3) è GaN (circa 15%), a densità di difetti à l'interfaccia trà a capa epitaxiale è u sustrato hè assai alta. Per riduce i so effetti avversi, u sustrato deve esse sottumessu à un pretrattamentu cumplessu prima chì u prucessu di epitaxie principia. Prima di cultivà l'epitassia GaN nantu à i sustrati di zaffiro, a superficia di u sustrato deve esse pulita strettamente per sguassà contaminanti, danni residuali di lucidatura, etc., è per pruduce passi è strutture di superficia. Allora, a superficia di u sustrato hè nitruratu per cambià e proprietà di umidificazione di a capa epitaxial. Infine, una fina capa di buffer AlN (di solitu 10-100 nm di spessore) deve esse dipositu nantu à a superficia di u sustrato è annealed à bassa temperatura per preparà a crescita epitaxial finale. Ancu cusì, a densità di dislocazione in i film epitassiali GaN cultivati nantu à i sustrati di zaffiro hè sempre più altu ch'è quellu di i filmi omoepitassiali (circa 1010cm-2, cumparatu cù a densità di dislocazione essenzialmente zero in i filmi omoepitassiali di siliciu o filmi omoepitassiali d'arsenidu di gallio, o trà 1040cm-2- 2). A densità di difetti più altu riduce a mobilità di u trasportatore, riducendu cusì a vita di u trasportatore minoritariu è riducendu a conduttività termale, tuttu ciò chì riducerà u rendiment di u dispusitivu [4];
✔ U coefficiente di espansione termica di u zaffiro hè più grande di quellu di GaN, cusì u stress cumpressivu biaxial serà generatu in a capa epitaxial durante u prucessu di rinfrescante da a temperatura di deposizione à a temperatura di l'ambienti. Per i film epitaxiali più grossi, questu stress pò causà cracking di a film o ancu u sustrato;
✔ In cunfrontu cù l'altri sustrati, a conduttività termale di i sustrati di zaffiro hè più bassu (circa 0.25W * cm-1 * K-1 à 100 ℃), è u rendiment di dissipazione di u calore hè poviru;
✔ A causa di a so poca conducibilità, i sustrati di zaffiro ùn sò micca favurevuli à a so integrazione è applicazione cù altri dispositi semiconduttori.
Ancu se a densità di difetti di strati epitassiali GaN cultivati nantu à sustrati di zaffiro hè alta, ùn pare micca riduce significativamente a prestazione optoelettronica di LED blu-verde basati in GaN, cusì i sustrati di zaffiro sò sempre sustrati cumunimenti usati per i LED basati in GaN.
Cù u sviluppu di più novi appiicazioni di i dispositi GaN, cum'è laser o altri apparecchi di putenza d'alta densità, i difetti inerenti di i sustrati di zaffiro sò diventati sempre più una limitazione in a so applicazione. Inoltre, cù u sviluppu di a tecnulugia di crescita di sustrato SiC, a riduzzione di i costi è a maturità di a tecnulugia epitaxial GaN nantu à i sustrati Si, più ricerche nantu à a crescita di strati epitaxial GaN nantu à sustrati di zaffiro hà dimustratu gradualmente una tendenza di rinfrescante.
Epitassi GaN nantu à SiC
In cunfrontu cù u zaffiro, i sustrati SiC (cristalli 4H è 6H) anu una discordanza di reticulu più chjuca cù strati epitassiali GaN (3,1%, equivalenti à film epitassiali orientati [0001]), conducibilità termica più alta (circa 3,8W * cm-1 * K). -1), etc.. In più, a cunduttività di sustrati SiC permette dinù contatti ilettricu à esse fattu nantu à u daretu di u sustrato, chì aiuta à simplificà a struttura di u dispusitivu. L'esistenza di sti vantaghji hà attiratu più è più circadori à travaglià nantu à l'epitassia GaN nantu à sustrati di carburu di siliciu.
Tuttavia, u travagliu direttamente nantu à i sustrati SiC per evità a crescita di epilayer GaN face ancu una seria di svantaghji, cumprese i seguenti:
✔ A rugosità di a superficia di i sustrati SiC hè assai più altu ch'è quella di i sustrati di zaffiro (rugosità di zaffiro 0.1nm RMS, rugosità di SiC 1nm RMS), i sustrati di SiC anu una durezza elevata è una prestazione di trasfurmazioni scarsa, è sta rugosità è u dannu residuale di lucidatura sò ancu unu di i fonti di difetti in epilayer GaN.
✔ A densità di dislocazione di viti di i sustrati SiC hè alta (densità di dislocazione 103-104cm-2), e dislocazioni di viti ponu propagate à l'epilatore GaN è riduce u rendiment di u dispusitivu;
✔ L'arrangiamentu atomicu nantu à a superficia di u sustrato induce a furmazione di difetti di stacking (BSF) in u GaN epilayer. Per GaN epitassiale nantu à sustrati SiC, ci sò parechje ordini di dispusizione atomica pussibuli nantu à u sustrato, chì risultanu in un ordine iniziale di stacking atomicu inconsistente di a capa epitaxial GaN nantu à questu, chì hè propensu à i difetti di stacking. I difetti di stacking (SF) introducenu campi elettrici integrati longu l'assi c, chì portanu à prublemi cum'è a fuga di i dispositi di separazione di u trasportatore in u pianu;
✔ U coefficiente di espansione termica di u sustrato SiC hè più chjucu cà quellu di AlN è GaN, chì provoca l'accumulazione di stress termicu trà a capa epitaxiale è u sustrato durante u prucessu di rinfrescamentu. Waltereit è Brand predichendu basatu nantu à i so risultati di ricerca chì stu prublema pò esse alleviatu o risolta da a crescita di strati epitaxial GaN nantu à strati di nucleazione AlN sottili, coherently strained;
✔ U prublema di poca umidità di l'atomi Ga. Quandu cresce strati epitaxial GaN direttamente nantu à a superficia SiC, per via di u poviru wettability trà i dui atomi, GaN hè propensu à a crescita isulana 3D nantu à a superficia di u sustrato. L'introduzione di una strata di buffer hè a suluzione più comunmente utilizata per migliurà a qualità di i materiali epitassiali in l'epitassia GaN. L'introduzione di una capa di buffer AlN o AlxGa1-xN pò migliurà efficacemente a wettability di a superficia SiC è fà chì a capa epitaxial GaN cresce in duie dimensioni. Inoltre, pò ancu regulà u stress è prevene i difetti di sustrato da stende à l'epitaxie GaN;
✔ A tecnulugia di preparazione di i sustrati SiC hè immatura, u costu di u sustrato hè altu, è ci sò pocu fornituri è pocu supply.
A ricerca di Torres et al. mostra chì l'incisione di u sustrato SiC cù H2 à alta temperatura (1600 ° C) prima di l'epitassia pò pruduce una struttura di passu più urdinata nantu à a superficia di u sustrato, ottenendu cusì un film epitaxial AlN di qualità più altu ch'è quandu hè direttamente. cultivatu nantu à a superficia di u sustrato originale. A ricerca di Xie è di a so squadra mostra ancu chì u pretrattamentu di incisione di u sustrato di carburu di siliciu pò migliurà significativamente a morfologia di a superficia è a qualità di cristalli di a capa epitaxial GaN. Smith et al. truvò chì e dislocazioni di filettatura chì urigginarianu da u sustrato / buffer layer è u buffer layer / epitaxial layer interfaces sò ligati à a piattezza di u sustrato [5].
Figura 4 morfologia TEM di campioni di strati epitassiali GaN cultivati nantu à u sustrato 6H-SiC (0001) sottu diverse cundizioni di trattamentu di a superficia (a) pulizia chimica; (b) pulizia chimica + trattamentu di plasma d'idrogenu; (c) pulizia chimica + trattamentu di plasma di l'idrogenu + 1300 ℃ trattamentu di calore di l'idrogenu per 30 min
Epitassi GaN nantu à Si
In cunfrontu cù u carburu di siliciu, u zaffiro è altri sustrati, u prucessu di preparazione di u sustrato di siliciu hè maturu, è pò furnisce in modu stabile sustrati maturi di grande dimensione cù un rendimentu elevatu di costu. À u listessu tempu, a cunduttività termale è a cunduttività elettrica sò boni, è u prucessu di u dispusitivu elettronicu Si hè maturu. A pussibilità di integrà perfettamente i dispositi GaN optoelettronici cù i dispositi elettronichi Si in u futuru face ancu a crescita di l'epitassia GaN nantu à u siliciu assai attrattiva.
Tuttavia, a causa di a grande differenza di custanti di reticulata trà u sustrato Si è u materiale GaN, l'epitassia eterogenea di GaN nantu à u sustrato Si hè una tipica epitassi di grande discrepanza, è hà ancu bisognu di affruntà una seria di prublemi:
✔ Prublemu di energia di l'interfaccia di superficia. Quandu u GaN cresce nantu à un sustrato di Si, a superficia di u sustrato di Si sarà prima nitruratu per furmà una capa di nitruru di siliciu amorfu chì ùn hè micca favurevule à a nucleazione è a crescita di GaN d'alta densità. Inoltre, a superficia di Si cuntatta prima Ga, chì corroderà a superficia di u sustrato Si. A temperature elevate, a descomposizione di a superficia di Si diffonderà in a capa epitaxiale GaN per furmà spots di siliciu neru.
✔ A discordanza constante di lattice trà GaN è Si hè grande (~ 17%), chì portarà à a furmazione di dislocazioni di filettatura d'alta densità è riduce significativamente a qualità di a capa epitaxial;
✔ In cunfrontu cù Si, GaN hà un coefficiente di espansione termale più grande (u coefficient di espansione termale di GaN hè di circa 5,6 × 10-6K-1, u coefficiente di espansione termica di Si hè di circa 2,6 × 10-6K-1), è ponu esse generati crack in u GaN. capa epitaxial durante u rinfrescante di a temperatura epitaxial à a temperatura di l'ambienti;
✔ Si réagit avec NH3 à haute température pour former SiNx polycristallin. AlN ùn pò micca formà un nucleu orientatu preferenzialmente nantu à SiNx policristalline, chì porta à una orientazione disordinata di a strata di GaN successivamente cultivata è un gran numaru di difetti, risultatu in una qualità di cristallu povira di a capa epitaxial GaN, è ancu difficultà à furmà una sola cristallina. strato epitassiale GaN [6].
Per risolve u prublema di grande discordanza di lattice, i circadori anu pruvatu à intruduce materiali cum'è AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, è SiC cum'è strati buffer nantu à sustrati Si. Per evità a furmazione di SiNx policristalline è riduce i so effetti avversi nantu à a qualità di cristalli di i materiali GaN/AlN/Si (111), TMAl hè di solitu esse introduttu per un certu periodu di tempu prima di a crescita epitaxial di u buffer AlN. per impediscenu à NH3 di reagisce cù a superficia Si esposta per furmà SiNx. Inoltre, tecnulugii epitaxiali cum'è a tecnulugia di sustrato modellati ponu esse aduprati per migliurà a qualità di a capa epitaxial. U sviluppu di sti tecnulugii aiuta à impedisce a furmazione di SiNx à l'interfaccia epitaxial, prumove a crescita bidimensionale di u stratu epitaxial GaN, è migliurà a qualità di crescita di u stratu epitaxial. Inoltre, una strata di buffer AlN hè introdutta per cumpensà a tensione di tensione causata da a diffarenza di coefficienti di espansione termale per evità crepe in a capa epitaxial GaN nantu à u sustrato di siliciu. A ricerca di Krost mostra chì ci hè una correlazione positiva trà u gruixu di a capa di buffer AlN è a riduzione di a tensione. Quandu u spessore di a capa tampone righjunghji 12 nm, una capa epitaxiale più grossa di 6 μm pò esse cultivata nantu à un sustrato di siliciu attraversu un schema di crescita adattatu senza cracking epitaxial.
Dopu à sforzi longu da i circadori, a qualità di strati epitaxial GaN cultivati nantu à sustrati di siliciu hè statu migliuratu significativamente, è i dispositi cum'è transistors à effettu di campu, detectors ultraviolet di barriera Schottky, LED blu-verde è laser ultraviolet anu fattu un prugressu significativu.
In riassuntu, postu chì i sustrati epitassiali GaN cumunimenti utilizati sò tutti epitassi eterogenei, tutti facenu prublemi cumuni cum'è a mancata di lattice è grandi differenze in i coefficienti di espansione termica à varii gradi. I sustrati GaN epitaxiali homogeni sò limitati da a maturità di a tecnulugia, è i sustrati ùn sò micca stati pruduciutu in massa. U costu di pruduzzione hè altu, a dimensione di u sustrato hè chjuca, è a qualità di u sustrato ùn hè micca ideale. U sviluppu di novi sustrati epitaxial GaN è a migliione di a qualità epitaxial sò sempre unu di i fatturi impurtanti chì limitanu u sviluppu ulteriore di l'industria epitaxial GaN.
IV. Metodi cumuni per l'epitassia GaN
MOCVD (deposizione chimica di vapore)
Sembra chì l'epitassia omogenea nantu à i sustrati GaN hè a megliu scelta per l'epitassia GaN. Tuttavia, postu chì i precursori di a deposizione chimica di vapore sò trimethylgallium è ammonia, è u gasu traspurtadore hè l'idrogenu, a temperatura tipica di crescita MOCVD hè di circa 1000-1100 ℃, è a rata di crescita di MOCVD hè di circa uni pochi microni per ora. Pò pruduce interfacce ripida à u livellu atomicu, chì hè assai adattatu per eterojunctions crescente, pozzi quantum, superlattice è altre strutture. U so ritmu di crescita veloce, a bona uniformità è l'adattabilità per a crescita di grandi spazii è multi-pezzi sò spessu usati in a produzzione industriale.
MBE (epitassia a fascio molecolare)
In l'epitassia di u fasciu moleculare, Ga usa una fonte elementale, è u nitrogenu attivu hè ottenutu da u nitrogenu attraversu u plasma RF. In cunfrontu cù u metudu MOCVD, a temperatura di crescita MBE hè di circa 350-400 ℃ più bassa. A temperatura di crescita più bassa pò evità una certa contaminazione chì pò esse causata da ambienti di alta temperatura. U sistema MBE opera sottu vacuum ultra-altu, chì permette di integrà più metudi di rilevazione in situ. À u listessu tempu, u so ritmu di crescita è a so capacità di produzzione ùn ponu esse paragunati cù MOCVD, è hè più utilizatu in a ricerca scientifica [7].
Figura 5 (a) Schema Eiko-MBE (b) Schema di a camera di reazione principale MBE
Metudu HVPE (epitassia in fase di vapore di idruru)
I precursori di u metudu di epitassi in fase di vapore di idruru sò GaCl3 è NH3. Detchprohm et al. utilizatu stu metudu per cultivà una strata epitaxial GaN centinaie di microni grossi nantu à a superficia di un sustrato di zaffiro. In u so esperimentu, una capa di ZnO hè stata cultivata trà u sustrato di zaffiro è a capa epitaxiale cum'è una capa di buffer, è a capa epitaxiale hè stata sbuchjata da a superficia di u sustrato. Comparatu cù MOCVD è MBE, a caratteristica principale di u metudu HVPE hè u so altu ritmu di crescita, chì hè adattatu per a produzzione di strati grossi è materiali in massa. Tuttavia, quandu u gruixu di a capa epitaxial supera i 20μm, a capa epitaxial prodotta da stu metudu hè propensu à cracke.
Akira USUI hà introduttu a tecnulugia di sustrato modellata basatu annantu à stu metudu. Prima anu cultivatu una fina capa epitaxial GaN di 1-1.5μm di spessore nantu à un sustrato di zaffiro utilizendu u metudu MOCVD. U stratu epitaxial hè custituitu da una strata di buffer GaN di 20 nm di spessore cultivata in cundizioni di bassa temperatura è una capa di GaN cultivata in cundizioni di alta temperatura. Allora, à 430 ℃, una strata di SiO2 hè stata placcata nantu à a superficia di a capa epitaxial, è strisce di finestra sò state fatte nantu à a film SiO2 per fotolitografia. L'écartement des stries était de 7 μm et la largeur du masque variait de 1 μm à 4 μm. Dopu à sta migliione, anu ottenutu una capa epitaxial GaN nantu à un sustrato di zaffiro di diametru di 2 pollici chì era senza cracke è liscia cum'è un specchiu ancu quandu u gruixu aumentava à decine o ancu centinaie di microni. A densità di difetti hè stata ridutta da 109-1010cm-2 di u metudu tradiziunale HVPE à circa 6 × 107cm-2. Anu ancu signalatu in l'esperimentu chì quandu u ritmu di crescita superava 75μm / h, a superficia di mostra diventerà rugosa [8].
Figura 6 Schematicu di u Substratu Graficu
V. Riassuntu è Outlook
I materiali GaN cuminciaru à emerge in u 2014 quandu u LED di luce blu hà vintu u Premiu Nobel in Fisica quellu annu, è intrutu in u campu di l'applicazioni di ricarica rapida in u campu di l'elettronica di u cunsumu. In fatti, l'applicazioni in l'amplificatori di putenza è i dispositi RF utilizati in stazioni di basa 5G chì a maiò parte di a ghjente ùn pò micca vede sò ancu emersi tranquillamente. Nta l'ultimi anni, l'avanzata di i dispositi di putenza di qualità automobilistica basati in GaN hè prevista per apre novi punti di crescita per u mercatu di applicazioni di materiale GaN.
L'immensa dumanda di u mercatu prumuverà sicuramente u sviluppu di l'industrii è e tecnulugia di GaN. Cù a maturità è a migliione di a catena industriale GaN-related, i prublemi affrontati da l'attuale tecnulugia epitaxial GaN seranu eventualmente migliurati o superati. In u futuru, a ghjente hà da sviluppà di sicuru più novi tecnulugia epitassiali è opzioni di sustrato più eccellenti. Da tandu, a ghjente hà da pudè sceglie a tecnulugia di ricerca esterna più adatta è u sustrato per diversi scenarii d'applicazione secondu e caratteristiche di i scenarii d'applicazione, è pruduce i prudutti persunalizati più competitivi.
Tempu di post: 28-jun-2024