Kurze Einführung in Halbleiter-GaN der dritten Generation und verwandte Epitaxietechnologie

1. Halbleiter der dritten Generation

Die Halbleitertechnologie der ersten Generation wurde auf Basis von Halbleitermaterialien wie Si und Ge entwickelt. Es ist die materielle Grundlage für die Entwicklung von Transistoren und der integrierten Schaltkreistechnik. Die Halbleitermaterialien der ersten Generation legten den Grundstein für die Elektronikindustrie im 20. Jahrhundert und sind die Grundmaterialien für die Technologie integrierter Schaltkreise.

Zu den Halbleitermaterialien der zweiten Generation gehören hauptsächlich Galliumarsenid, Indiumphosphid, Galliumphosphid, Indiumarsenid, Aluminiumarsenid und deren ternäre Verbindungen. Die Halbleitermaterialien der zweiten Generation sind die Grundlage der optoelektronischen Informationsindustrie. Auf dieser Grundlage wurden verwandte Branchen wie Beleuchtung, Display, Laser und Photovoltaik entwickelt. Sie werden häufig in der modernen Informationstechnologie und der optoelektronischen Displayindustrie eingesetzt.

Zu den repräsentativen Materialien der Halbleitermaterialien der dritten Generation gehören Galliumnitrid und Siliziumkarbid. Aufgrund ihrer großen Bandlücke, hohen Elektronensättigungsdriftgeschwindigkeit, hohen Wärmeleitfähigkeit und hohen Durchbruchfeldstärke sind sie ideale Materialien für die Herstellung elektronischer Geräte mit hoher Leistungsdichte, hoher Frequenz und geringem Verlust. Unter diesen weisen Siliziumkarbid-Leistungsgeräte die Vorteile einer hohen Energiedichte, eines geringen Energieverbrauchs und einer geringen Größe auf und bieten breite Anwendungsaussichten in Fahrzeugen mit neuer Energie, Photovoltaik, Schienenverkehr, Big Data und anderen Bereichen. Galliumnitrid-HF-Geräte zeichnen sich durch hohe Frequenz, hohe Leistung, große Bandbreite, geringen Stromverbrauch und geringe Größe aus und bieten breite Anwendungsaussichten in der 5G-Kommunikation, dem Internet der Dinge, militärischem Radar und anderen Bereichen. Darüber hinaus sind Leistungsbauelemente auf Galliumnitridbasis im Niederspannungsbereich weit verbreitet. Darüber hinaus wird erwartet, dass in den letzten Jahren neue Galliumoxidmaterialien eine technische Komplementarität mit bestehenden SiC- und GaN-Technologien bilden und potenzielle Anwendungsaussichten in den Bereichen Niederfrequenz und Hochspannung haben.

Im Vergleich zu den Halbleitermaterialien der zweiten Generation weisen die Halbleitermaterialien der dritten Generation eine größere Bandlückenbreite auf (die Bandlückenbreite von Si, einem typischen Material des Halbleitermaterials der ersten Generation, beträgt etwa 1,1 eV, die Bandlückenbreite von GaAs, einem typischen). Material des Halbleitermaterials der zweiten Generation beträgt etwa 1,42 eV, und die Bandlückenbreite von GaN, einem typischen Material des Halbleitermaterials der dritten Generation, liegt über 2,3 eV), stärkerer Strahlungswiderstand, stärkerer Widerstand zu einem elektrischen Felddurchschlag und einer höheren Temperaturbeständigkeit. Die Halbleitermaterialien der dritten Generation mit größerer Bandlückenbreite eignen sich besonders für die Herstellung von strahlungsbeständigen, hochfrequenten, leistungsstarken und hochintegrationsdichten elektronischen Geräten. Ihre Anwendungen in Mikrowellen-Hochfrequenzgeräten, LEDs, Lasern, Leistungsgeräten und anderen Bereichen haben viel Aufmerksamkeit erregt und sie haben breite Entwicklungsaussichten in den Bereichen Mobilkommunikation, Smart Grids, Schienenverkehr, Fahrzeuge mit neuer Energie, Unterhaltungselektronik sowie Ultraviolett und Blau aufgezeigt -Geräte mit grünem Licht [1].

Bildquelle: CASA, Zheshang Securities Research Institute

Abbildung 1: Zeitskala und Prognose für GaN-Leistungsgeräte

II Struktur und Eigenschaften des GaN-Materials

GaN ist ein Halbleiter mit direkter Bandlücke. Die Bandlückenbreite der Wurtzitstruktur beträgt bei Raumtemperatur etwa 3,26 eV. GaN-Materialien haben drei Hauptkristallstrukturen, nämlich die Wurtzitstruktur, die Sphaleritstruktur und die Steinsalzstruktur. Unter ihnen ist die Wurtzitstruktur die stabilste Kristallstruktur. Abbildung 2 ist ein Diagramm der hexagonalen Wurtzitstruktur von GaN. Die Wurtzit-Struktur des GaN-Materials gehört zu einer hexagonal dicht gepackten Struktur. Jede Elementarzelle besteht aus 12 Atomen, darunter 6 N-Atome und 6 Ga-Atome. Jedes Ga (N)-Atom bildet eine Bindung mit den 4 nächstgelegenen N (Ga)-Atomen und ist in der Reihenfolge ABABAB… entlang der [0001]-Richtung gestapelt [2].

Abbildung 2 Wurtzit-Struktur-GaN-Kristallzellendiagramm

III Häufig verwendete Substrate für die GaN-Epitaxie

Es scheint, dass die homogene Epitaxie auf GaN-Substraten die beste Wahl für die GaN-Epitaxie ist. Aufgrund der großen Bindungsenergie von GaN beträgt der entsprechende Zersetzungsdruck jedoch etwa 4,5 GPa, wenn die Temperatur den Schmelzpunkt von 2500 °C erreicht. Wenn der Zersetzungsdruck niedriger als dieser Druck ist, schmilzt GaN nicht, sondern zersetzt sich direkt. Dies macht ausgereifte Substratvorbereitungstechnologien wie die Czochralski-Methode für die Herstellung von GaN-Einkristallsubstraten ungeeignet, was die Massenproduktion von GaN-Substraten schwierig und kostspielig macht. Daher sind die beim GaN-Epitaxiewachstum üblicherweise verwendeten Substrate hauptsächlich Si, SiC, Saphir usw. [3].

Diagramm 3 GaN und Parameter häufig verwendeter Substratmaterialien

GaN-Epitaxie auf Saphir

Saphir hat stabile chemische Eigenschaften, ist billig und hat eine hohe Reife in der Großindustrie. Daher ist es zu einem der frühesten und am weitesten verbreiteten Substratmaterialien in der Halbleiterbauelementtechnik geworden. Als eines der am häufigsten verwendeten Substrate für die GaN-Epitaxie müssen bei Saphirsubstraten folgende Hauptprobleme gelöst werden:

✔ Aufgrund der großen Gitterfehlanpassung zwischen Saphir (Al2O3) und GaN (ca. 15 %) ist die Defektdichte an der Grenzfläche zwischen Epitaxieschicht und Substrat sehr hoch. Um die negativen Auswirkungen zu reduzieren, muss das Substrat vor Beginn des Epitaxieprozesses einer aufwendigen Vorbehandlung unterzogen werden. Vor dem Wachstum von GaN-Epitaxie auf Saphirsubstraten muss die Substratoberfläche zunächst gründlich gereinigt werden, um Verunreinigungen, verbleibende Polierschäden usw. zu entfernen und Stufen und Stufenoberflächenstrukturen zu erzeugen. Anschließend wird die Substratoberfläche nitriert, um die Benetzungseigenschaften der Epitaxieschicht zu verändern. Schließlich muss eine dünne AlN-Pufferschicht (normalerweise 10–100 nm dick) auf der Substratoberfläche abgeschieden und bei niedriger Temperatur getempert werden, um das endgültige epitaktische Wachstum vorzubereiten. Dennoch ist die Versetzungsdichte in GaN-Epitaxiefilmen, die auf Saphirsubstraten gewachsen sind, immer noch höher als die von Homoepitaxiefilmen (ungefähr 1010 cm-2, verglichen mit einer Versetzungsdichte von praktisch Null in Homoepitaxiefilmen aus Silizium oder Galliumarsenid-Homöepitaxiefilmen oder zwischen 102 und 104 cm-2). 2). Die höhere Defektdichte verringert die Ladungsträgermobilität, wodurch die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger verkürzt und die Wärmeleitfähigkeit verringert wird, was alles zu einer Verringerung der Geräteleistung führt [4];

✔ Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Saphir ist größer als der von GaN, sodass beim Abkühlen von der Abscheidungstemperatur auf Raumtemperatur eine biaxiale Druckspannung in der Epitaxieschicht erzeugt wird. Bei dickeren Epitaxiefilmen kann diese Spannung zu Rissen im Film oder sogar im Substrat führen;

✔ Im Vergleich zu anderen Substraten ist die Wärmeleitfähigkeit von Saphirsubstraten geringer (ca. 0,25 W*cm-1*K-1 bei 100℃) und die Wärmeableitungsleistung ist schlecht;

✔ Aufgrund der schlechten Leitfähigkeit eignen sich Saphirsubstrate nicht für die Integration und Anwendung mit anderen Halbleiterbauelementen.

Obwohl die Defektdichte von GaN-Epitaxieschichten, die auf Saphirsubstraten gewachsen sind, hoch ist, scheint sie die optoelektronische Leistung von GaN-basierten blaugrünen LEDs nicht wesentlich zu verringern, sodass Saphirsubstrate immer noch häufig als Substrate für GaN-basierte LEDs verwendet werden.

Mit der Entwicklung neuer Anwendungen von GaN-Geräten wie Lasern oder anderen Hochleistungsgeräten werden die inhärenten Mängel von Saphirsubstraten zunehmend zu einer Einschränkung ihrer Anwendung. Darüber hinaus haben mit der Entwicklung der SiC-Substrat-Wachstumstechnologie, der Kostensenkung und der Reife der GaN-Epitaxie-Technologie auf Si-Substraten weitere Untersuchungen zum Wachstum von GaN-Epitaxie-Schichten auf Saphir-Substraten allmählich einen Abkühlungstrend gezeigt.

GaN-Epitaxie auf SiC

Im Vergleich zu Saphir weisen SiC-Substrate (4H- und 6H-Kristalle) eine geringere Gitterfehlanpassung mit GaN-Epitaxieschichten auf (3,1 %, entspricht [0001]-orientierten Epitaxiefilmen) und eine höhere Wärmeleitfähigkeit (ca. 3,8 W*cm-1*K). -1) usw. Darüber hinaus ermöglicht die Leitfähigkeit von SiC-Substraten auch die Herstellung elektrischer Kontakte auf der Rückseite des Substrats, was zur Vereinfachung der Gerätestruktur beiträgt. Das Vorhandensein dieser Vorteile hat immer mehr Forscher dazu veranlasst, sich mit der GaN-Epitaxie auf Siliziumkarbidsubstraten zu befassen.

Das direkte Arbeiten auf SiC-Substraten zur Vermeidung des Wachstums von GaN-Epischichten bringt jedoch auch eine Reihe von Nachteilen mit sich, darunter die folgenden:

✔ Die Oberflächenrauheit von SiC-Substraten ist viel höher als die von Saphirsubstraten (Saphirrauheit 0,1 nm RMS, SiC-Rauheit 1 nm RMS). SiC-Substrate weisen eine hohe Härte und eine schlechte Verarbeitungsleistung auf, und diese Rauheit und verbleibende Polierschäden gehören ebenfalls dazu Defektquellen in GaN-Epischichten.

✔ Die Schraubenversetzungsdichte von SiC-Substraten ist hoch (Versetzungsdichte 103–104 cm-2). Schraubenversetzungen können sich auf die GaN-Epischicht ausbreiten und die Geräteleistung verringern.

✔ Die atomare Anordnung auf der Substratoberfläche induziert die Bildung von Stapelfehlern (BSFs) in der GaN-Epischicht. Bei epitaktischem GaN auf SiC-Substraten gibt es mehrere mögliche Ordnungen der atomaren Anordnung auf dem Substrat, was zu einer inkonsistenten anfänglichen atomaren Stapelreihenfolge der darauf befindlichen epitaktischen GaN-Schicht führt, die anfällig für Stapelfehler ist. Stapelfehler (Stapelfehler, SFs) führen zu eingebauten elektrischen Feldern entlang der C-Achse, was zu Problemen wie Leckagen von Trägertrennvorrichtungen in der Ebene führt;

✔ Der Wärmeausdehnungskoeffizient des SiC-Substrats ist kleiner als der von AlN und GaN, was während des Abkühlprozesses zu einer Ansammlung thermischer Spannungen zwischen der Epitaxieschicht und dem Substrat führt. Waltereit und Brand prognostizierten auf der Grundlage ihrer Forschungsergebnisse, dass dieses Problem gemildert oder gelöst werden kann, indem epitaktische GaN-Schichten auf dünnen, kohärent gespannten AlN-Keimbildungsschichten wachsen;

✔ Das Problem der schlechten Benetzbarkeit von Ga-Atomen. Wenn epitaktische GaN-Schichten direkt auf der SiC-Oberfläche wachsen, neigt GaN aufgrund der schlechten Benetzbarkeit zwischen den beiden Atomen zum 3D-Inselwachstum auf der Substratoberfläche. Das Einbringen einer Pufferschicht ist die am häufigsten verwendete Lösung zur Verbesserung der Qualität epitaktischer Materialien in der GaN-Epitaxie. Durch die Einführung einer AlN- oder AlxGa1-xN-Pufferschicht kann die Benetzbarkeit der SiC-Oberfläche effektiv verbessert und die epitaktische GaN-Schicht in zwei Dimensionen wachsen gelassen werden. Darüber hinaus kann es Spannungen regulieren und verhindern, dass sich Substratdefekte auf die GaN-Epitaxie ausdehnen.

✔ Die Herstellungstechnologie von SiC-Substraten ist unausgereift, die Substratkosten sind hoch und es gibt wenige Lieferanten und ein geringes Angebot.

Die Forschung von Torres et al. zeigt, dass das Ätzen des SiC-Substrats mit H2 bei hoher Temperatur (1600 °C) vor der Epitaxie eine geordnetere Stufenstruktur auf der Substratoberfläche erzeugen kann, wodurch ein AlN-Epitaxiefilm höherer Qualität als bei direkter Epitaxie erhalten wird auf der ursprünglichen Substratoberfläche gewachsen. Die Forschung von Xie und seinem Team zeigt auch, dass eine ätzende Vorbehandlung des Siliziumkarbidsubstrats die Oberflächenmorphologie und Kristallqualität der GaN-Epitaxieschicht deutlich verbessern kann. Smith et al. fanden heraus, dass Fadenversetzungen, die von den Grenzflächen Substrat/Pufferschicht und Pufferschicht/Epitaxieschicht ausgehen, mit der Ebenheit des Substrats zusammenhängen [5].

Abbildung 4 TEM-Morphologie von GaN-Epitaxieschichtproben, die auf einem 6H-SiC-Substrat (0001) unter verschiedenen Oberflächenbehandlungsbedingungen gewachsen sind (a) chemische Reinigung; (b) chemische Reinigung + Wasserstoffplasmabehandlung; (c) chemische Reinigung + Wasserstoffplasmabehandlung + 30-minütige Wasserstoffwärmebehandlung bei 1300 °C

GaN-Epitaxie auf Si

Im Vergleich zu Siliziumkarbid, Saphir und anderen Substraten ist der Prozess zur Herstellung von Siliziumsubstraten ausgereift und kann stabil ausgereifte großformatige Substrate mit hoher Kostenleistung liefern. Gleichzeitig sind die Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Leitfähigkeit gut und der Prozess für elektronische Si-Geräte ist ausgereift. Die Möglichkeit, optoelektronische GaN-Geräte in Zukunft perfekt in elektronische Si-Geräte zu integrieren, macht das Wachstum der GaN-Epitaxie auf Silizium auch sehr attraktiv.

Aufgrund der großen Unterschiede in den Gitterkonstanten zwischen Si-Substrat und GaN-Material ist die heterogene Epitaxie von GaN auf Si-Substrat jedoch eine typische Epitaxie mit großer Fehlanpassung und muss sich auch einer Reihe von Problemen stellen:

✔ Energieproblem der Oberflächenschnittstelle. Wenn GaN auf einem Si-Substrat wächst, wird die Oberfläche des Si-Substrats zunächst nitriert, um eine amorphe Siliziumnitridschicht zu bilden, die der Keimbildung und dem Wachstum von hochdichtem GaN nicht förderlich ist. Darüber hinaus kommt die Si-Oberfläche zunächst mit Ga in Kontakt, wodurch die Oberfläche des Si-Substrats korrodiert. Bei hohen Temperaturen diffundiert die Zersetzung der Si-Oberfläche in die GaN-Epitaxieschicht und bildet schwarze Siliziumflecken.

✔ Die Gitterkonstantenfehlanpassung zwischen GaN und Si ist groß (~17 %), was zur Bildung von Fadenversetzungen mit hoher Dichte führt und die Qualität der Epitaxieschicht erheblich verringert;

✔ Im Vergleich zu Si hat GaN einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten (der Wärmeausdehnungskoeffizient von GaN beträgt etwa 5,6×10-6K-1, der Wärmeausdehnungskoeffizient von Si beträgt etwa 2,6×10-6K-1), und im GaN können Risse entstehen Epitaxieschicht während der Abkühlung der Epitaxietemperatur auf Raumtemperatur;

✔ Si reagiert bei hohen Temperaturen mit NH3 zu polykristallinem SiNx. AlN kann auf polykristallinem SiNx keinen bevorzugt orientierten Kern bilden, was zu einer ungeordneten Ausrichtung der anschließend gewachsenen GaN-Schicht und einer hohen Anzahl von Defekten führt, was zu einer schlechten Kristallqualität der GaN-Epitaxieschicht und sogar zu Schwierigkeiten bei der Bildung eines Einkristalls führt GaN-Epitaxieschicht [6].

Um das Problem der großen Gitterfehlanpassung zu lösen, haben Forscher versucht, Materialien wie AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO und SiC als Pufferschichten auf Si-Substraten einzuführen. Um die Bildung von polykristallinem SiNx zu vermeiden und seine nachteiligen Auswirkungen auf die Kristallqualität von GaN/AlN/Si (111)-Materialien zu reduzieren, muss TMAl normalerweise für einen bestimmten Zeitraum vor dem epitaktischen Wachstum der AlN-Pufferschicht eingebracht werden um zu verhindern, dass NH3 mit der freiliegenden Si-Oberfläche unter Bildung von SiNx reagiert. Darüber hinaus können Epitaxietechnologien wie die strukturierte Substrattechnologie eingesetzt werden, um die Qualität der Epitaxieschicht zu verbessern. Die Entwicklung dieser Technologien trägt dazu bei, die Bildung von SiNx an der epitaktischen Grenzfläche zu verhindern, das zweidimensionale Wachstum der GaN-Epitaxieschicht zu fördern und die Wachstumsqualität der Epitaxieschicht zu verbessern. Darüber hinaus wird eine AlN-Pufferschicht eingebracht, um die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verursachte Zugspannung auszugleichen und so Risse in der GaN-Epitaxieschicht auf dem Siliziumsubstrat zu vermeiden. Krosts Untersuchungen zeigen, dass ein positiver Zusammenhang zwischen der Dicke der AlN-Pufferschicht und der Spannungsreduzierung besteht. Wenn die Dicke der Pufferschicht 12 nm erreicht, kann durch ein geeignetes Wachstumsschema eine Epitaxieschicht mit einer Dicke von mehr als 6 μm auf einem Siliziumsubstrat gezüchtet werden, ohne dass es zu Rissen in der Epitaxieschicht kommt.

Nach langfristigen Bemühungen der Forscher konnte die Qualität der auf Siliziumsubstraten gewachsenen GaN-Epitaxieschichten erheblich verbessert werden, und bei Geräten wie Feldeffekttransistoren, Schottky-Barriere-Ultraviolettdetektoren, blaugrünen LEDs und Ultraviolettlasern wurden erhebliche Fortschritte erzielt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die üblicherweise verwendeten GaN-Epitaxiesubstrate allesamt heterogene Epitaxiesubstrate sind und daher mit gemeinsamen Problemen wie Gitterfehlanpassungen und großen Unterschieden in den Wärmeausdehnungskoeffizienten in unterschiedlichem Ausmaß konfrontiert sind. Homogene epitaktische GaN-Substrate sind durch den Reifegrad der Technologie begrenzt und die Substrate wurden noch nicht in Massenproduktion hergestellt. Die Produktionskosten sind hoch, die Substratgröße ist klein und die Substratqualität ist nicht ideal. Die Entwicklung neuer GaN-Epitaxiesubstrate und die Verbesserung der Epitaxiequalität sind immer noch einer der wichtigen Faktoren, die die weitere Entwicklung der GaN-Epitaxieindustrie einschränken.

IV. Gängige Methoden zur GaN-Epitaxie

MOCVD (chemische Gasphasenabscheidung)

Es scheint, dass die homogene Epitaxie auf GaN-Substraten die beste Wahl für die GaN-Epitaxie ist. Da jedoch die Vorläufer der chemischen Gasphasenabscheidung Trimethylgallium und Ammoniak sind und das Trägergas Wasserstoff ist, beträgt die typische MOCVD-Wachstumstemperatur etwa 1000–1100 °C und die Wachstumsrate von MOCVD beträgt etwa einige Mikrometer pro Stunde. Es kann steile Grenzflächen auf atomarer Ebene erzeugen, was sich sehr gut für das Wachstum von Heteroübergängen, Quantentöpfen, Übergittern und anderen Strukturen eignet. Seine schnelle Wachstumsrate, gute Gleichmäßigkeit und Eignung für großflächiges und mehrteiliges Wachstum werden häufig in der industriellen Produktion genutzt.
MBE (Molekularstrahlepitaxie)
Bei der Molekularstrahlepitaxie nutzt Ga eine Elementarquelle und aktiver Stickstoff wird aus Stickstoff durch HF-Plasma gewonnen. Im Vergleich zur MOCVD-Methode ist die MBE-Wachstumstemperatur etwa 350–400 °C niedriger. Durch die niedrigere Wachstumstemperatur können bestimmte Verschmutzungen vermieden werden, die durch Umgebungen mit hohen Temperaturen verursacht werden können. Das MBE-System arbeitet im Ultrahochvakuum und ermöglicht so die Integration weiterer In-situ-Nachweismethoden. Gleichzeitig sind seine Wachstumsrate und Produktionskapazität nicht mit MOCVD zu vergleichen und es wird eher in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt [7].

Abbildung 5 (a) Eiko-MBE-Schema (b) Schema der MBE-Hauptreaktionskammer

HVPE-Methode (Hydrid-Vapor-Phase-Epitaxie)

Die Vorläufer des Hydrid-Dampfphasenepitaxieverfahrens sind GaCl3 und NH3. Detchprohm et al. nutzten diese Methode, um eine mehrere hundert Mikrometer dicke GaN-Epitaxieschicht auf der Oberfläche eines Saphirsubstrats wachsen zu lassen. In ihrem Experiment wurde eine ZnO-Schicht als Pufferschicht zwischen dem Saphirsubstrat und der Epitaxieschicht aufgewachsen und die Epitaxieschicht von der Substratoberfläche abgezogen. Im Vergleich zu MOCVD und MBE zeichnet sich das HVPE-Verfahren vor allem durch seine hohe Wachstumsrate aus, die sich für die Herstellung dicker Schichten und Schüttgüter eignet. Wenn die Dicke der Epitaxieschicht jedoch 20 μm überschreitet, ist die mit diesem Verfahren hergestellte Epitaxieschicht anfällig für Risse.
Akira USUI führte die auf dieser Methode basierende strukturierte Substrattechnologie ein. Sie ließen zunächst mithilfe der MOCVD-Methode eine dünne, 1–1,5 μm dicke GaN-Epitaxieschicht auf einem Saphirsubstrat wachsen. Die Epitaxieschicht bestand aus einer 20 nm dicken GaN-Pufferschicht, die unter Niedertemperaturbedingungen gewachsen war, und einer GaN-Schicht, die unter Hochtemperaturbedingungen gewachsen war. Dann wurde bei 430 °C eine SiO2-Schicht auf die Oberfläche der Epitaxieschicht plattiert und durch Photolithographie wurden Fensterstreifen auf dem SiO2-Film erzeugt. Der Streifenabstand betrug 7 μm und die Maskenbreite lag zwischen 1 μm und 4 μm. Nach dieser Verbesserung erhielten sie eine epitaktische GaN-Schicht auf einem Saphirsubstrat mit 2 Zoll Durchmesser, die rissfrei und spiegelglatt war, selbst wenn die Dicke auf mehrere zehn oder sogar hunderte Mikrometer anstieg. Die Defektdichte wurde von 109-1010cm-2 der herkömmlichen HVPE-Methode auf etwa 6×107cm-2 reduziert. Sie wiesen im Experiment auch darauf hin, dass die Probenoberfläche rau werden würde, wenn die Wachstumsrate 75 μm/h übersteige[8].

Abbildung 6 Grafisches Substratschema

V. Zusammenfassung und Ausblick

Die Entstehung von GaN-Materialien begann im Jahr 2014, als die Blaulicht-LED in diesem Jahr den Nobelpreis für Physik gewann, und gelangten in den öffentlichen Bereich der Schnellladeanwendungen im Bereich der Unterhaltungselektronik. Tatsächlich sind auch Anwendungen in den Leistungsverstärkern und HF-Geräten, die in 5G-Basisstationen verwendet werden und die die meisten Menschen nicht sehen können, still und leise entstanden. Es wird erwartet, dass der Durchbruch von GaN-basierten Leistungsgeräten in Automobilqualität in den letzten Jahren neue Wachstumspunkte für den Markt für GaN-Materialanwendungen eröffnen wird.
Die enorme Marktnachfrage wird sicherlich die Entwicklung von GaN-bezogenen Industrien und Technologien fördern. Mit der Reife und Verbesserung der GaN-bezogenen Industriekette werden die Probleme, mit denen die aktuelle GaN-Epitaxietechnologie konfrontiert ist, letztendlich verbessert oder überwunden. In Zukunft werden die Menschen sicherlich weitere neue Epitaxietechnologien und hervorragendere Substratoptionen entwickeln. Bis dahin werden die Menschen in der Lage sein, entsprechend den Merkmalen der Anwendungsszenarien die am besten geeignete externe Forschungstechnologie und das am besten geeignete Substrat für verschiedene Anwendungsszenarien auszuwählen und die wettbewerbsfähigsten maßgeschneiderten Produkte herzustellen.