1. Ημιαγωγοί τρίτης γενιάς
Η τεχνολογία ημιαγωγών πρώτης γενιάς αναπτύχθηκε με βάση ημιαγωγικά υλικά όπως το Si και το Ge. Αποτελεί την υλική βάση για την ανάπτυξη τρανζίστορ και τεχνολογίας ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Τα υλικά ημιαγωγών πρώτης γενιάς έθεσαν τα θεμέλια για την ηλεκτρονική βιομηχανία τον 20ο αιώνα και αποτελούν τα βασικά υλικά για την τεχνολογία των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.
Τα υλικά ημιαγωγών δεύτερης γενιάς περιλαμβάνουν κυρίως αρσενίδιο του γαλλίου, φωσφίδιο ινδίου, φωσφίδιο του γαλλίου, αρσενίδιο του ινδίου, αρσενίδιο αργιλίου και τις τριμερείς ενώσεις τους. Τα υλικά ημιαγωγών δεύτερης γενιάς αποτελούν το θεμέλιο της βιομηχανίας οπτοηλεκτρονικών πληροφοριών. Σε αυτή τη βάση, έχουν αναπτυχθεί σχετικές βιομηχανίες όπως ο φωτισμός, η οθόνη, τα λέιζερ και τα φωτοβολταϊκά. Χρησιμοποιούνται ευρέως στις σύγχρονες βιομηχανίες τεχνολογίας πληροφοριών και οπτοηλεκτρονικών οθονών.
Τα αντιπροσωπευτικά υλικά των υλικών ημιαγωγών τρίτης γενιάς περιλαμβάνουν το νιτρίδιο του γαλλίου και το καρβίδιο του πυριτίου. Λόγω του μεγάλου χάσματος ζώνης, της υψηλής ταχύτητας μετατόπισης κορεσμού ηλεκτρονίων, της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας και της υψηλής ισχύος πεδίου διάσπασης, είναι ιδανικά υλικά για την προετοιμασία ηλεκτρονικών συσκευών υψηλής πυκνότητας, υψηλής συχνότητας και χαμηλής απώλειας ισχύος. Μεταξύ αυτών, οι συσκευές ισχύος από καρβίδιο του πυριτίου έχουν τα πλεονεκτήματα της υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας και του μικρού μεγέθους και έχουν ευρείες προοπτικές εφαρμογής σε οχήματα νέας ενέργειας, φωτοβολταϊκά, σιδηροδρομικές μεταφορές, μεγάλα δεδομένα και άλλους τομείς. Οι συσκευές RF νιτριδίου του γαλλίου έχουν τα πλεονεκτήματα της υψηλής συχνότητας, της υψηλής ισχύος, του ευρέος εύρους ζώνης, της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας και του μικρού μεγέθους και έχουν ευρείες προοπτικές εφαρμογής στις επικοινωνίες 5G, το Διαδίκτυο των πραγμάτων, το στρατιωτικό ραντάρ και άλλους τομείς. Επιπλέον, οι συσκευές ισχύος με βάση το νιτρίδιο του γαλλίου έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στο πεδίο χαμηλής τάσης. Επιπλέον, τα τελευταία χρόνια, τα αναδυόμενα υλικά οξειδίου του γαλλίου αναμένεται να σχηματίσουν τεχνική συμπληρωματικότητα με τις υπάρχουσες τεχνολογίες SiC και GaN και να έχουν πιθανές προοπτικές εφαρμογής στα πεδία χαμηλής συχνότητας και υψηλής τάσης.
Σε σύγκριση με τα υλικά ημιαγωγών δεύτερης γενιάς, τα υλικά ημιαγωγών τρίτης γενιάς έχουν μεγαλύτερο πλάτος διάκενου ζώνης (το πλάτος του διάκενου ζώνης του Si, ένα τυπικό υλικό του υλικού ημιαγωγών πρώτης γενιάς, είναι περίπου 1,1 eV, το πλάτος διάκενου ζώνης των GaAs, ένα τυπικό υλικό του υλικού ημιαγωγών δεύτερης γενιάς, είναι περίπου 1,42 eV και το πλάτος του διακένου ζώνης Το GaN, ένα τυπικό υλικό του υλικού ημιαγωγών τρίτης γενιάς, είναι πάνω από 2,3eV), ισχυρότερη αντίσταση ακτινοβολίας, ισχυρότερη αντίσταση στη διάσπαση ηλεκτρικού πεδίου και αντίσταση υψηλότερης θερμοκρασίας. Τα υλικά ημιαγωγών τρίτης γενιάς με μεγαλύτερο εύρος διάκενου ζώνης είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για την παραγωγή ηλεκτρονικών συσκευών ανθεκτικών στην ακτινοβολία, υψηλής συχνότητας, υψηλής ισχύος και υψηλής πυκνότητας ολοκλήρωσης. Οι εφαρμογές τους σε συσκευές ραδιοσυχνοτήτων μικροκυμάτων, LED, λέιζερ, συσκευές ισχύος και άλλα πεδία έχουν προσελκύσει μεγάλη προσοχή και έχουν δείξει ευρείες προοπτικές ανάπτυξης σε κινητές επικοινωνίες, έξυπνα δίκτυα, σιδηροδρομικές μεταφορές, οχήματα νέας ενέργειας, ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης και υπεριώδες και μπλε -συσκευές πράσινου φωτός [1].
Πηγή εικόνας: CASA, Zheshang Securities Research Institute
Σχήμα 1 Χρονική κλίμακα και πρόβλεψη της συσκευής ισχύος GaN
II δομή και χαρακτηριστικά υλικού GaN
Το GaN είναι ένας ημιαγωγός άμεσης ζώνης. Το πλάτος διάκενου ζώνης της δομής wurtzite σε θερμοκρασία δωματίου είναι περίπου 3,26eV. Τα υλικά GaN έχουν τρεις κύριες κρυσταλλικές δομές, δηλαδή τη δομή του βουρτζίτη, τη δομή του φαλερίτη και τη δομή του πετρώματος άλατος. Μεταξύ αυτών, η δομή του wurtzite είναι η πιο σταθερή κρυσταλλική δομή. Το σχήμα 2 είναι ένα διάγραμμα της εξαγωνικής δομής βουρτζίτη του GaN. Η δομή wurtzite του υλικού GaN ανήκει σε μια εξαγωνική κλειστή δομή. Κάθε κύτταρο μονάδας έχει 12 άτομα, συμπεριλαμβανομένων 6 ατόμων Ν και 6 ατόμων Ga. Κάθε άτομο Ga (N) σχηματίζει δεσμό με τα 4 πλησιέστερα άτομα N (Ga) και στοιβάζεται με τη σειρά του ABABAB… κατά μήκος της διεύθυνσης [0001] [2].
Σχήμα 2 Διάγραμμα κρυσταλλικών κυττάρων GaN δομής Wurtzite
III Υποστρώματα που χρησιμοποιούνται συνήθως για επιταξία GaN
Φαίνεται ότι η ομοιογενής επιταξία σε υποστρώματα GaN είναι η καλύτερη επιλογή για την επίταση GaN. Ωστόσο, λόγω της μεγάλης ενέργειας δεσμού του GaN, όταν η θερμοκρασία φτάσει στο σημείο τήξης των 2500℃, η αντίστοιχη πίεση αποσύνθεσής του είναι περίπου 4,5GPa. Όταν η πίεση αποσύνθεσης είναι χαμηλότερη από αυτή την πίεση, το GaN δεν λιώνει αλλά αποσυντίθεται απευθείας. Αυτό καθιστά τις τεχνολογίες προετοιμασίας ώριμων υποστρωμάτων όπως η μέθοδος Czochralski ακατάλληλες για την παρασκευή μονοκρυσταλλικών υποστρωμάτων GaN, καθιστώντας τα υποστρώματα GaN δύσκολα στη μαζική παραγωγή και δαπανηρά. Επομένως, τα υποστρώματα που χρησιμοποιούνται συνήθως στην επιταξιακή ανάπτυξη GaN είναι κυρίως Si, SiC, ζαφείρι κ.λπ. [3].
Διάγραμμα 3 GaN και παράμετροι των συνήθως χρησιμοποιούμενων υλικών υποστρώματος
GaN επιταξία σε ζαφείρι
Το ζαφείρι έχει σταθερές χημικές ιδιότητες, είναι φθηνό και έχει υψηλή ωριμότητα στη βιομηχανία παραγωγής μεγάλης κλίμακας. Ως εκ τούτου, έχει γίνει ένα από τα πρώτα και πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα υλικά υποστρώματος στη μηχανική συσκευών ημιαγωγών. Ως ένα από τα ευρέως χρησιμοποιούμενα υποστρώματα για την επιταξία GaN, τα κύρια προβλήματα που πρέπει να επιλυθούν για τα υποστρώματα από ζαφείρι είναι:
✔ Λόγω της μεγάλης αναντιστοιχίας του πλέγματος μεταξύ του ζαφείριου (Al2O3) και του GaN (περίπου 15%), η πυκνότητα ελαττώματος στη διεπιφάνεια μεταξύ του επιταξιακού στρώματος και του υποστρώματος είναι πολύ υψηλή. Για να μειωθούν οι δυσμενείς επιπτώσεις του, το υπόστρωμα πρέπει να υποβληθεί σε πολύπλοκη προεπεξεργασία πριν ξεκινήσει η διαδικασία της επιταξίας. Πριν από την καλλιέργεια της επιταξίας GaN σε υποστρώματα ζαφείρι, η επιφάνεια του υποστρώματος πρέπει πρώτα να καθαριστεί αυστηρά για να αφαιρεθούν οι ρύποι, οι υπολειμματικές ζημιές στίλβωσης κ.λπ., και να δημιουργηθούν βαθμίδες και δομές επιφανειών βημάτων. Στη συνέχεια, η επιφάνεια του υποστρώματος νιτρώνεται για να αλλάξει οι ιδιότητες διαβροχής της επιταξιακής στρώσης. Τέλος, ένα λεπτό στρώμα ρυθμιστικού διαλύματος AlN (συνήθως πάχους 10-100 nm) πρέπει να εναποτεθεί στην επιφάνεια του υποστρώματος και να ανόπτεται σε χαμηλή θερμοκρασία για να προετοιμαστεί για την τελική επιταξιακή ανάπτυξη. Ακόμα κι έτσι, η πυκνότητα εξάρθρωσης στα επιταξιακά φιλμ GaN που αναπτύσσονται σε υποστρώματα ζαφείρι εξακολουθεί να είναι υψηλότερη από εκείνη των ομοεπιταξιακών μεμβρανών (περίπου 1010 cm-2, σε σύγκριση με ουσιαστικά μηδενική πυκνότητα εξάρθρωσης σε ομοεπιταξιακές μεμβράνες πυριτίου ή ομοεπιταξικές μεμβράνες αρσενιδίου γαλλίου, ή μεταξύ 1010 cm 2). Η υψηλότερη πυκνότητα ελαττώματος μειώνει την κινητικότητα του φορέα, μειώνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής του μειοψηφικού φορέα και μειώνοντας τη θερμική αγωγιμότητα, τα οποία θα μειώσουν την απόδοση της συσκευής [4].
✔ Ο συντελεστής θερμικής διαστολής του ζαφείρι είναι μεγαλύτερος από αυτόν του GaN, επομένως θα δημιουργηθεί διαξονική θλιπτική τάση στο επιταξιακό στρώμα κατά τη διαδικασία ψύξης από τη θερμοκρασία εναπόθεσης στη θερμοκρασία δωματίου. Για παχύτερες επιταξιακές μεμβράνες, αυτή η τάση μπορεί να προκαλέσει ράγισμα της μεμβράνης ή ακόμα και του υποστρώματος.
✔ Σε σύγκριση με άλλα υποστρώματα, η θερμική αγωγιμότητα των υποστρωμάτων από ζαφείρι είναι χαμηλότερη (περίπου 0,25W*cm-1*K-1 στους 100℃) και η απόδοση απαγωγής θερμότητας είναι κακή.
✔ Λόγω της κακής αγωγιμότητάς του, τα υποστρώματα από ζαφείρι δεν ευνοούν την ενσωμάτωση και εφαρμογή τους με άλλες συσκευές ημιαγωγών.
Αν και η πυκνότητα ελαττώματος των επιταξιακών στρωμάτων GaN που αναπτύσσονται σε υποστρώματα ζαφείρι είναι υψηλή, δεν φαίνεται να μειώνει σημαντικά την οπτοηλεκτρονική απόδοση των μπλε-πράσινων LED που βασίζονται σε GaN, επομένως τα υποστρώματα από ζαφείρι εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται συνήθως υποστρώματα για LED με βάση το GaN.
Με την ανάπτυξη περισσότερων νέων εφαρμογών συσκευών GaN, όπως λέιζερ ή άλλες συσκευές υψηλής πυκνότητας ισχύος, τα εγγενή ελαττώματα των υποστρωμάτων από ζαφείρι γίνονται όλο και περισσότερο περιορισμός στην εφαρμογή τους. Επιπλέον, με την ανάπτυξη της τεχνολογίας ανάπτυξης υποστρώματος SiC, τη μείωση του κόστους και την ωριμότητα της επιταξιακής τεχνολογίας GaN σε υποστρώματα Si, περισσότερη έρευνα για την ανάπτυξη επιταξιακών στρωμάτων GaN σε υποστρώματα ζαφείρι έδειξε σταδιακά μια τάση ψύξης.
Επίταξη GaN στο SiC
Σε σύγκριση με το ζαφείρι, τα υποστρώματα SiC (κρύσταλλοι 4Η- και 6Η) έχουν μικρότερη αναντιστοιχία πλέγματος με επιταξιακά στρώματα GaN (3,1%, ισοδύναμο με επιταξιακές μεμβράνες με προσανατολισμό [0001]), υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα (περίπου 3,8W*cm-1*K -1), κλπ. Επιπλέον, η αγωγιμότητα των υποστρωμάτων SiC επιτρέπει επίσης τις ηλεκτρικές επαφές να να κατασκευαστεί στο πίσω μέρος του υποστρώματος, γεγονός που βοηθά στην απλοποίηση της δομής της συσκευής. Η ύπαρξη αυτών των πλεονεκτημάτων έχει προσελκύσει όλο και περισσότερους ερευνητές να εργαστούν για την επιταξία GaN σε υποστρώματα καρβιδίου του πυριτίου.
Ωστόσο, η απευθείας εργασία σε υποστρώματα SiC για να αποφευχθεί η ανάπτυξη επιστιβάδων GaN αντιμετωπίζει επίσης μια σειρά από μειονεκτήματα, συμπεριλαμβανομένων των εξής:
✔ Η επιφανειακή τραχύτητα των υποστρωμάτων SiC είναι πολύ υψηλότερη από αυτή των υποστρωμάτων ζαφείρι (τραχύτητα ζαφείρι 0,1 nm RMS, τραχύτητα SiC 1 nm RMS), τα υποστρώματα SiC έχουν υψηλή σκληρότητα και κακή απόδοση επεξεργασίας και αυτή η τραχύτητα και η υπολειμματική ζημιά στίλβωσης είναι επίσης ένα από τα πηγές ελαττωμάτων στις επιστιβάδες GaN.
✔ Η πυκνότητα εξάρθρωσης βιδών των υποστρωμάτων SiC είναι υψηλή (πυκνότητα εξάρθρωσης 103-104 cm-2), οι εξαρθρώσεις των βιδών μπορεί να διαδοθούν στο επίστρωμα GaN και να μειώσουν την απόδοση της συσκευής.
✔ Η ατομική διάταξη στην επιφάνεια του υποστρώματος προκαλεί το σχηματισμό σφαλμάτων στοίβαξης (BSFs) στην επιστρωματική στιβάδα GaN. Για επιταξιακό GaN σε υποστρώματα SiC, υπάρχουν πολλαπλές πιθανές τάξεις ατομικής διάταξης στο υπόστρωμα, με αποτέλεσμα την ασυνεπή αρχική σειρά ατομικής στοίβαξης του επιταξιακού στρώματος GaN σε αυτό, το οποίο είναι επιρρεπές σε σφάλματα στοίβαξης. Τα σφάλματα στοίβαξης (SF) εισάγουν ενσωματωμένα ηλεκτρικά πεδία κατά μήκος του άξονα c, οδηγώντας σε προβλήματα όπως διαρροή συσκευών διαχωρισμού φορέα εντός του επιπέδου.
✔ Ο συντελεστής θερμικής διαστολής του υποστρώματος SiC είναι μικρότερος από αυτόν των AlN και GaN, γεγονός που προκαλεί συσσώρευση θερμικής τάσης μεταξύ του επιταξιακού στρώματος και του υποστρώματος κατά τη διαδικασία ψύξης. Οι Waltereit και Brand προέβλεψαν με βάση τα ερευνητικά τους αποτελέσματα ότι αυτό το πρόβλημα μπορεί να μετριαστεί ή να λυθεί με την ανάπτυξη επιταξιακών στρωμάτων GaN σε λεπτά, συνεκτικά τεταμένα στρώματα πυρήνωσης AlN.
✔ Το πρόβλημα της κακής διαβρεξιμότητας των ατόμων Ga. Όταν αναπτύσσονται επιταξιακά στρώματα GaN απευθείας στην επιφάνεια του SiC, λόγω της κακής διαβρεξιμότητας μεταξύ των δύο ατόμων, το GaN είναι επιρρεπές σε ανάπτυξη τρισδιάστατων νησίδων στην επιφάνεια του υποστρώματος. Η εισαγωγή ενός ρυθμιστικού στρώματος είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη λύση για τη βελτίωση της ποιότητας των επιταξιακών υλικών στην επιταξία GaN. Η εισαγωγή ενός ρυθμιστικού στρώματος AlN ή AlxGa1-xN μπορεί να βελτιώσει αποτελεσματικά τη διαβρεξιμότητα της επιφάνειας SiC και να κάνει το επιταξιακό στρώμα GaN να αναπτυχθεί σε δύο διαστάσεις. Επιπλέον, μπορεί επίσης να ρυθμίσει την καταπόνηση και να αποτρέψει την επέκταση των ελαττωμάτων του υποστρώματος στην επιταξία GaN.
✔ Η τεχνολογία προετοιμασίας των υποστρωμάτων SiC είναι ανώριμη, το κόστος του υποστρώματος είναι υψηλό και υπάρχουν λίγοι προμηθευτές και μικρή προσφορά.
Η έρευνα των Torres et al. δείχνει ότι η χάραξη του υποστρώματος SiC με H2 σε υψηλή θερμοκρασία (1600°C) πριν από την επιταξία μπορεί να δημιουργήσει μια πιο διατεταγμένη δομή βήματος στην επιφάνεια του υποστρώματος, λαμβάνοντας έτσι ένα επιταξιακό φιλμ AlN υψηλότερης ποιότητας από ό,τι όταν είναι απευθείας αναπτυχθεί στην αρχική επιφάνεια του υποστρώματος. Η έρευνα του Xie και της ομάδας του δείχνει επίσης ότι η προεπεξεργασία χάραξης του υποστρώματος καρβιδίου του πυριτίου μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τη μορφολογία της επιφάνειας και την ποιότητα των κρυστάλλων του επιταξιακού στρώματος GaN. Smith et al. διαπιστώθηκε ότι οι εξαρθρώσεις σπειρώματος που προέρχονται από τις διεπαφές υποστρώματος/στρώματος απομόνωσης και ενδιάμεσης στρώσης/επιταξιακού στρώματος σχετίζονται με την επιπεδότητα του υποστρώματος [5].
Σχήμα 4 Μορφολογία TEM δειγμάτων επιταξιακής στιβάδας GaN που αναπτύχθηκαν σε υπόστρωμα 6H-SiC (0001) υπό διαφορετικές συνθήκες επιφανειακής επεξεργασίας (α) χημικό καθαρισμό. (β) χημικός καθαρισμός + επεξεργασία πλάσματος υδρογόνου. (γ) χημικός καθαρισμός + επεξεργασία πλάσματος υδρογόνου + θερμική επεξεργασία υδρογόνου 1300℃ για 30 λεπτά
GaN επιταξία επί Si
Σε σύγκριση με το καρβίδιο του πυριτίου, το ζαφείρι και άλλα υποστρώματα, η διαδικασία προετοιμασίας υποστρώματος πυριτίου είναι ώριμη και μπορεί να παρέχει σταθερά ώριμα υποστρώματα μεγάλου μεγέθους με απόδοση υψηλού κόστους. Ταυτόχρονα, η θερμική αγωγιμότητα και η ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι καλές και η διαδικασία ηλεκτρονικής συσκευής Si είναι ώριμη. Η δυνατότητα τέλειας ενσωμάτωσης οπτοηλεκτρονικών συσκευών GaN με ηλεκτρονικές συσκευές Si στο μέλλον καθιστά επίσης πολύ ελκυστική την ανάπτυξη της επιταξίας GaN στο πυρίτιο.
Ωστόσο, λόγω της μεγάλης διαφοράς στις σταθερές πλέγματος μεταξύ του υποστρώματος Si και του υλικού GaN, η ετερογενής επιταξία του GaN στο υπόστρωμα Si είναι μια τυπική επιταξία μεγάλης αναντιστοιχίας και χρειάζεται επίσης να αντιμετωπίσει μια σειρά προβλημάτων:
✔ Πρόβλημα ενέργειας επιφανειακής διεπαφής. Όταν το GaN αναπτύσσεται σε ένα υπόστρωμα Si, η επιφάνεια του υποστρώματος Si θα νιτρωθεί πρώτα για να σχηματιστεί ένα άμορφο στρώμα νιτριδίου του πυριτίου που δεν ευνοεί τη δημιουργία πυρήνων και την ανάπτυξη του GaN υψηλής πυκνότητας. Επιπλέον, η επιφάνεια του Si θα έρθει πρώτα σε επαφή με το Ga, το οποίο θα διαβρώσει την επιφάνεια του υποστρώματος Si. Σε υψηλές θερμοκρασίες, η αποσύνθεση της επιφάνειας του Si θα διαχέεται στο επιταξιακό στρώμα GaN για να σχηματίσει μαύρες κηλίδες πυριτίου.
✔ Η αναντιστοιχία σταθερών πλέγματος μεταξύ GaN και Si είναι μεγάλη (~17%), η οποία θα οδηγήσει στο σχηματισμό εξαρθρώσεων σπειρώματος υψηλής πυκνότητας και θα μειώσει σημαντικά την ποιότητα του επιταξιακού στρώματος.
✔ Σε σύγκριση με το Si, το GaN έχει μεγαλύτερο συντελεστή θερμικής διαστολής (ο συντελεστής θερμικής διαστολής του GaN είναι περίπου 5,6×10-6K-1, ο συντελεστής θερμικής διαστολής του Si είναι περίπου 2,6×10-6K-1) και μπορεί να δημιουργηθούν ρωγμές στο GaN επιταξιακό στρώμα κατά την ψύξη της επιταξιακής θερμοκρασίας σε θερμοκρασία δωματίου.
✔ Το Si αντιδρά με το NH3 σε υψηλές θερμοκρασίες για να σχηματίσει πολυκρυσταλλικό SiNx. Το AlN δεν μπορεί να σχηματίσει έναν κατά προτίμηση προσανατολισμένο πυρήνα στο πολυκρυσταλλικό SiNx, γεγονός που οδηγεί σε διαταραγμένο προσανατολισμό του στρώματος GaN που αναπτύσσεται στη συνέχεια και σε μεγάλο αριθμό ελαττωμάτων, με αποτέλεσμα κακή κρυσταλλική ποιότητα του επιταξιακού στρώματος GaN, ακόμη και δυσκολία στο σχηματισμό μονοκρυσταλλικού επιταξιακό στρώμα GaN [6].
Προκειμένου να λυθεί το πρόβλημα της μεγάλης αναντιστοιχίας πλέγματος, οι ερευνητές προσπάθησαν να εισαγάγουν υλικά όπως AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO και SiC ως ρυθμιστικά στρώματα σε υποστρώματα Si. Προκειμένου να αποφευχθεί ο σχηματισμός πολυκρυσταλλικού SiNx και να μειωθούν οι δυσμενείς επιπτώσεις του στην ποιότητα των κρυστάλλων των υλικών GaN/AlN/Si (111), το TMAl συνήθως απαιτείται να εισάγεται για ορισμένο χρονικό διάστημα πριν από την επιταξιακή ανάπτυξη του ρυθμιστικού στρώματος AlN για να αποτρέψει την αντίδραση NH3 με την εκτεθειμένη επιφάνεια Si για να σχηματίσει SiNx. Επιπλέον, οι επιταξιακές τεχνολογίες όπως η τεχνολογία υποστρώματος με σχέδια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της ποιότητας του επιταξιακού στρώματος. Η ανάπτυξη αυτών των τεχνολογιών βοηθά στην αναστολή του σχηματισμού του SiNx στην επιταξιακή διεπιφάνεια, στην προώθηση της δισδιάστατης ανάπτυξης του επιταξιακού στρώματος GaN και στη βελτίωση της ποιότητας ανάπτυξης του επιταξιακού στρώματος. Επιπλέον, εισάγεται ένα ρυθμιστικό στρώμα AlN για να αντισταθμίσει την τάση εφελκυσμού που προκαλείται από τη διαφορά στους συντελεστές θερμικής διαστολής για να αποφευχθούν ρωγμές στο επιταξιακό στρώμα GaN στο υπόστρωμα πυριτίου. Η έρευνα του Krost δείχνει ότι υπάρχει θετική συσχέτιση μεταξύ του πάχους του ρυθμιστικού στρώματος AlN και της μείωσης της τάσης. Όταν το πάχος του ρυθμιστικού στρώματος φτάσει τα 12 nm, ένα επιταξιακό στρώμα πάχους μεγαλύτερου από 6μm μπορεί να αναπτυχθεί σε ένα υπόστρωμα πυριτίου μέσω ενός κατάλληλου σχήματος ανάπτυξης χωρίς ρωγμές του επιταξιακού στρώματος.
Μετά από μακροχρόνιες προσπάθειες ερευνητών, η ποιότητα των επιταξιακών στρωμάτων GaN που αναπτύσσονται σε υποστρώματα πυριτίου έχει βελτιωθεί σημαντικά και συσκευές όπως τρανζίστορ εφέ πεδίου, ανιχνευτές υπεριώδους φραγμού Schottky, μπλε-πράσινα LED και υπεριώδη λέιζερ έχουν σημειώσει σημαντική πρόοδο.
Συνοψίζοντας, δεδομένου ότι τα συνήθως χρησιμοποιούμενα επιταξιακά υποστρώματα GaN είναι όλα ετερογενή επιταξία, όλα αντιμετωπίζουν κοινά προβλήματα όπως αναντιστοιχία πλέγματος και μεγάλες διαφορές στους συντελεστές θερμικής διαστολής σε διάφορους βαθμούς. Τα ομοιογενή επιταξιακά υποστρώματα GaN περιορίζονται από την ωριμότητα της τεχνολογίας και τα υποστρώματα δεν έχουν ακόμη παραχθεί μαζικά. Το κόστος παραγωγής είναι υψηλό, το μέγεθος του υποστρώματος είναι μικρό και η ποιότητα του υποστρώματος δεν είναι ιδανική. Η ανάπτυξη νέων επιταξιακών υποστρωμάτων GaN και η βελτίωση της επιταξιακής ποιότητας εξακολουθούν να είναι ένας από τους σημαντικούς παράγοντες που περιορίζουν την περαιτέρω ανάπτυξη της επιταξιακής βιομηχανίας GaN.
IV. Συνήθεις μέθοδοι για την επίταση GaN
MOCVD (χημική εναπόθεση ατμών)
Φαίνεται ότι η ομοιογενής επιταξία σε υποστρώματα GaN είναι η καλύτερη επιλογή για την επίταση GaN. Ωστόσο, δεδομένου ότι οι πρόδρομοι της εναπόθεσης χημικών ατμών είναι το τριμεθυλογάλλιο και η αμμωνία και το φέρον αέριο είναι υδρογόνο, η τυπική θερμοκρασία ανάπτυξης MOCVD είναι περίπου 1000-1100℃ και ο ρυθμός ανάπτυξης του MOCVD είναι περίπου μερικά μικρά ανά ώρα. Μπορεί να παράγει απότομες διεπαφές σε ατομικό επίπεδο, το οποίο είναι πολύ κατάλληλο για την ανάπτυξη ετεροσυνδέσεων, κβαντικών φρεατίων, υπερδικτύων και άλλων δομών. Ο γρήγορος ρυθμός ανάπτυξής του, η καλή ομοιομορφία και η καταλληλότητά του για ανάπτυξη μεγάλων επιφανειών και πολλαπλών τεμαχίων χρησιμοποιούνται συχνά στη βιομηχανική παραγωγή.
MBE (επιταξία μοριακής δέσμης)
Στην επιταξία μοριακής δέσμης, το Ga χρησιμοποιεί μια στοιχειακή πηγή και το ενεργό άζωτο λαμβάνεται από το άζωτο μέσω του πλάσματος RF. Σε σύγκριση με τη μέθοδο MOCVD, η θερμοκρασία ανάπτυξης MBE είναι περίπου 350-400℃ χαμηλότερη. Η χαμηλότερη θερμοκρασία ανάπτυξης μπορεί να αποφύγει ορισμένη ρύπανση που μπορεί να προκληθεί από περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας. Το σύστημα MBE λειτουργεί υπό εξαιρετικά υψηλό κενό, το οποίο του επιτρέπει να ενσωματώνει περισσότερες μεθόδους in-situ ανίχνευσης. Ταυτόχρονα, ο ρυθμός ανάπτυξής του και η παραγωγική του ικανότητα δεν μπορούν να συγκριθούν με το MOCVD και χρησιμοποιείται περισσότερο στην επιστημονική έρευνα [7].
Σχήμα 5 (α) Σχηματικό Eiko-MBE (β) Σχηματικός θαλάμου κύριας αντίδρασης MBE
Μέθοδος HVPE (επιταξία φάσης υδριδίου ατμού)
Οι πρόδρομοι της μεθόδου επιτάξεως της φάσης υδριδίου ατμού είναι τα GaCl3 και NH3. Οι Detchprohm et al. χρησιμοποίησε αυτή τη μέθοδο για να αναπτύξει ένα επιταξιακό στρώμα GaN πάχους εκατοντάδων μικρών στην επιφάνεια ενός υποστρώματος ζαφείρι. Στο πείραμά τους, ένα στρώμα ZnO αναπτύχθηκε μεταξύ του υποστρώματος ζαφείρι και του επιταξιακού στρώματος ως ρυθμιστικό στρώμα και το επιταξιακό στρώμα αποκολλήθηκε από την επιφάνεια του υποστρώματος. Σε σύγκριση με τα MOCVD και MBE, το κύριο χαρακτηριστικό της μεθόδου HVPE είναι ο υψηλός ρυθμός ανάπτυξής της, ο οποίος είναι κατάλληλος για την παραγωγή παχύρρευστων στρωμάτων και χύδην υλικών. Ωστόσο, όταν το πάχος του επιταξιακού στρώματος υπερβαίνει τα 20μm, το επιταξιακό στρώμα που παράγεται με αυτή τη μέθοδο είναι επιρρεπές σε ρωγμές.
Η Akira USUI εισήγαγε την τεχνολογία υποστρώματος με σχέδια που βασίζεται σε αυτή τη μέθοδο. Αναπτύχθηκαν αρχικά ένα λεπτό επιταξιακό στρώμα GaN πάχους 1-1,5 μm σε ένα υπόστρωμα ζαφείρι χρησιμοποιώντας τη μέθοδο MOCVD. Το επιταξιακό στρώμα αποτελούνταν από ένα ρυθμιστικό στρώμα GaN πάχους 20 nm που αναπτύχθηκε υπό συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας και ένα στρώμα GaN που αναπτύχθηκε υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας. Στη συνέχεια, στους 430℃, ένα στρώμα SiO2 επιστρώθηκε στην επιφάνεια του επιταξιακού στρώματος και λωρίδες παραθύρου έγιναν στο φιλμ SiO2 με φωτολιθογραφία. Η απόσταση των λωρίδων ήταν 7μm και το πλάτος της μάσκας κυμαινόταν από 1μm έως 4μm. Μετά από αυτή τη βελτίωση, έλαβαν ένα επιταξιακό στρώμα GaN σε ένα υπόστρωμα ζαφείρι διαμέτρου 2 ιντσών που ήταν χωρίς ρωγμές και λείο σαν καθρέφτης, ακόμη και όταν το πάχος αυξήθηκε σε δεκάδες ή και εκατοντάδες μικρά. Η πυκνότητα του ελαττώματος μειώθηκε από 109-1010 cm-2 της παραδοσιακής μεθόδου HVPE σε περίπου 6×107 cm-2. Τόνισαν επίσης στο πείραμα ότι όταν ο ρυθμός ανάπτυξης ξεπερνούσε τα 75 μm/h, η επιφάνεια του δείγματος θα γινόταν τραχιά[8].
Εικόνα 6 Γραφικό Σχηματικό Υπόστρωμα
V. Περίληψη και προοπτική
Τα υλικά GaN άρχισαν να εμφανίζονται το 2014 όταν το μπλε φως LED κέρδισε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής εκείνη τη χρονιά και εισήλθε στον τομέα των εφαρμογών γρήγορης φόρτισης του κοινού στον τομέα των ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης. Στην πραγματικότητα, οι εφαρμογές στους ενισχυτές ισχύος και τις συσκευές ραδιοσυχνοτήτων που χρησιμοποιούνται σε σταθμούς βάσης 5G που οι περισσότεροι άνθρωποι δεν μπορούν να δουν έχουν επίσης εμφανιστεί αθόρυβα. Τα τελευταία χρόνια, η επανάσταση των συσκευών ισχύος αυτοκινητοβιομηχανίας που βασίζονται στο GaN αναμένεται να ανοίξει νέα σημεία ανάπτυξης για την αγορά εφαρμογών υλικών GaN.
Η τεράστια ζήτηση της αγοράς σίγουρα θα προωθήσει την ανάπτυξη βιομηχανιών και τεχνολογιών που σχετίζονται με το GaN. Με την ωριμότητα και τη βελτίωση της βιομηχανικής αλυσίδας που σχετίζεται με το GaN, τα προβλήματα που αντιμετωπίζει η τρέχουσα επιταξιακή τεχνολογία GaN θα βελτιωθούν τελικά ή θα ξεπεραστούν. Στο μέλλον, οι άνθρωποι θα αναπτύξουν σίγουρα περισσότερες νέες επιταξιακές τεχνολογίες και περισσότερες εξαιρετικές επιλογές υποστρώματος. Μέχρι τότε, οι άνθρωποι θα μπορούν να επιλέξουν την καταλληλότερη εξωτερική τεχνολογία έρευνας και υπόστρωμα για διαφορετικά σενάρια εφαρμογής σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά των σεναρίων εφαρμογής και να παράγουν τα πιο ανταγωνιστικά προσαρμοσμένα προϊόντα.
Ώρα δημοσίευσης: Ιουν-28-2024