1. Kolmanda põlvkonna pooljuhid
Esimese põlvkonna pooljuhttehnoloogia töötati välja selliste pooljuhtmaterjalide nagu Si ja Ge põhjal. See on materiaalne alus transistoride ja integraallülituste tehnoloogia arendamiseks. Esimese põlvkonna pooljuhtmaterjalid panid 20. sajandil aluse elektroonikatööstusele ja on integraallülituse tehnoloogia põhimaterjalid.
Teise põlvkonna pooljuhtmaterjalid hõlmavad peamiselt galliumarseniidi, indiumfosfiidi, galliumfosfiidi, indiumarseniidi, alumiiniumarseniidi ja nende kolmekomponentseid ühendeid. Teise põlvkonna pooljuhtmaterjalid on optoelektroonilise teabetööstuse alus. Selle põhjal on välja töötatud seotud tööstusharud, nagu valgustus, kuvar, laser ja fotogalvaanika. Neid kasutatakse laialdaselt kaasaegses infotehnoloogia ja optoelektroonilise kuvaritööstuses.
Kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalide tüüpilisteks materjalideks on galliumnitriid ja ränikarbiid. Tänu oma laiale ribalaiule, suure elektroni küllastumise triivi kiirusele, kõrgele soojusjuhtivusele ja suurele läbilöögiväljatugevusele on need ideaalsed materjalid suure võimsustiheduse, kõrgsageduslike ja väikese kadudega elektroonikaseadmete valmistamiseks. Nende hulgas on ränikarbiidi jõuseadmete eelisteks kõrge energiatihedus, madal energiatarve ja väike suurus ning laialdased kasutusvõimalused uutes energiasõidukites, fotogalvaanilises energias, raudteetranspordis, suurandmetes ja muudes valdkondades. Galliumnitriidi RF-seadmete eelisteks on kõrge sagedus, suur võimsus, lai ribalaius, madal energiatarve ja väiksus ning laialdased kasutusvõimalused 5G-sides, asjade internetis, sõjaväeradaris ja muudes valdkondades. Lisaks on madalpinge valdkonnas laialdaselt kasutatud galliumnitriidil põhinevaid jõuseadmeid. Lisaks eeldatakse, et viimastel aastatel on tekkivad galliumoksiidmaterjalid tehnilist täiendavust olemasolevate SiC ja GaN tehnoloogiatega ning neil on potentsiaalsed rakendusväljavaated madalsagedus- ja kõrgepingeväljadel.
Võrreldes teise põlvkonna pooljuhtmaterjalidega on kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalidel laiem ribalaius (esimese põlvkonna pooljuhtmaterjali tüüpilise materjali Si ribalaius on umbes 1,1 eV, GaAs ribalaius on tüüpiline teise põlvkonna pooljuhtmaterjali materjal on umbes 1,42 eV ja ribalaius GaN, tüüpiline materjal kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalist, on üle 2,3 eV), tugevam kiirgustakistus, tugevam vastupidavus elektrivälja purunemisele ja kõrgem temperatuurikindlus. Laiema ribalaiusega kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalid sobivad eriti hästi kiirguskindlate, kõrgsageduslike, suure võimsusega ja suure integratsioonitihedusega elektroonikaseadmete tootmiseks. Nende rakendused mikrolaine raadiosagedusseadmetes, LED-ides, laserites, toiteseadmetes ja muudes valdkondades on pälvinud palju tähelepanu ning neil on olnud laialdased arenguväljavaated mobiilside, nutikate võrkude, raudteetransiidi, uute energiasõidukite, tarbeelektroonika ning ultraviolett- ja sinise kiirguse valdkonnas. -rohelised valgusseadmed [1].
Pildi allikas: CASA, Zheshangi väärtpaberite uurimisinstituut
Joonis 1 GaN toiteseadme ajaskaala ja prognoos
II GaN materjali struktuur ja omadused
GaN on otsese ribalaiusega pooljuht. Wurtsiidi struktuuri ribalaius toatemperatuuril on umbes 3,26 eV. GaN materjalidel on kolm peamist kristallstruktuuri, nimelt wurtsiidi struktuur, sfaleriidi struktuur ja kivisoola struktuur. Nende hulgas on wurtsiidi struktuur kõige stabiilsem kristallstruktuur. Joonisel 2 on kujutatud GaN kuusnurkse wurtsiidi struktuuri diagramm. GaN materjali wurtsiit-struktuur kuulub kuusnurkse tihedalt pakitud struktuuri. Igas rakus on 12 aatomit, sealhulgas 6 N aatomit ja 6 Ga aatomit. Iga Ga (N) aatom moodustab sideme 4 lähima N (Ga) aatomiga ja on virnastatud järjekorras ABABAB… piki [0001] suunda [2].
Joonis 2 Wurtsiidi struktuuri GaN kristallrakkude diagramm
III Tavaliselt kasutatavad substraadid GaN-i epitakseerimiseks
Näib, et GaN-i substraatide homogeenne epitaks on parim valik GaN-i epitaksika jaoks. Kuid GaN-i suure sidemeenergia tõttu, kui temperatuur jõuab sulamistemperatuurini 2500 ℃, on selle vastav lagunemisrõhk umbes 4,5 GPa. Kui lagunemisrõhk on sellest rõhust madalam, siis GaN ei sula, vaid laguneb otse. See muudab küpsed substraadi ettevalmistamise tehnoloogiad, nagu Czochralski meetod, GaN monokristall-substraatide valmistamiseks sobimatuks, muutes GaN substraatide masstootmise keeruliseks ja kulukaks. Seetõttu on GaN epitaksiaalses kasvus tavaliselt kasutatavad substraadid peamiselt Si, SiC, safiir jne [3].
Diagramm 3 GaN ja sagedamini kasutatavate alusmaterjalide parameetrid
GaN epitaksia safiiril
Safiiril on stabiilsed keemilised omadused, see on odav ja suuremahulise tootmise küpsus. Seetõttu on sellest saanud pooljuhtseadmete projekteerimisel üks varasemaid ja enim kasutatud substraatmaterjale. Kuna GaN-i epitaksis on üks sagedamini kasutatavaid substraate, on peamised probleemid, mis tuleb lahendada safiirsubstraatide puhul:
✔ Safiiri (Al2O3) ja GaN (umbes 15%) võre suure mittevastavuse tõttu on defektide tihedus epitaksiaalse kihi ja substraadi vahelisel liidesel väga kõrge. Selle kahjulike mõjude vähendamiseks tuleb substraat enne epitakseerimisprotsessi algust läbida keeruka eeltöötlusega. Enne GaN epitaksi kasvatamist safiirsubstraatidel tuleb substraadi pind esmalt rangelt puhastada, et eemaldada saasteained, poleerimisjääkide kahjustused jne ning luua astmed ja astmelised pinnastruktuurid. Seejärel substraadi pind nitriditakse, et muuta epitaksiaalse kihi märgamisomadusi. Lõpuks tuleb substraadi pinnale asetada õhuke AlN puhverkiht (tavaliselt paksusega 10–100 nm) ja lõõmutada madalal temperatuuril, et valmistuda lõplikuks epitaksiaalseks kasvuks. Sellegipoolest on safiirsubstraatidel kasvatatud GaN epitaksiaalkilede dislokatsioonitihedus endiselt kõrgem kui homoepitaksiaalsetel kiledel (umbes 1010 cm-2, võrreldes räni homoepitaksiaalsete kilede või galliumarseniidi homoepitaksiaalsete kilede dislokatsioonitihedusega põhimõtteliselt null või vahemikus 1042 kuni 1042 cm-2). 2). Suurem defektide tihedus vähendab kandja liikuvust, lühendades seeläbi vähemuskandja eluiga ja vähendades soojusjuhtivust, mis kõik vähendab seadme jõudlust [4];
✔ Safiiri soojuspaisumise koefitsient on suurem kui GaN oma, seega tekib epitaksiaalses kihis kaheteljeline survepinge jahutusprotsessi käigus sadestamistemperatuurilt toatemperatuurini. Paksemate epitaksiaalsete kilede puhul võib see pinge põhjustada kile või isegi aluspinna pragunemist;
✔ Võrreldes teiste substraatidega on safiirsubstraatide soojusjuhtivus madalam (umbes 0,25 W * cm-1 * K-1 temperatuuril 100 ℃) ja soojuse hajutamise jõudlus on halb;
✔ Halva juhtivuse tõttu ei soodusta safiirsubstraadid nende integreerimist ja kasutamist teiste pooljuhtseadmetega.
Kuigi safiirsubstraatidel kasvatatud GaN-i epitaksiaalsete kihtide defektide tihedus on kõrge, ei paista see oluliselt vähendavat GaN-põhiste sinakasroheliste LED-ide optoelektroonilist jõudlust, seega on safiir-substraadid endiselt GaN-põhiste LED-ide jaoks levinud substraadid.
GaN-seadmete, näiteks laserite või muude suure tihedusega toiteseadmete uute rakenduste väljatöötamisega on safiir-substraatide loomupärased vead muutunud üha enam nende rakendamise piiranguks. Lisaks on SiC substraadi kasvutehnoloogia väljatöötamise, kulude vähendamise ja GaN-i epitaksiaaltehnoloogia küpsuse tõttu Si-substraatidel üha rohkem uuringuid GaN-i epitaksiaalkihtide kasvatamise kohta safiir-substraatidel järk-järgult näidanud jahtumistrendi.
GaN-i epitaksia SiC-l
Võrreldes safiiriga on SiC substraatidel (4H- ja 6H-kristallid) väiksem võre mittevastavus GaN epitaksiaalsete kihtidega (3,1%, mis vastab [0001] orienteeritud epitaksiaalkiledele), kõrgem soojusjuhtivus (umbes 3,8 W*cm-1*K). -1) jne. Lisaks võimaldab SiC-substraatide juhtivus luua ka põhimiku tagaküljele elektrikontakte, mis aitab seadme struktuuri lihtsustada. Nende eeliste olemasolu on meelitanud üha rohkem teadlasi ränikarbiidsubstraatide GaN-i epitaksiaga tegelema.
Kuid otse SiC-substraatidel töötamine, et vältida GaN-i epikihtide kasvu, seisab silmitsi ka mitmete puudustega, sealhulgas järgmisega:
✔ SiC substraatide pinnakaredus on palju suurem kui safiirpõhistel (safiiri karedus 0,1 nm RMS, SiC karedus 1 nm RMS), SiC substraatide kõvadus ja töötlemisvõime on halb ning see karedus ja poleerimise jääkkahjustused on ka üks GaN epikihtide defektide allikad.
✔ SiC substraatide kruvide dislokatsiooni tihedus on kõrge (dislokatsiooni tihedus 103-104cm-2), kruvide nihestused võivad levida GaN epikihini ja vähendada seadme jõudlust;
✔ Aatomi paigutus substraadi pinnal kutsub esile virnastamisvigade (BSF) moodustumise GaN epikihis. SiC-substraatide epitaksiaalse GaN-i korral on substraadil mitu võimalikku aatomite paigutuse järjekorda, mille tulemuseks on epitaksiaalse GaN-kihi ebaühtlane algne aatomite virnastamise järjekord, mis võib põhjustada virnastamisvigu. Virnastamisvead (SF-d) tekitavad piki c-telge sisseehitatud elektrivälju, mis põhjustavad selliseid probleeme nagu tasapinnaliste kandjate eraldusseadmete lekkimine;
✔ SiC substraadi soojuspaisumistegur on väiksem kui AlN ja GaN, mis põhjustab jahutusprotsessi ajal termilise pinge akumuleerumist epitaksiaalse kihi ja substraadi vahel. Waltereit ja Brand ennustasid oma uurimistulemustele tuginedes, et seda probleemi saab leevendada või lahendada GaN epitaksiaalsete kihtide kasvatamisega õhukestel, koherentselt pingutatud AlN tuumakihtidel;
✔ Ga aatomite halva märguvuse probleem. GaN epitaksiaalsete kihtide kasvatamisel otse SiC pinnale on GaN kahe aatomi vahelise halva märguvuse tõttu kalduvus substraadi pinnal 3D saare kasvule. Puhverkihi kasutuselevõtt on kõige sagedamini kasutatav lahendus epitaksiaalsete materjalide kvaliteedi parandamiseks GaN-i epitaksis. AlN või AlxGa1-xN puhverkihi kasutuselevõtt võib tõhusalt parandada SiC pinna märguvust ja panna GaN epitaksiaalse kihi kahes mõõtmes kasvama. Lisaks võib see reguleerida ka stressi ja takistada substraadi defektide laienemist GaN-i epitaksiale;
✔ SiC-substraatide valmistamise tehnoloogia on ebaküps, substraadi maksumus on kõrge, tarnijaid on vähe ja pakkumist vähe.
Torresi jt uuringud näitavad, et SiC substraadi söövitamine H2-ga kõrgel temperatuuril (1600 °C) enne epitakseerimist võib tekitada substraadi pinnale järjestatud astmelise struktuuri, saades seeläbi kvaliteetsema AlN epitaksiaalse kile kui otse kasvatatud algsel substraadi pinnal. Xie ja tema meeskonna uuringud näitavad ka, et ränikarbiidi substraadi söövitamise eeltöötlus võib oluliselt parandada GaN epitaksiaalse kihi pinna morfoloogiat ja kristallide kvaliteeti. Smith et al. leidis, et substraadi/puhverkihi ja puhverkihi/epitaksiaalse kihi liidestest tulenevad keermestamise dislokatsioonid on seotud substraadi lamedusega [5].
Joonis 4 6H-SiC substraadil (0001) erinevates pinnatöötlustingimustes kasvatatud GaN epitaksiaalse kihi proovide TEM-morfoloogia (a) keemiline puhastus; b) keemiline puhastus + vesinikplasmatöötlus; (c) keemiline puhastus + vesinikplasmatöötlus + 1300 ℃ vesinikku kuumtöötlus 30 minutit
GaN-i epitaksia Si kohta
Võrreldes ränikarbiidi, safiiri ja muude substraatidega on ränisubstraadi ettevalmistamise protsess küps ja see suudab stabiilselt pakkuda küpseid suuremõõtmelisi substraate, millel on kõrge hind. Samal ajal on soojusjuhtivus ja elektrijuhtivus head ning Si elektroonilise seadme protsess on küps. Võimalus tulevikus optoelektroonilisi GaN-seadmeid Si elektroonikaseadmetega ideaalselt integreerida muudab ka GaN-i epitaksika kasvu ränil väga atraktiivseks.
Si substraadi ja GaN materjali vahelise võrekonstantide suure erinevuse tõttu on GaN heterogeenne epitaksia Si substraadil tüüpiline suure mittevastavuse epitaksia ja see peab seisma silmitsi ka mitmete probleemidega:
✔ Pinnaliidese energiaprobleem. Kui GaN kasvab Si substraadil, nitreeritakse Si substraadi pind esmalt amorfse räninitriidi kihi moodustamiseks, mis ei soodusta suure tihedusega GaN tuuma moodustumist ja kasvu. Lisaks puutub Si pind esmalt kokku Ga-ga, mis korrodeerib Si substraadi pinda. Kõrgetel temperatuuridel hajub Si pinna lagunemine GaN epitaksiaalsesse kihti, moodustades mustad ränilaikud.
✔ Võre konstandi mittevastavus GaN ja Si vahel on suur (~17%), mis toob kaasa suure tihedusega keermestatud nihestuste tekkimise ja vähendab oluliselt epitaksiaalse kihi kvaliteeti;
✔ Võrreldes Si-ga on GaN-i soojuspaisumistegur suurem (GaN-i soojuspaisumise koefitsient on umbes 5,6 × 10-6K-1, Si soojuspaisumise koefitsient on umbes 2,6 × 10-6K-1) ja GaN-is võivad tekkida praod. epitaksiaalne kiht epitaksiaalse temperatuuri jahutamisel toatemperatuurini;
✔ Si reageerib kõrgel temperatuuril NH3-ga, moodustades polükristallilise SiNx. AlN ei saa moodustada polükristallilisel SiNx-l eelistatult orienteeritud tuuma, mis põhjustab järgnevalt kasvanud GaN-kihi ebakorrapärase orientatsiooni ja suure hulga defekte, mille tulemuseks on GaN-i epitaksiaalse kihi kristallide halb kvaliteet ja isegi raskused ühekristallilise kihi moodustamisel. GaN epitaksiaalne kiht [6].
Suure võre mittevastavuse probleemi lahendamiseks on teadlased püüdnud Si substraatide puhverkihtidena kasutusele võtta selliseid materjale nagu AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO ja SiC. Selleks et vältida polükristallilise SiNx moodustumist ja vähendada selle kahjulikku mõju GaN/AlN/Si (111) materjalide kristallide kvaliteedile, tuleb tavaliselt enne AlN puhverkihi epitaksiaalset kasvu teatud aja jooksul lisada TMAl. et vältida NH3 reageerimist avatud Si pinnaga, moodustades SiNx. Lisaks saab epitaksiaalse kihi kvaliteedi parandamiseks kasutada epitaksiaalseid tehnoloogiaid, näiteks mustriga substraadi tehnoloogiat. Nende tehnoloogiate väljatöötamine aitab pärssida SiNx moodustumist epitaksiaalsel liidesel, soodustada GaN epitaksiaalse kihi kahemõõtmelist kasvu ja parandada epitaksiaalse kihi kasvukvaliteeti. Lisaks lisatakse AlN puhverkiht, et kompenseerida soojuspaisumistegurite erinevusest põhjustatud tõmbepinget, et vältida pragude tekkimist ränisubstraadi GaN epitaksiaalses kihis. Krosti uuringud näitavad, et AlN puhverkihi paksuse ja deformatsiooni vähenemise vahel on positiivne korrelatsioon. Kui puhverkihi paksus jõuab 12 nm-ni, saab ränisubstraadil sobiva kasvuskeemi abil kasvatada epitaksiaalset kihti, mis on paksem kui 6 μm, ilma epitaksiaalse kihi pragunemiseta.
Pärast teadlaste pikaajalisi jõupingutusi on ränisubstraatidel kasvatatud GaN epitaksiaalsete kihtide kvaliteet oluliselt paranenud ning sellised seadmed nagu väljatransistorid, Schottky barjääri ultraviolettdetektorid, sinakasrohelised LED-id ja ultraviolettlaserid on teinud märkimisväärseid edusamme.
Kokkuvõttes võib öelda, et kuna tavaliselt kasutatavad GaN-i epitaksiaalsed substraadid on kõik heterogeensed, seisavad nad kõik silmitsi tavaliste probleemidega, nagu võre mittevastavus ja soojuspaisumistegurite suured erinevused erineval määral. Homogeenseid epitaksiaalseid GaN-i substraate piirab tehnoloogia küpsus ja substraate pole veel masstootmises. Tootmiskulud on kõrged, substraadi suurus on väike ja substraadi kvaliteet pole ideaalne. Uute GaN epitaksiaalsete substraatide väljatöötamine ja epitaksiaalse kvaliteedi parandamine on endiselt üks olulisi tegureid, mis piiravad GaN epitaksiaalse tööstuse edasist arengut.
IV. Levinud meetodid GaN-i epitakseerimiseks
MOCVD (keemiline aurustamine-sadestamine)
Näib, et GaN-i substraatide homogeenne epitaks on parim valik GaN-i epitaksika jaoks. Kuid kuna keemilise aurustamise-sadestamise lähteained on trimetüülgallium ja ammoniaak ning kandevgaas on vesinik, on tüüpiline MOCVD kasvutemperatuur umbes 1000–1100 ℃ ja MOCVD kasvukiirus on umbes paar mikronit tunnis. See võib tekitada järske liideseid aatomitasandil, mis sobib väga hästi heteroliidete, kvantkaevude, supervõrede ja muude struktuuride kasvatamiseks. Tööstuslikus tootmises kasutatakse sageli selle kiiret kasvukiirust, head ühtlust ning sobivust suurepinnaliseks ja mitmeosaliseks kasvuks.
MBE (molekulaarkiire epitaksia)
Molekulaarkiire epitaksis kasutab Ga elementaarset allikat ja aktiivne lämmastik saadakse lämmastikust RF plasma kaudu. Võrreldes MOCVD meetodiga on MBE kasvutemperatuur umbes 350-400 ℃ madalam. Madalam kasvutemperatuur võib vältida teatud reostust, mida võib põhjustada kõrge temperatuuriga keskkond. MBE süsteem töötab ülikõrge vaakumi all, mis võimaldab integreerida rohkem in situ tuvastamise meetodeid. Samal ajal ei saa selle kasvutempot ja tootmisvõimsust MOCVD-ga võrrelda ning seda kasutatakse rohkem teadusuuringutes [7].
Joonis 5 (a) Eiko-MBE skeem (b) MBE peamise reaktsioonikambri skeem
HVPE meetod (hüdriidi aurufaasi epitaksia)
Hüdriidi aurufaasi epitakseerimise meetodi eelkäijad on GaCl3 ja NH3. Detchprohm et al. kasutas seda meetodit sadade mikronite paksuse GaN epitaksiaalse kihi kasvatamiseks safiirsubstraadi pinnale. Nende katses kasvatati safiirisubstraadi ja epitaksiaalse kihi vahele puhverkihina ZnO kiht ning epitaksiaalne kiht kooriti substraadi pinnalt maha. Võrreldes MOCVD ja MBE-ga on HVPE meetodi peamiseks tunnuseks selle kõrge kasvukiirus, mis sobib paksude kihtide ja puistematerjalide tootmiseks. Kui aga epitaksiaalse kihi paksus ületab 20 μm, on selle meetodiga toodetud epitaksiaalne kiht kalduvus pragudele.
Akira USUI tutvustas sellel meetodil põhinevat mustrilise substraadi tehnoloogiat. Esmalt kasvatasid nad MOCVD meetodil safiirsubstraadile õhukese 1–1,5 μm paksuse GaN epitaksiaalse kihi. Epitaksiaalne kiht koosnes 20 nm paksusest GaN puhverkihist, mida kasvatati madala temperatuuri tingimustes, ja GaN kihist, mida kasvatati kõrge temperatuuri tingimustes. Seejärel kaeti 430 ℃ juures epitaksiaalse kihi pinnale SiO2 kiht ja SiO2 kilele tehti fotolitograafia abil aknatriibud. Ribade vahe oli 7 μm ja maski laius oli vahemikus 1 μm kuni 4 μm. Pärast seda täiustamist said nad 2-tollise läbimõõduga safiirsubstraadile GaN-i epitaksiaalse kihi, mis oli pragudeta ja sile nagu peegel isegi siis, kui paksus kasvas kümnete või isegi sadade mikroniteni. Defektide tihedust vähendati traditsioonilise HVPE meetodi 109-1010 cm-2-lt umbes 6 × 107 cm-2-ni. Samuti juhtisid nad katses tähelepanu sellele, et kui kasvukiirus ületab 75 μm/h, muutub proovi pind karedaks[8].
Joonis 6 Graafilise substraadi skeem
V. Kokkuvõte ja väljavaade
GaN materjalid hakkasid ilmuma 2014. aastal, kui sinise valgusega LED võitis sel aastal Nobeli füüsikaauhinna ja sisenes olmeelektroonika kiirlaadimisrakenduste valdkonda. Tegelikult on vaikselt tekkinud ka rakendused 5G tugijaamades kasutatavates võimsusvõimendites ja RF-seadmetes, mida enamik inimesi ei näe. Viimastel aastatel eeldatakse, et GaN-põhiste autotööstuse jõuseadmete läbimurre avab GaN-i materjalide rakenduste turul uusi kasvupunkte.
Tohutu turunõudlus soodustab kindlasti GaN-iga seotud tööstusharude ja tehnoloogiate arengut. GaN-iga seotud tööstusahela küpsuse ja täiustamisega parandatakse või ületatakse praeguse GaN-i epitaksiaaltehnoloogiaga seotud probleeme. Tulevikus arendavad inimesed kindlasti rohkem uusi epitaksiaaltehnoloogiaid ja suurepäraseid substraadivalikuid. Selleks ajaks saavad inimesed vastavalt rakendusstsenaariumide omadustele valida erinevate rakendusstsenaariumide jaoks sobivaima välise uurimistehnoloogia ja substraadi ning toota kõige konkurentsivõimelisemaid kohandatud tooteid.
Postitusaeg: 28. juuni 2024