1. Tredde-generaasje semiconductors
De earste-generaasje semiconductor technology waard ûntwikkele basearre op semiconductor materialen lykas Si en Ge. It is de materiaal basis foar de ûntwikkeling fan transistors en yntegreare circuit technology. De earste-generaasje semiconductor materialen lei de basis foar de elektroanyske yndustry yn de 20e ieu en binne de basis materialen foar yntegrearre circuit technology.
De twadde-generaasje semiconductor materialen befetsje benammen gallium arsenide, indium phosphide, gallium phosphide, indium arsenide, aluminium arsenide en harren ternary ferbiningen. De twadde-generaasje semiconductor materialen binne de stifting fan de opto-elektroanyske ynformaasje yndustry. Op dizze basis binne relatearre yndustry lykas ferljochting, display, laser en fotovoltaïka ûntwikkele. Se wurde in protte brûkt yn hjoeddeistige ynformaasjetechnology en opto-elektroanyske display-yndustry.
Representative materialen fan de tredde-generaasje semiconductor materialen binne gallium nitride en silisium carbide. Fanwegen har brede bandgap, hege driftsnelheid fan elektroanen sêding, hege termyske konduktiviteit, en hege ôfbraakfjildsterkte, binne se ideale materialen foar it tarieden fan elektroanyske apparaten mei hege krêft, hege frekwinsje en leech-ferlies. Under harren hawwe silisiumkarbid-krêftapparaten de foardielen fan hege enerzjytichtens, leech enerzjyferbrûk, en lytse grutte, en hawwe brede tapassingsperspektyf yn nije enerzjyauto's, fotovoltaïken, spoarferfier, grutte data, en oare fjilden. Gallium nitride RF-apparaten hawwe de foardielen fan hege frekwinsje, hege krêft, brede bânbreedte, leech enerzjyferbrûk en lytse grutte, en hawwe brede tapassingsperspektyf yn 5G-kommunikaasje, it ynternet fan dingen, militêre radar en oare fjilden. Derneist binne galliumnitride-basearre krêftapparaten in protte brûkt yn it leechspanningsfjild. Derneist wurde yn 'e ôfrûne jierren ferwachte dat opkommende galliumoxidmaterialen technyske komplemintariteit foarmje mei besteande SiC- en GaN-technologyen, en hawwe potinsjele tapassingsperspektyf yn' e leechfrekwinsje- en heechspanningsfjilden.
Yn ferliking mei de twadde-generaasje semiconductor materialen, de tredde-generaasje semiconductor materialen hawwe in bredere bandgap breedte (de bandgap breedte fan Si, in typysk materiaal fan de earste-generaasje semiconductor materiaal, is likernôch 1.1eV, de bandgap breedte fan GaAs, in typyske materiaal fan it twadde-generaasje semiconductor materiaal, giet oer 1.42eV, en de bandgap breedte fan GaN, in typysk materiaal fan de tredde-generaasje semiconductor materiaal, is boppe 2.3eV), sterker strieling ferset, sterker ferset tsjin elektryske fjild ôfbraak, en hegere temperatuer ferset. De tredde-generaasje semiconductor materialen mei bredere bandgap breedte binne benammen geskikt foar de produksje fan strieling-resistant, hege-frekwinsje, hege-power en hege-yntegraasje-tichtens elektroanyske apparaten. Harren tapassingen yn magnetron radiofrekwinsje apparaten, LED's, lasers, macht apparaten en oare fjilden hawwe lutsen in soad omtinken, en se hawwe sjen litten brede ûntwikkeling perspektyf yn mobile kommunikaasje, smart grids, spoar transit, nije enerzjy auto's, konsumint elektroanika, en ultraviolet en blau -grien ljocht apparaten [1].
Ofbylding boarne: CASA, Zheshang Securities Research Institute
Figure 1 GaN macht apparaat tiid skaal en prognose
II GaN materiaal struktuer en skaaimerken
GaN is in direkte bandgap semiconductor. De bandgap-breedte fan 'e wurtzite-struktuer by keamertemperatuer is sawat 3.26eV. GaN materialen hawwe trije wichtichste kristal struktueren, nammentlik wurtzite struktuer, sfalerite struktuer en rock sâlt struktuer. Under harren is de wurtzite-struktuer de meast stabile kristalstruktuer. Figuer 2 is in diagram fan 'e hexagonale wurtzitestruktuer fan GaN. De wurtzite-struktuer fan GaN-materiaal heart ta in hexagonale tichtpakkede struktuer. Elke ienheidsel hat 12 atomen, wêrûnder 6 N-atomen en 6 Ga-atomen. Elk Ga (N) atoom foarmet in bân mei de 4 tichtstby lizzende N (Ga) atomen en wurdt steapele yn 'e folchoarder fan ABABAB ... lâns de [0001] rjochting [2].
figuer 2 Wurtzite struktuer GaN crystal cell diagram
III Faak brûkte substraten foar GaN epitaksy
It liket derop dat homogene epitaksy op GaN-substraten de bêste kar is foar GaN-epitaxy. Troch de grutte bonding-enerzjy fan GaN, doe't de temperatuer it smeltpunt fan 2500 ℃ berikt, is de oerienkommende ûntbiningsdruk lykwols sawat 4.5GPa. As de ûntbiningsdruk leger is as dizze druk, smelt GaN net, mar falt direkt ôf. Dit makket technologyen foar folwoeksen substratpreparaasje lykas de Czochralski-metoade net geskikt foar de tarieding fan GaN-ienkristalsubstraten, wêrtroch GaN-substraten lestich binne om massaal te produsearjen en kostber te meitsjen. Dêrom binne de substraten dy't faak brûkt wurde yn GaN epitaksiale groei benammen Si, SiC, saffier, ensfh. [3].
Chart 3 GaN en parameters fan algemien brûkte substraatmaterialen
GaN epitaksy op saffier
Sapphire hat stabile gemyske eigenskippen, is goedkeap, en hat in hege folwoeksenheid fan grutskalige produksje yndustry. Dêrom is it ien fan 'e ierste en meast brûkte substraatmaterialen wurden yn engineering fan halfgeleiderapparaten. As ien fan 'e meast brûkte substraten foar GaN epitaksy, binne de wichtichste problemen dy't moatte wurde oplost foar saffiersubstraten:
✔ Troch de grutte lattice-mismatch tusken saffier (Al2O3) en GaN (sawat 15%) is de defektdichte by de ynterface tusken de epitaksiale laach en it substraat tige heech. Om de neidielige effekten te ferminderjen, moat it substraat ûnderwurpen wurde oan komplekse foarbehanneling foardat it epitaksyproses begjint. Foardat it groeien fan GaN-epitaxy op saffiersubstraten, moat it substraatflak earst strikt skjinmakke wurde om kontaminanten, oerbleaune polearjende skea, ensfh. Dan wurdt it substraatflak nitreare om de befeiligingseigenskippen fan 'e epitaksiale laach te feroarjen. Uteinlik moat in tinne AlN-bufferlaach (meastentiids 10-100nm dik) op it substraatflak dellein wurde en by lege temperatuer annealed wurde om ta te rieden op de definitive epitaksiale groei. Dochs is de dislokaasjetichtens yn GaN epitaksiale films groeid op saffiersubstraten noch heger as dy fan homoepitaxiale films (sawat 1010cm-2, fergelike mei yn essinsje nul dislokaasjetichtens yn silisium homoepitaxiale films of galliumarsenide homoepitaxiale films, of tusken 1104cm- 2). De hegere defect tichtens fermindert carrier mobiliteit, dêrmei koarter minderheid carrier lifetime en ferminderjen termyske conductivity, allegearre dy't sil ferminderje apparaat prestaasjes [4];
✔ De termyske útwreidingskoëffisjint fan saffier is grutter dan dy fan GaN, sadat biaxiale kompresjespanning wurdt generearre yn 'e epitaksiale laach tidens it proses fan koeljen fan' e ôfsettingstemperatuer nei keamertemperatuer. Foar dikker epitaxial films, dizze stress kin feroarsaakje cracking fan de film of sels it substraat;
✔ Yn ferliking mei oare substraten is de termyske konduktiviteit fan saffiersubstraten leger (sawat 0.25W * cm-1 * K-1 by 100 ℃), en de prestaasjes fan waarmtedissipaasje binne min;
✔ Troch syn minne konduktiviteit binne saffiersubstraten net befoarderlik foar har yntegraasje en tapassing mei oare semiconductor-apparaten.
Hoewol de defektdichte fan GaN epitaksiale lagen groeid op saffiersubstraten heech is, liket it de opto-elektronyske prestaasjes fan GaN-basearre blau-griene LED's net signifikant te ferminderjen, sadat saffiersubstraten noch altyd brûkt wurde foar substraten foar GaN-basearre LED's.
Mei de ûntwikkeling fan mear nije tapassingen fan GaN-apparaten lykas lasers of oare krêftapparaten mei hege tichtheid, binne de ynherinte defekten fan saffiersubstraten hieltyd mear in beheining wurden op har tapassing. Derneist, mei de ûntwikkeling fan SiC-substraatgroeitechnology, kostenreduksje en de folwoeksenheid fan GaN-epitaksiale technology op Si-substraten, hat mear ûndersyk nei groeiende GaN-epitaksiale lagen op saffiersubstraten stadichoan in koeltrend sjen litten.
GaN epitaksy op SiC
Yn ferliking mei saffier hawwe SiC-substraten (4H- en 6H-kristallen) in lytsere roostermismatch mei GaN epitaksiale lagen (3.1%, lykweardich oan [0001] oriïntearre epitaksiale films), hegere termyske konduktiviteit (sawat 3.8W * cm-1 * K -1), ensfh Dêrnjonken lit de konduktiviteit fan SiC-substraten ek elektryske kontakten wêze makke op 'e rêch fan' e ûndergrûn, dat helpt te ferienfâldigjen it apparaat struktuer. It bestean fan dizze foardielen hat mear en mear ûndersikers oanlutsen om te wurkjen oan GaN-epitaksy op silisiumkarbidsubstraten.
Dochs direkt wurkje oan SiC-substraten om te foarkommen dat GaN-epilaazjes groeie, hat ek in searje neidielen, ynklusyf de folgjende:
✔ De oerflakruwheid fan SiC-substraten is folle heger dan dy fan saffiersubstraten (saffierrûchheid 0.1nm RMS, SiC-ruwheid 1nm RMS), SiC-substraten hawwe hege hurdens en minne ferwurkingsprestaasjes, en dizze rûchheid en oerbleaune polearjen binne ek ien fan 'e boarnen fan defekten yn GaN epilayers.
✔ De tichtheid fan skroefferlokaasje fan SiC-substraten is heech (dislokaasjetichtens 103-104cm-2), skroefferlokaasjes kinne propagearje nei de GaN-epilaasje en de prestaasjes fan it apparaat ferminderje;
✔ De atomêre arranzjemint op it substraatflak feroarsaket de formaasje fan stapelfouten (BSF's) yn 'e GaN-epilaazje. Foar epitaksiale GaN op SiC-substraten binne d'r meardere mooglike oarders foar atomêre arranzjeminten op it substraat, wat resulteart yn inkonsistente inisjele atomêre stapelopdracht fan 'e epitaksiale GaN-laach derop, dy't gefoelich is foar stapelfouten. Stacking flaters (SFs) yntrodusearje ynboude elektryske fjilden lâns de c-as, dy't liedt ta problemen lykas lekkage fan yn-plane carrier skieding apparaten;
✔ De termyske útwreidingskoëffisjint fan SiC-substraat is lytser dan dy fan AlN en GaN, wat feroarsaket thermyske stressakkumulaasje tusken de epitaksiale laach en it substraat tidens it koelproses. Waltereit en Brand foarsei basearre op harren ûndersyksresultaten dat dit probleem kin wurde fermindere of oplost troch groeiende GaN epitaksiale lagen op tinne, gearhingjend strained AlN nucleation lagen;
✔ It probleem fan minne wettability fan Ga-atomen. By it groeien fan GaN epitaksiale lagen direkt op it SiC-oerflak, fanwegen de minne wettabiliteit tusken de twa atomen, is GaN gefoelich foar 3D-eilângroei op it substraatflak. Yntroduksje fan in bufferlaach is de meast brûkte oplossing foar it ferbetterjen fan de kwaliteit fan epitaksiale materialen yn GaN epitaksy. It yntrodusearjen fan in AlN- as AlxGa1-xN-bufferlaach kin de wettabiliteit fan it SiC-oerflak effektyf ferbetterje en de GaN-epitaksiale laach yn twa diminsjes groeie. Dêrneist kin it ek regelje stress en foarkomme substraat gebreken út te wreidzjen nei GaN epitaksy;
✔ De tariedingstechnology fan SiC-substraten is ûnryp, de substraatkosten binne heech, en d'r binne in pear leveransiers en in bytsje oanbod.
It ûndersyk fan Torres et al. lit sjen dat it etsen fan it SiC-substraat mei H2 op hege temperatuer (1600 ° C) foardat epitaksy in mear oardere stapstruktuer op it substraatflak kin produsearje, en dêrmei in hegere kwaliteit AlN epitaksiale film krije dan as it direkt is groeid op it orizjinele substraat oerflak. It ûndersyk fan Xie en syn team lit ek sjen dat etsende foarbehanneling fan it silisiumkarbidsubstraat de oerflakmorfology en de kristalkwaliteit fan 'e GaN epitaksiale laach signifikant ferbetterje kin. Smith et al. fûn dat threading dislocations ûntstien út it substraat / buffer laach en buffer laach / epitaksiale laach ynterfaces binne besibbe oan de flatness fan it substraat [5].
figuer 4 TEM morfology fan GaN epitaxial laach samples groeid op 6H-SiC substraat (0001) ûnder ferskillende oerflak behanneling betingsten (a) gemyske cleaning; (b) gemyske skjinmeitsjen + wetterstofplasma behanneling; (c) gemyske skjinmeitsjen + wetterstof plasma behanneling + 1300 ℃ wetterstof waarmte behanneling foar 30min
GaN epitaksy op Si
Yn ferliking mei silisiumkarbid, saffier en oare substraten, is it silisiumsubstraat-tariedingsproses folwoeksen, en it kin stabyl matige substraten fan grutte grutte leverje mei hege kostenprestaasjes. Tagelyk binne de termyske konduktiviteit en elektryske konduktiviteit goed, en it proses fan it elektroanyske apparaat fan Si is folwoeksen. De mooglikheid om opto-elektroanyske GaN-apparaten perfekt te yntegrearjen mei Si-elektroanyske apparaten yn 'e takomst makket ek de groei fan GaN-epitaxy op silisium tige oantreklik.
Troch it grutte ferskil yn roosterkonstanten tusken Si-substraat en GaN-materiaal is heterogene epitaksy fan GaN op Si-substraat in typyske grutte mismatch-epitaxy, en it moat ek in searje problemen hawwe:
✔ Oerflak-ynterface-enerzjyprobleem. As GaN groeit op in Si-substraat, sil it oerflak fan it Si-substraat earst nitreare wurde om in amorfe silisiumnitride-laach te foarmjen dy't net befoarderlik is foar de nukleaasje en groei fan GaN mei hege tichtheid. Derneist sil it Si-oerflak earst kontakt opnimme mei Ga, wat it oerflak fan it Si-substraat korrodearje sil. By hege temperatueren sil de ûntbining fan it Si-oerflak yn 'e GaN-epitaksiale laach diffúsje om swarte silisiumflekken te foarmjen.
✔ De lattice konstante mismatch tusken GaN en Si is grut (~ 17%), wat sil liede ta de foarming fan hege tichtheid threading dislokaasjes en gâns ferminderje de kwaliteit fan de epitaxial laach;
✔ Yn ferliking mei Si hat GaN in gruttere termyske útwreidingskoëffisjint (de termyske útwreidingskoëffisjint fan GaN is sawat 5,6 × 10-6K-1, de termyske útwreidingskoëffisjint fan Si is sawat 2,6 × 10-6K-1), en barsten kinne wurde generearre yn 'e GaN epitaksiale laach by it koeljen fan 'e epitaksiale temperatuer nei keamertemperatuer;
✔ Si reagearret mei NH3 by hege temperatueren om polykristalline SiNx te foarmjen. AlN kin gjin foarkar oriïntearre kearn foarmje op polykristalline SiNx, wat liedt ta in ûnregelmjittige oriïntaasje fan 'e dêrnei groeide GaN-laach en in heech oantal defekten, wat resulteart yn in minne kristalkwaliteit fan' e GaN epitaksiale laach, en sels swierrichheden by it foarmjen fan in ienkristalline GaN epitaksiale laach [6].
Om it probleem fan grutte roostermismatch op te lossen, hawwe ûndersikers besocht materialen lykas AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO en SiC yn te fieren as bufferlagen op Si-substraten. Om de formaasje fan polykristalline SiNx te foarkommen en de neidielige effekten op 'e kristalkwaliteit fan GaN / AlN / Si (111) materialen te ferminderjen, is TMAl meastentiids ferplichte om in bepaalde perioade yn te fieren foardat epitaksiale groei fan 'e AlN-bufferlaach om foar te kommen dat NH3 reagearret mei it bleatstelde Si-oerflak om SiNx te foarmjen. Dêrnjonken kinne epitaksiale technologyen lykas patroon substraattechnology brûkt wurde om de kwaliteit fan 'e epitaksiale laach te ferbetterjen. De ûntwikkeling fan dizze technologyen helpt om de formaasje fan SiNx by de epitaksiale ynterface te remmen, de twadimensjonale groei fan 'e GaN epitaksiale laach te befoarderjen en de groeikwaliteit fan' e epitaksiale laach te ferbetterjen. Dêrnjonken wurdt in AlN-bufferlaach ynfierd om te kompensearjen foar de trekspanning dy't feroarsake wurdt troch it ferskil yn termyske útwreidingskoëffisjinten om barsten yn 'e GaN-epitaksiale laach op it silisiumsubstraat te foarkommen. Ut ûndersyk fan Krost docht bliken dat der in positive korrelaasje is tusken de dikte fan de AlN-bufferlaach en de fermindering fan de spanning. As de dikte fan de bufferlaach 12nm berikt, kin in epitaksiale laach dikker dan 6μm wurde groeid op in silisiumsubstraat troch in passend groeiskema sûnder epitaksiale laach te kraken.
Nei lange termyn ynspanningen fan ûndersikers is de kwaliteit fan GaN epitaksiale lagen groeid op silisiumsubstraten signifikant ferbettere, en apparaten lykas fjildeffekttransistors, Schottky-barriêre ultravioletdetektors, blau-griene LED's en ultraviolette lasers hawwe wichtige foarútgong makke.
Gearfetsjend, om't de meast brûkte GaN-epitaksiale substraten allegear heterogene epitaksy binne, hawwe se allegear mienskiplike problemen lykas lattice-mismatch en grutte ferskillen yn termyske útwreidingskoëffisjinten yn ferskate graden. Homogene epitaksiale GaN-substraten wurde beheind troch de maturiteit fan technology, en de substraten binne noch net massa-produsearre. De produksjekosten binne heech, de substraatgrutte is lyts, en de substraatkwaliteit is net ideaal. De ûntwikkeling fan nije GaN epitaksiale substraten en it ferbetterjen fan epitaksiale kwaliteit binne noch altyd ien fan 'e wichtige faktoaren dy't de fierdere ûntwikkeling fan' e GaN epitaksiale yndustry beheine.
IV. Algemiene metoaden foar GaN epitaksy
MOCVD (gemyske dampdeposysje)
It liket derop dat homogene epitaksy op GaN-substraten de bêste kar is foar GaN-epitaxy. Om't de foarrinners fan gemyske dampdeposysje lykwols trimethylgallium en ammoniak binne, en it dragergas wetterstof is, is de typyske MOCVD-groeitemperatuer sawat 1000-1100 ℃, en de groei fan MOCVD is sawat in pear mikrons per oere. It kin steile ynterfaces produsearje op atoomnivo, wat tige geskikt is foar groeiende heterojunctions, kwantumputten, superlattices en oare struktueren. It rappe groeitempo, goede uniformiteit, en geskiktheid foar groei mei grut gebiet en meardere stikken wurde faak brûkt yn yndustriële produksje.
MBE (molekulêre beam epitaksy)
Yn molekulêre beam epitaksy brûkt Ga in elemintêre boarne, en aktive stikstof wurdt krigen fan stikstof fia RF plasma. Yn ferliking mei de MOCVD-metoade is de MBE-groeitemperatuer sawat 350-400 ℃ leger. De legere groeitemperatuer kin bepaalde fersmoarging foarkomme dy't kin wurde feroarsake troch omjouwings mei hege temperatueren. It MBE-systeem wurket ûnder ultraheech fakuüm, wêrtroch it mear yn-situ-deteksjemetoaden kin yntegrearje. Tagelyk kin har groei en produksjekapasiteit net fergelike wurde mei MOCVD, en it wurdt mear brûkt yn wittenskiplik ûndersyk [7].
figuer 5 (in) Eiko-MBE skema (b) MBE wichtichste reaksje keamer skema
HVPE-metoade (hydride dampfase epitaksy)
De foarrinners fan de hydride damp faze epitaksy metoade binne GaCl3 en NH3. Detchprohm et al. brûkt dizze metoade te groeien in GaN epitaxial laach hûnderten mikrons dik op it oerflak fan in saffier substraat. Yn har eksperimint waard in laach fan ZnO groeid tusken it saffiersubstraat en de epitaksiale laach as bufferlaach, en de epitaksiale laach waard ôfskeard fan it substraatflak. Yn ferliking mei MOCVD en MBE is it wichtichste skaaimerk fan 'e HVPE-metoade syn hege groeisnelheid, dy't geskikt is foar de produksje fan dikke lagen en bulkmaterialen. As de dikte fan 'e epitaksiale laach lykwols 20μm grutter is, is de epitaksiale laach produsearre troch dizze metoade gefoelich foar barsten.
Akira USUI yntrodusearre patroon substraattechnology basearre op dizze metoade. Se groeiden earst in tinne 1-1.5μm dikke GaN epitaksiale laach op in saffiersubstraat mei de MOCVD-metoade. De epitaksiale laach bestie út in 20nm dikke GaN buffer laach groeid ûnder lege temperatuer omstannichheden en in GaN laach groeid ûnder hege temperatuer omstannichheden. Dan, by 430 ℃, waard in laach SiO2 op it oerflak fan 'e epitaksiale laach pleatst, en finsterstripen waarden makke op' e SiO2-film troch fotolitografy. De stripe-ôfstân wie 7μm en de maskerbreedte rûn fan 1μm oant 4μm. Nei dizze ferbettering krigen se in GaN-epitaksiale laach op in saffiersubstraat mei in diameter fan 2 inch dat barstfrij wie en sa glêd as in spegel, sels as de dikte ta tsientallen of sels hûnderten mikrons tanommen. De defektdichtheid waard fermindere fan 109-1010cm-2 fan 'e tradisjonele HVPE-metoade oant sawat 6 × 107cm-2. Se wiisden ek yn it eksperimint op dat doe't it groeitempo 75μm / h oersloech, soe it stekproef oerflak rûch wurde [8].
figuer 6 Graphical Substrate Schematic
V. Gearfetting en Outlook
GaN-materialen begûnen te ûntstean yn 2014 doe't de blauwe ljocht LED dat jier de Nobelpriis foar Natuerkunde wûn, en it fjild fan it publyk ynfierd fan applikaasjes foar snelle opladen yn it fjild fan konsuminteelektronika. Yn feite binne applikaasjes yn 'e machtfersterkers en RF-apparaten brûkt yn 5G-basisstasjons dy't de measte minsken net kinne sjen, ek rêstich ûntstien. Yn 'e ôfrûne jierren wurdt ferwachte dat de trochbraak fan GaN-basearre machtapparaten foar auto's nije groeipunten sil iepenje foar de GaN-merk foar materiaalapplikaasje.
De enoarme merkfraach sil de ûntwikkeling fan GaN-relatearre yndustry en technologyen grif befoarderje. Mei de folwoeksenheid en ferbettering fan 'e GaN-relatearre yndustriële keten, sille de problemen dy't de hjoeddeistige GaN epitaksiale technology konfrontearje, úteinlik wurde ferbettere of oerwûn. Yn 'e takomst sille minsken grif mear nije epitaksiale technologyen ûntwikkelje en mear treflike substraatopsjes. Tsjin dy tiid sille minsken de meast geskikte eksterne ûndersykstechnology en substraat kinne kieze foar ferskate tapassingscenario's neffens de skaaimerken fan 'e tapassingscenario's, en de meast kompetitive oanpaste produkten produsearje.
Post tiid: Jun-28-2024