1. Semicondutores de terceira xeración
A tecnoloxía de semicondutores de primeira xeración foi desenvolvida baseándose en materiais semicondutores como Si e Ge. É a base material para o desenvolvemento de transistores e tecnoloxía de circuítos integrados. Os materiais semicondutores de primeira xeración sentaron as bases da industria electrónica no século XX e son os materiais básicos para a tecnoloxía de circuítos integrados.
Os materiais semicondutores de segunda xeración inclúen principalmente arseniuro de galio, fosfuro de indio, fosfuro de galio, arseniuro de indio, arseniuro de aluminio e os seus compostos ternarios. Os materiais semicondutores de segunda xeración son a base da industria da información optoelectrónica. Sobre esta base, desenvolvéronse industrias relacionadas como a iluminación, a pantalla, o láser e a fotovoltaica. Son amplamente utilizados na tecnoloxía da información contemporánea e nas industrias de visualización optoelectrónica.
Os materiais representativos dos materiais semicondutores de terceira xeración inclúen nitruro de galio e carburo de silicio. Debido á súa ampla brecha de banda, a súa alta velocidade de deriva de saturación de electróns, a alta condutividade térmica e a alta intensidade de campo de ruptura, son materiais ideais para a preparación de dispositivos electrónicos de alta densidade de potencia, alta frecuencia e baixas perdas. Entre eles, os dispositivos de enerxía de carburo de silicio teñen as vantaxes dunha alta densidade de enerxía, un baixo consumo de enerxía e un tamaño pequeno e teñen amplas perspectivas de aplicación en vehículos de nova enerxía, fotovoltaica, transporte ferroviario, big data e outros campos. Os dispositivos de RF de nitruro de galio teñen as vantaxes de alta frecuencia, alta potencia, ancho de banda amplo, baixo consumo de enerxía e tamaño pequeno, e teñen amplas perspectivas de aplicación en comunicacións 5G, Internet das cousas, radares militares e outros campos. Ademais, os dispositivos de enerxía baseados en nitruro de galio foron amplamente utilizados no campo de baixa tensión. Ademais, nos últimos anos, espérase que os materiais de óxido de galio emerxentes formen unha complementariedade técnica coas tecnoloxías existentes de SiC e GaN, e teñan posibilidades de aplicación nos campos de baixa frecuencia e alta tensión.
En comparación cos materiais semicondutores de segunda xeración, os materiais semicondutores de terceira xeración teñen un ancho de banda máis amplo (o ancho de banda de Si, un material típico do material de semicondutores de primeira xeración, é de aproximadamente 1,1 eV, o ancho de banda de GaAs, un típico). material do material semicondutor de segunda xeración, é duns 1,42 eV, e o ancho de banda prohibida de GaN, un material típico do material semicondutor de terceira xeración, é superior a 2,3 eV), unha maior resistencia á radiación, unha maior resistencia á ruptura do campo eléctrico e unha maior resistencia á temperatura. Os materiais semicondutores de terceira xeración con ancho de banda máis amplo son especialmente axeitados para a produción de dispositivos electrónicos resistentes á radiación, de alta frecuencia, de alta potencia e de alta densidade de integración. As súas aplicacións en dispositivos de radiofrecuencia de microondas, LED, láseres, dispositivos de enerxía e outros campos chamaron moita atención, e mostraron amplas perspectivas de desenvolvemento en comunicacións móbiles, redes intelixentes, tránsito ferroviario, vehículos de nova enerxía, electrónica de consumo e ultravioleta e azul. -dispositivos de luz verde [1].
Fonte da imaxe: CASA, Zheshang Securities Research Institute
Figura 1 Escala de tempo e previsión do dispositivo de potencia GaN
II Estrutura e características do material GaN
GaN é un semicondutor directo de banda prohibida. O ancho de banda da estrutura de wurtzita a temperatura ambiente é duns 3,26 eV. Os materiais de GaN teñen tres estruturas cristalinas principais, a saber, a estrutura de wurtzita, a estrutura de esfalerita e a estrutura de sal de rocha. Entre eles, a estrutura de wurtzita é a estrutura cristalina máis estable. A figura 2 é un diagrama da estrutura hexagonal de wurtzita do GaN. A estrutura de wurtzita do material GaN pertence a unha estrutura pechada hexagonal. Cada célula unitaria ten 12 átomos, incluíndo 6 átomos de N e 6 átomos de Ga. Cada átomo de Ga (N) forma un enlace cos 4 átomos de N (Ga) máis próximos e apílase na orde de ABABAB... ao longo da dirección [0001] [2].
Figura 2 Diagrama de células cristalinas GaN da estrutura de wurtzita
III Substratos de uso común para a epitaxia de GaN
Parece que a epitaxia homoxénea sobre substratos de GaN é a mellor opción para a epitaxia de GaN. Non obstante, debido á gran enerxía de enlace do GaN, cando a temperatura alcanza o punto de fusión de 2500 ℃, a súa correspondente presión de descomposición é de aproximadamente 4,5 GPa. Cando a presión de descomposición é inferior a esta presión, o GaN non se funde senón que se descompón directamente. Isto fai que as tecnoloxías de preparación de substratos maduros, como o método Czochralski, non sexan axeitadas para a preparación de substratos monocristais de GaN, o que fai que os substratos de GaN sexan difíciles de producir en masa e sexan custosos. Polo tanto, os substratos comúnmente utilizados no crecemento epitaxial de GaN son principalmente Si, SiC, zafiro, etc. [3].
Gráfico 3 GaN e parámetros dos materiais de substrato de uso habitual
Epitaxia GaN sobre zafiro
O zafiro ten propiedades químicas estables, é barato e ten unha alta madurez da industria de produción a grande escala. Polo tanto, converteuse nun dos materiais de substrato máis antigos e máis utilizados na enxeñaría de dispositivos semicondutores. Como un dos substratos de uso habitual para a epitaxia de GaN, os principais problemas que deben resolverse para os substratos de zafiro son:
✔ Debido ao gran desaxuste entre o zafiro (Al2O3) e o GaN (un 15%), a densidade de defectos na interface entre a capa epitaxial e o substrato é moi alta. Para reducir os seus efectos adversos, o substrato debe ser sometido a un complexo pretratamento antes de que comece o proceso de epitaxia. Antes de cultivar a epitaxia de GaN en substratos de zafiro, a superficie do substrato debe limparse estrictamente para eliminar contaminantes, danos residuais de pulido, etc., e para producir chanzos e estruturas de superficie. Despois, a superficie do substrato é nitrurada para cambiar as propiedades de humectación da capa epitaxial. Finalmente, unha fina capa tampón de AlN (normalmente de 10-100 nm de espesor) debe ser depositada na superficie do substrato e recocida a baixa temperatura para prepararse para o crecemento epitaxial final. Aínda así, a densidade de dislocación nas películas epitaxiais de GaN cultivadas en substratos de zafiro aínda é maior que a das películas homoepitaxiais (uns 1010 cm-2, en comparación coa densidade de luxación esencialmente nula nas películas homoepitaxiais de silicio ou as películas homoepitaxiais de arseniuro de galio, ou entre 1140 cm2- 2). A maior densidade de defectos reduce a mobilidade do portador, acurtando así a vida útil do portador minoritario e reducindo a condutividade térmica, o que reducirá o rendemento do dispositivo [4];
✔ O coeficiente de expansión térmica do zafiro é maior que o do GaN, polo que se xerará tensión de compresión biaxial na capa epitaxial durante o proceso de arrefriamento desde a temperatura de deposición ata a temperatura ambiente. Para películas epitaxiais máis grosas, este estrés pode causar rachaduras da película ou mesmo do substrato;
✔ En comparación con outros substratos, a condutividade térmica dos substratos de zafiro é menor (uns 0,25 W * cm-1 * K-1 a 100 ℃) e o rendemento de disipación de calor é pobre;
✔ Debido á súa escasa condutividade, os substratos de zafiro non son propicios para a súa integración e aplicación con outros dispositivos semicondutores.
Aínda que a densidade de defectos das capas epitaxiais de GaN cultivadas en substratos de zafiro é alta, non parece reducir significativamente o rendemento optoelectrónico dos LED azuis-verdes baseados en GaN, polo que os substratos de zafiro aínda son substratos de uso habitual para os LED baseados en GaN.
Co desenvolvemento de máis novas aplicacións de dispositivos GaN como láseres ou outros dispositivos de potencia de alta densidade, os defectos inherentes dos substratos de zafiro convertéronse cada vez máis nunha limitación da súa aplicación. Ademais, co desenvolvemento da tecnoloxía de crecemento de substratos de SiC, a redución de custos e a madurez da tecnoloxía epitaxial de GaN en substratos de Si, máis investigación sobre o crecemento de capas epitaxiais de GaN en substratos de zafiro mostrou gradualmente unha tendencia de arrefriamento.
Epitaxia de GaN sobre SiC
En comparación co zafiro, os substratos de SiC (cristais 4H e 6H) teñen unha menor coincidencia de rede coas capas epitaxiais de GaN (3,1%, equivalente a películas epitaxiais orientadas [0001]), maior condutividade térmica (uns 3,8W*cm-1*K). -1), etc. Ademais, a condutividade dos substratos de SiC tamén permite facer contactos eléctricos no parte posterior do substrato, o que axuda a simplificar a estrutura do dispositivo. A existencia destas vantaxes atraeu cada vez a máis investigadores a traballar na epitaxia de GaN sobre substratos de carburo de silicio.
Non obstante, traballar directamente sobre substratos de SiC para evitar o crecemento de epicapas de GaN tamén se enfronta a unha serie de desvantaxes, entre elas as seguintes:
✔ A rugosidade superficial dos substratos de SiC é moito maior que a dos substratos de zafiro (rugosidade de zafiro 0,1 nm RMS, rugosidade de SiC 1 nm RMS), os substratos de SiC teñen unha alta dureza e un rendemento de procesamento deficiente, e esta rugosidade e os danos residuais do pulido tamén son un dos fontes de defectos nas epicapas de GaN.
✔ A densidade de dislocación dos parafusos dos substratos de SiC é alta (densidade de dislocación 103-104 cm-2), as dislocacións dos parafusos poden propagarse á epicapa de GaN e reducir o rendemento do dispositivo;
✔ A disposición atómica na superficie do substrato induce a formación de fallas de apilado (BSF) na epicapa de GaN. Para o GaN epitaxial sobre substratos de SiC, hai múltiples posibles ordes de disposición atómica no substrato, o que resulta nunha orde inicial de apilado atómico inconsistente da capa de GaN epitaxial sobre el, que é propensa a fallas de apilado. As fallas de apilado (SF) introducen campos eléctricos incorporados ao longo do eixe c, o que provoca problemas como fugas dos dispositivos de separación de portadores no plano;
✔ O coeficiente de expansión térmica do substrato de SiC é menor que o de AlN e GaN, o que provoca a acumulación de estrés térmico entre a capa epitaxial e o substrato durante o proceso de arrefriamento. Waltereit e Brand predixeron en función dos seus resultados de investigación que este problema pode aliviarse ou resolverse facendo crecer capas epitaxiais de GaN en capas de nucleación de AlN finas e coherentemente tensas;
✔ O problema da escasa humectabilidade dos átomos de Ga. Cando se cultivan capas epitaxiais de GaN directamente na superficie de SiC, debido á escasa humectabilidade entre os dous átomos, o GaN é propenso ao crecemento de illas 3D na superficie do substrato. A introdución dunha capa tampón é a solución máis utilizada para mellorar a calidade dos materiais epitaxiais na epitaxia de GaN. A introdución dunha capa tampón de AlN ou AlxGa1-xN pode mellorar eficazmente a moxabilidade da superficie de SiC e facer que a capa epitaxial de GaN creza en dúas dimensións. Ademais, tamén pode regular o estrés e evitar que os defectos do substrato se estendan á epitaxia de GaN;
✔ A tecnoloxía de preparación de substratos de SiC é inmadura, o custo do substrato é alto e hai poucos provedores e pouca oferta.
A investigación de Torres et al. mostra que gravar o substrato de SiC con H2 a alta temperatura (1600 °C) antes da epitaxia pode producir unha estrutura escalonada máis ordenada na superficie do substrato, obtendo así unha película epitaxial de AlN de maior calidade que cando está directamente. cultivadas na superficie do substrato orixinal. A investigación de Xie e o seu equipo tamén mostra que o pretratamento de gravado do substrato de carburo de silicio pode mellorar significativamente a morfoloxía superficial e a calidade do cristal da capa epitaxial de GaN. Smith et al. descubriu que as dislocacións de rosca orixinadas nas interfaces substrato/capa tampón e capa tampón/capa epitaxial están relacionadas coa planitude do substrato [5].
Figura 4 Morfoloxía TEM de mostras de capa epitaxial de GaN cultivadas sobre substrato 6H-SiC (0001) en diferentes condicións de tratamento de superficie (a) limpeza química; (b) limpeza química + tratamento con plasma de hidróxeno; (c) limpeza química + tratamento con plasma de hidróxeno + tratamento térmico de hidróxeno a 1300 ℃ durante 30 minutos
Epitaxia de GaN sobre Si
En comparación co carburo de silicio, o zafiro e outros substratos, o proceso de preparación do substrato de silicio é maduro e pode proporcionar de forma estable substratos maduros de gran tamaño cun alto custo. Ao mesmo tempo, a condutividade térmica e eléctrica son boas e o proceso do dispositivo electrónico Si está maduro. A posibilidade de integrar perfectamente os dispositivos optoelectrónicos GaN con dispositivos electrónicos Si no futuro tamén fai que o crecemento da epitaxia GaN sobre silicio sexa moi atractivo.
Non obstante, debido á gran diferenza de constantes de celosía entre o substrato de Si e o material de GaN, a epitaxia heteroxénea de GaN sobre o substrato de Si é unha típica epitaxia de gran desaxuste e tamén debe afrontar unha serie de problemas:
✔ Problema de enerxía da interface superficial. Cando o GaN crece nun substrato de Si, a superficie do substrato de Si será nitrurada primeiro para formar unha capa de nitruro de silicio amorfo que non é propicia para a nucleación e o crecemento de GaN de alta densidade. Ademais, a superficie de Si entrará en contacto primeiro con Ga, o que corroerá a superficie do substrato de Si. A altas temperaturas, a descomposición da superficie de Si difundirase na capa epitaxial de GaN formando manchas negras de silicio.
✔ O desaxuste constante da rede entre GaN e Si é grande (~ 17%), o que levará á formación de luxacións de rosca de alta densidade e reducirá significativamente a calidade da capa epitaxial;
✔ En comparación co Si, o GaN ten un coeficiente de expansión térmica maior (o coeficiente de expansión térmica de GaN é de aproximadamente 5,6 × 10-6K-1, o coeficiente de expansión térmica de Si é de aproximadamente 2,6 × 10-6K-1) e pódense xerar fendas no GaN. capa epitaxial durante o arrefriamento da temperatura epitaxial a temperatura ambiente;
✔ Si reacciona con NH3 a altas temperaturas para formar SiNx policristalino. AlN non pode formar un núcleo orientado preferentemente sobre SiNx policristalino, o que leva a unha orientación desordenada da capa de GaN posteriormente cultivada e un gran número de defectos, o que resulta nunha mala calidade cristalina da capa epitaxial de GaN, e mesmo dificultade para formar unha capa monocristalina. Capa epitaxial de GaN [6].
Para resolver o problema do gran desaxuste da rede, os investigadores intentaron introducir materiais como AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO e SiC como capas tampón sobre substratos de Si. Para evitar a formación de SiNx policristalino e reducir os seus efectos adversos sobre a calidade cristalina dos materiais GaN/AlN/Si (111), normalmente cómpre introducir TMAl durante un certo período de tempo antes do crecemento epitaxial da capa tampón de AlN. para evitar que o NH3 reaccione coa superficie de Si exposta para formar SiNx. Ademais, pódense usar tecnoloxías epitaxiais, como a tecnoloxía de substrato estampado, para mellorar a calidade da capa epitaxial. O desenvolvemento destas tecnoloxías axuda a inhibir a formación de SiNx na interface epitaxial, promover o crecemento bidimensional da capa epitaxial de GaN e mellorar a calidade de crecemento da capa epitaxial. Ademais, introdúcese unha capa tampón de AlN para compensar o esforzo de tracción causado pola diferenza de coeficientes de expansión térmica para evitar fendas na capa epitaxial de GaN no substrato de silicio. A investigación de Krost mostra que existe unha correlación positiva entre o espesor da capa tampón de AlN e a redución da tensión. Cando o grosor da capa de amortiguación alcanza os 12 nm, pódese cultivar unha capa epitaxial de máis de 6 μm nun substrato de silicio mediante un esquema de crecemento axeitado sen rachar a capa epitaxial.
Despois de esforzos a longo prazo dos investigadores, a calidade das capas epitaxiais de GaN cultivadas en substratos de silicio mellorouse significativamente e os dispositivos como os transistores de efecto de campo, os detectores de ultravioleta de barreira Schottky, os LED azuis-verdes e os láseres ultravioleta lograron avances significativos.
En resumo, dado que os substratos epitaxiais de GaN de uso común son todos epitaxias heteroxéneas, todos enfróntanse a problemas comúns como o desaxuste da rede e grandes diferenzas nos coeficientes de expansión térmica en distintos graos. Os substratos de GaN epitaxiais homoxéneos están limitados pola madurez da tecnoloxía e os substratos aínda non foron producidos en masa. O custo de produción é alto, o tamaño do substrato é pequeno e a calidade do substrato non é ideal. O desenvolvemento de novos substratos epitaxiais de GaN e a mellora da calidade epitaxial seguen sendo un dos factores importantes que restrinxen o desenvolvemento ulterior da industria epitaxial de GaN.
IV. Métodos comúns para a epitaxia de GaN
MOCVD (deposición química de vapor)
Parece que a epitaxia homoxénea sobre substratos de GaN é a mellor opción para a epitaxia de GaN. Non obstante, dado que os precursores da deposición química de vapor son o trimetilgalio e o amoníaco, e o gas portador é hidróxeno, a temperatura de crecemento típica de MOCVD é de aproximadamente 1000-1100 ℃ e a taxa de crecemento de MOCVD é dunhas poucas micras por hora. Pode producir interfaces empinadas a nivel atómico, o que é moi axeitado para o crecemento de heteroxuncións, pozos cuánticos, superredes e outras estruturas. A súa rápida taxa de crecemento, a súa boa uniformidade e a súa idoneidade para o crecemento de grandes superficies e de varias pezas adoitan usarse na produción industrial.
MBE (epitaxia de feixe molecular)
Na epitaxia do feixe molecular, Ga usa unha fonte elemental e o nitróxeno activo obtense a partir do nitróxeno a través do plasma de RF. En comparación co método MOCVD, a temperatura de crecemento de MBE é uns 350-400 ℃ máis baixa. A menor temperatura de crecemento pode evitar certa contaminación que pode ser causada por ambientes de alta temperatura. O sistema MBE funciona baixo un baleiro ultra alto, o que lle permite integrar máis métodos de detección in situ. Ao mesmo tempo, a súa taxa de crecemento e capacidade de produción non se poden comparar co MOCVD, e úsase máis na investigación científica [7].
Figura 5 (a) Esquema Eiko-MBE (b) Esquema da cámara de reacción principal MBE
Método HVPE (epitaxia en fase de vapor de hidruro)
Os precursores do método de epitaxia en fase vapor de hidruro son GaCl3 e NH3. Detchprohm et al. utilizou este método para facer crecer unha capa epitaxial de GaN de centos de micras de espesor na superficie dun substrato de zafiro. No seu experimento, cultivouse unha capa de ZnO entre o substrato de zafiro e a capa epitaxial como capa tampón, e a capa epitaxial retirouse da superficie do substrato. En comparación con MOCVD e MBE, a principal característica do método HVPE é a súa alta taxa de crecemento, que é adecuada para a produción de capas grosas e materiais a granel. Non obstante, cando o espesor da capa epitaxial supera os 20 μm, a capa epitaxial producida por este método é propensa a fisuras.
Akira USUI introduciu a tecnoloxía de substrato estampado baseada neste método. Primeiro creceron unha fina capa epitaxial de GaN de 1-1,5 μm de espesor sobre un substrato de zafiro mediante o método MOCVD. A capa epitaxial consistía nunha capa tampón de GaN de 20 nm de espesor cultivada en condicións de baixa temperatura e unha capa de GaN cultivada en condicións de alta temperatura. Despois, a 430 ℃, unha capa de SiO2 foi chapada sobre a superficie da capa epitaxial e fixéronse franxas de fiestras na película de SiO2 mediante fotolitografía. O espazamento das franxas era de 7 μm e o ancho da máscara variou de 1 μm a 4 μm. Despois desta mellora, obtiveron unha capa epitaxial de GaN sobre un substrato de zafiro de 2 polgadas de diámetro que estaba sen rachaduras e tan lisa como un espello mesmo cando o grosor aumentaba ata decenas ou mesmo centos de micras. A densidade de defectos reduciuse de 109-1010 cm-2 do método tradicional HVPE a uns 6 × 107 cm-2. Tamén sinalaron no experimento que cando a taxa de crecemento superaba os 75 μm/h, a superficie da mostra volveríase áspera[8].
Figura 6 Esquema gráfico do substrato
V. Resumo e perspectivas
Os materiais GaN comezaron a xurdir en 2014 cando o LED de luz azul gañou o Premio Nobel de Física ese ano, e entrou no campo público das aplicacións de carga rápida no campo da electrónica de consumo. De feito, tamén xurdiron silenciosamente aplicacións nos amplificadores de potencia e dispositivos de RF utilizados nas estacións base 5G que a maioría da xente non pode ver. Nos últimos anos, espérase que o avance dos dispositivos de potencia para automóbiles baseados en GaN abra novos puntos de crecemento para o mercado de aplicacións de materiais de GaN.
A enorme demanda do mercado seguramente promoverá o desenvolvemento de industrias e tecnoloxías relacionadas co GaN. Coa madurez e mellora da cadea industrial relacionada co GaN, os problemas aos que se enfronta a actual tecnoloxía epitaxial de GaN acabarán por mellorar ou superar. No futuro, a xente seguramente desenvolverá máis novas tecnoloxías epitaxiais e máis excelentes opcións de substrato. Para entón, as persoas poderán elixir a tecnoloxía de investigación externa e o substrato máis axeitados para diferentes escenarios de aplicación segundo as características dos escenarios de aplicación e producir os produtos personalizados máis competitivos.
Hora de publicación: 28-Xun-2024