1. Twazyèm jenerasyon semi-conducteurs
Teknoloji semiconductor premye jenerasyon an te devlope ki baze sou materyèl semiconductor tankou Si ak Ge. Li se baz materyèl pou devlopman tranzistò ak teknoloji sikwi entegre. Materyèl semi-conducteurs premye jenerasyon yo te mete fondasyon pou endistri elektwonik la nan 20yèm syèk la epi yo se materyèl debaz pou teknoloji sikwi entegre.
Materyèl semi-conducteurs dezyèm jenerasyon yo sitou gen ladan Galyòm arsenide, Endyòm phosphide, Galyòm phosphide, Endyòm arsenide, aliminyòm arsenide ak konpoze ternary yo. Materyèl semi-conducteurs dezyèm jenerasyon yo se fondasyon endistri enfòmasyon optoelectronic. Sou baz sa a, endistri ki gen rapò tankou ekleraj, ekspozisyon, lazè, ak fotovoltaik yo te devlope. Yo lajman itilize nan teknoloji enfòmasyon kontanporen ak endistri ekspozisyon optoelectronic.
Materyèl reprezantan twazyèm jenerasyon materyèl semi-conducteurs yo enkli nitrure galyòm ak carbure Silisyòm. Akòz espas lajè yo, gwo vitès drift saturation elèktron, konduktiviti tèmik segondè, ak gwo fòs dekonpozisyon jaden yo, yo se materyèl ideyal pou prepare aparèy elektwonik gwo-pouvwa dansite, segondè-frekans, ak ba-pèt. Pami yo, aparèy pouvwa carbure Silisyòm gen avantaj ki genyen nan dansite enèji segondè, konsomasyon enèji ki ba, ak ti gwosè, epi yo gen kandida aplikasyon laj nan machin enèji nouvo, fotovoltaik, transpò tren, done gwo, ak lòt jaden. Aparèy RF nitrure Galyòm gen avantaj ki genyen nan gwo frekans, gwo pouvwa, lajè Pleasant, konsomasyon pouvwa ki ba ak ti gwosè, epi yo gen kandida aplikasyon laj nan kominikasyon 5G, entènèt la nan bagay sa yo, rada militè ak lòt jaden. Anplis de sa, aparèy pouvwa ki baze sou nitrure Galyòm yo te lajman itilize nan jaden an ba-vòltaj. Anplis de sa, nan dènye ane yo, materyèl oksid galyòm émergentes yo espere fòme konplemantasyon teknik ak teknoloji ki deja egziste SiC ak GaN, epi yo gen kandida aplikasyon potansyèl nan jaden yo ba-frekans ak wo-vòltaj.
Konpare ak materyèl semiconductor dezyèm jenerasyon yo, materyèl semiconductor twazyèm jenerasyon yo gen lajè bandgap pi laj (lajè bandgap nan Si, yon materyèl tipik nan materyèl semiconductor premye jenerasyon an, se sou 1.1eV, lajè bandgap nan GaAs, yon tipik materyèl semi-conducteurs dezyèm jenerasyon materyèl la, se apeprè 1.42eV, ak lajè bandgap GaN, yon materyèl tipik nan materyèl semi-conducteur twazyèm jenerasyon an, se pi wo a 2.3eV), pi fò rezistans radyasyon, pi fò rezistans nan pann jaden elektrik, ak pi wo rezistans tanperati. Materyèl semi-conducteurs twazyèm-jenerasyon yo ak lajè bandgap pi laj yo patikilyèman apwopriye pou pwodiksyon aparèy elektwonik ki reziste radyasyon, segondè-frekans, gwo pouvwa ak segondè-entegrasyon-dansite. Aplikasyon yo nan aparèy frekans radyo mikwo ond, LED, lazè, aparèy pouvwa ak lòt jaden yo te atire anpil atansyon, epi yo te montre gwo kandida devlopman nan kominikasyon mobil, griy entelijan, transpò tren, nouvo machin enèji, elektwonik konsomatè, ak iltravyolèt ak ble. -vèt limyè aparèy [1].
Sous imaj: CASA, Zheshang Securities Research Institute
Figi 1 echèl tan ak previzyon aparèy pouvwa GaN
II GaN estrikti materyèl ak karakteristik
GaN se yon semiconductor bandgap dirèk. Lajè bandgap nan estrikti wurtzite a nan tanperati chanm se sou 3.26eV. Materyèl GaN gen twa estrikti prensipal kristal, sètadi estrikti wurtzite, estrikti sphalerit ak estrikti sèl wòch. Pami yo, estrikti wurtzite la se estrikti kristal ki pi estab. Figi 2 se yon dyagram nan estrikti wurtzite egzagonal GaN. Estrikti wurtzite nan materyèl GaN ki dwe nan yon estrikti egzagonal fèmen-chaje. Chak selil inite gen 12 atòm, ki gen ladan 6 atòm N ak 6 atòm Ga. Chak atòm Ga (N) fòme yon lyezon ak 4 atòm N (Ga) ki pi pre yo epi yo anpile nan lòd ABABAB... nan direksyon [0001] [2].
Figi 2 Wurtzite estrikti GaN dyagram selil kristal
III Souvan itilize substrats pou GaN epitaksi
Li sanble ke epitaksi omojèn sou substrat GaN se pi bon chwa pou epitaksi GaN. Sepandan, akòz gwo enèji kosyon GaN, lè tanperati a rive nan pwen k ap fonn nan 2500 ℃, presyon dekonpozisyon korespondan li yo se sou 4.5GPa. Lè presyon dekonpozisyon an pi ba pase presyon sa a, GaN pa fonn men li dekonpoze dirèkteman. Sa fè teknoloji preparasyon substrate ki gen matirite tankou metòd Czochralski pa apwopriye pou preparasyon substrats kristal sèl GaN, ki fè substrats GaN difisil pou pwodui an mas ak koute chè. Se poutèt sa, substrats yo souvan itilize nan kwasans epitaxial GaN yo se sitou Si, SiC, safi, elatriye [3].
Tablo 3 GaN ak paramèt materyèl substra yo itilize souvan
GaN epitaksi sou safi
Safi gen pwopriyete chimik ki estab, se bon mache, e li gen yon gwo matirite nan endistri pwodiksyon gwo echèl. Se poutèt sa, li te vin youn nan materyèl yo substra pi bonè ak pi lajman itilize nan jeni aparèy semi-conducteurs. Kòm youn nan substrats yo souvan itilize pou epitaksi GaN, pwoblèm prensipal yo ki bezwen rezoud pou substrats safi yo se:
✔ Akòz gwo dezakò nan lasi ant safi (Al2O3) ak GaN (apeprè 15%), dansite defo nan koòdone ant kouch epitaxial la ak substra a trè wo. Yo nan lòd yo diminye efè negatif li yo, substra a dwe sibi pretretman konplèks anvan pwosesis la epitaksi kòmanse. Anvan yo grandi epitaksi GaN sou substrats safi, sifas substra a dwe premye netwaye entèdi pou retire kontaminan, domaj polisaj rezidyèl, elatriye, epi pou pwodwi etap ak estrikti sifas etap. Lè sa a, sifas substra a nitrure chanje pwopriyete yo mouye nan kouch epitaxial la. Finalman, yon kouch tanpon AlN mens (anjeneral 10-100nm epè) bezwen depoze sou sifas substra a ak rkwit nan tanperati ki ba pou prepare pou kwasans epitaksi final la. Menm si sa, dansite debwatman nan fim epitaxial GaN grandi sou substrats safi toujou pi wo pase fim omoepitaxial (apeprè 1010cm-2, konpare ak dansite debwatman esansyèlman zewo nan fim homoepitaxial Silisyòm oswa fim omoepitaxial arsenide galyòm, oswa ant 1010cm-2). 2). Dansite defo ki pi wo a diminye mobilite konpayi asirans lan, kidonk diminye lavi konpayi asirans minorite yo ak diminye konduktiviti tèmik, tout bagay sa yo ap diminye pèfòmans aparèy [4];
✔ Koefisyan ekspansyon tèmik safi a pi gran pase GaN, kidonk estrès konpresiv biaxial yo pral pwodwi nan kouch epitaxial la pandan pwosesis refwadisman soti nan tanperati depo a nan tanperati chanm. Pou fim epitaxial pi epè, estrès sa a ka lakòz fann nan fim nan oswa menm substra a;
✔ Konpare ak lòt substrats, konduktiviti tèmik substrats safi pi ba (apeprè 0.25W * cm-1 * K-1 nan 100 ℃), ak pèfòmans nan dissipation chalè se pòv;
✔ Akòz konduktiviti pòv li yo, substrats safi yo pa fezab nan entegrasyon yo ak aplikasyon yo ak lòt aparèy semi-conducteurs.
Malgre ke dansite defo nan kouch epitaxial GaN grandi sou substrats safi se wo, li pa sanble yo redwi siyifikativman pèfòmans optoelectronic nan GaN ki baze sou LED ble-vèt, se konsa substrats safi yo toujou souvan itilize substrats pou dirije ki baze sou GaN.
Ak devlopman nan plis aplikasyon nouvo nan aparèy GaN tankou lazè oswa lòt aparèy pouvwa segondè-dansite, domaj yo nannan nan substrats safi te de pli zan pli vin yon limit sou aplikasyon yo. Anplis de sa, ak devlopman nan SiC substrate kwasans teknoloji, pri rediksyon ak matirite nan GaN epitaxial teknoloji sou substrats Si, plis rechèch sou ap grandi kouch epitaxial GaN sou substrats safi te piti piti montre yon tandans refwadisman.
GaN epitaksi sou SiC
Konpare ak safi, substrats SiC (4H- ak 6H-kristal) gen yon pi piti dezakò nan lasi ak kouch epitaxial GaN (3.1%, ekivalan a [0001] fim epitaxial oryante), pi wo konduktiviti tèmik (apeprè 3.8W * cm-1 * K). -1), elatriye Anplis de sa, konduktiviti nan substra SiC tou pèmèt kontak elektrik yo dwe fè sou do a nan substra a, ki ede senplifye estrikti nan aparèy. Egzistans avantaj sa yo te atire plis ak plis chèchè pou yo travay sou epitaksi GaN sou substrats carbure Silisyòm.
Sepandan, travay dirèkteman sou substra SiC pou evite epilayer GaN ap grandi tou fè fas a yon seri dezavantaj, ki gen ladan sa ki annapre yo:
✔ Brutalsite sifas SiC substrates pi wo pase safi substrats (sapphire brutality 0.1nm RMS, SiC brutality 1nm RMS), substrats SiC gen gwo dite ak pèfòmans pwosesis pòv, ak sa a brutality ak rezidyèl polisaj domaj yo tou se youn nan yo. sous defo nan epilayers GaN.
✔ Dansite debwatman vis nan substra SiC se wo (dansite debwatman 103-104cm-2), dislokasyon vis ka pwopaje nan epilayer GaN a epi redwi pèfòmans aparèy;
✔ Aranjman atomik sou sifas substra a pwovoke fòmasyon nan fay anpile (BSF) nan epilayer GaN la. Pou GaN epitaxial sou substrats SiC, gen plizyè lòd posib aranjman atomik sou substra a, sa ki lakòz enkonsistan inisyal lòd pile atomik nan kouch GaN epitaxial la sou li, ki se tendans anpile fot. Fòt anpile (SF) prezante jaden elektrik entegre sou aks c la, ki mennen nan pwoblèm tankou flit nan aparèy separasyon transpòtè nan avyon;
✔ Koefisyan ekspansyon tèmik substrate SiC pi piti pase sa ki AlN ak GaN, ki lakòz akimilasyon estrès tèmik ant kouch epitaxial la ak substra a pandan pwosesis refwadisman an. Waltereit ak Brand te prevwa baze sou rezilta rechèch yo ke pwoblèm sa a ka soulaje oswa rezoud pa grandi kouch epitaksial GaN sou kouch mens, koyerans souche AlN nikleyasyon;
✔ Pwoblèm nan move mouillabilite nan atòm Ga. Lè ap grandi kouch epitaxial GaN dirèkteman sou sifas SiC la, akòz move moutabilite ant de atòm yo, GaN gen tandans fè kwasans zile 3D sou sifas substra a. Entwodwi yon kouch tanpon se solisyon ki pi souvan itilize pou amelyore kalite materyèl epitaksi nan epitaksi GaN. Entwodwi yon kouch tanpon AlN oswa AlxGa1-xN ka efektivman amelyore mouillabilite sifas SiC la epi fè kouch epitaxial GaN grandi nan de dimansyon. Anplis de sa, li kapab tou kontwole estrès ak anpeche domaj substra soti nan pwolonje nan epitaksi GaN;
✔ Teknoloji preparasyon substrats SiC se frelikè, pri substra a wo, e gen kèk founisè ak ti rezèv.
Rechèch Torres et al montre ke grave SiC substra a ak H2 nan tanperati ki wo (1600 ° C) anvan epitaksi ka pwodwi yon estrikti etap plis òdone sou sifas la substra, kidonk jwenn yon pi bon kalite fim epitaksial AlN pase lè li dirèkteman. grandi sou sifas substrate orijinal la. Xie ak rechèch ekip li a montre tou ke pretreatment grave nan substra a carbure Silisyòm ka siyifikativman amelyore mòfoloji sifas la ak bon jan kalite kristal nan kouch epitaxial GaN. Smith et al. te jwenn ke dislokasyon threading ki soti nan kouch substrate / tanpon ak kouch tanpon / kouch epitaksial interfaces yo gen rapò ak plat la nan substra a [5].
Figi 4 TEM mòfoloji echantiyon kouch epitaxial GaN grandi sou substra 6H-SiC (0001) nan kondisyon tretman sifas diferan (a) netwayaj chimik; (b) netwayaj chimik + tretman plasma idwojèn; (c) netwayaj chimik + tretman plasma idwojèn + 1300℃ tretman chalè idwojèn pou 30min
GaN epitaksi sou Si
Konpare ak carbure Silisyòm, safi ak lòt substrats, pwosesis preparasyon substrate Silisyòm la gen matirite, epi li ka stab bay substrats ki gen matirite gwo-gwosè ak pèfòmans pri segondè. An menm tan an, konduktiviti tèmik la ak konduktiviti elektrik yo bon, ak pwosesis aparèy elektwonik Si la matirite. Posiblite pou parfe entegre optoelectronic aparèy GaN ak Si aparèy elektwonik nan tan kap vini an tou fè kwasans lan nan epitaksi GaN sou Silisyòm trè atire.
Sepandan, akòz gwo diferans nan konstan lasi ant substra Si ak materyèl GaN, epitaksi eterojèn nan GaN sou substra Si se yon epitaksi tipik gwo dezakò, epi li bezwen tou fè fas a yon seri de pwoblèm:
✔ Pwoblèm enèji koòdone sifas yo. Lè GaN ap grandi sou yon substra Si, sifas Si substra a pral premye nitrure pou fòme yon kouch nitrure Silisyòm amorphe ki pa fezab nan nukleasyon an ak kwasans nan gwo dansite GaN. Anplis de sa, sifas Si la pral premye kontakte Ga, ki pral korode sifas la nan substra Si la. Nan tanperati ki wo, dekonpozisyon sifas Si la pral difize nan kouch epitaxial GaN pou fòme tach nwa Silisyòm.
✔ Dezakò konstan lasi ant GaN ak Si se gwo (~ 17%), ki pral mennen nan fòmasyon nan gwo dansite dislokasyon threading ak siyifikativman diminye bon jan kalite a nan kouch epitaxial la;
✔ Konpare ak Si, GaN gen yon pi gwo koyefisyan ekspansyon tèmik (koyefisyan ekspansyon tèmik GaN a se sou 5.6 × 10-6K-1, koyefisyan ekspansyon tèmik Si a se sou 2.6 × 10-6K-1), ak fant yo ka pwodwi nan GaN la. kouch epitaxial pandan refwadisman tanperati epitaxial nan tanperati chanm;
✔ Si reyaji ak NH3 nan tanperati ki wo pou fòme SiNx polikristalin. AlN pa ka fòme yon nwayo preferansyèlman oryante sou polikristalin SiNx, ki mennen nan yon oryantasyon dezòdone nan kouch GaN ki vin apre a grandi ak yon gwo kantite domaj, sa ki lakòz bon jan kalite kristal pòv nan kouch epitaxial GaN, e menm difikilte pou fòme yon sèl-cristalin. GaN epitaxial kouch [6].
Yo nan lòd yo rezoud pwoblèm nan nan gwo dezekilib lasi, chèchè yo te eseye prezante materyèl tankou AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, ak SiC kòm kouch tanpon sou substra Si. Pou evite fòmasyon polikristalin SiNx epi redwi efè negatif li yo sou bon jan kalite kristal materyèl GaN/AlN/Si (111), TMAl anjeneral oblije prezante pou yon sèten peryòd tan anvan kwasans epitaksial kouch tanpon AlN. pou anpeche NH3 reyaji ak sifas Si ki ekspoze a pou fòme SiNx. Anplis de sa, teknoloji epitaxial tankou teknoloji substra modele ka itilize pou amelyore kalite kouch epitaxial la. Devlopman nan teknoloji sa yo ede anpeche fòmasyon nan SiNx nan koòdone epitaxial la, ankouraje kwasans lan de dimansyon nan kouch epitaxial GaN, ak amelyore kalite kwasans kouch epitaxial la. Anplis de sa, yo prezante yon kouch tanpon AlN pou konpanse estrès tansyon ki te koze pa diferans nan koyefisyan ekspansyon tèmik pou fè pou evite fant nan kouch epitaxial GaN sou substra Silisyòm lan. Rechèch Krost a montre ke gen yon korelasyon pozitif ant epesè kouch tanpon AlN ak rediksyon nan souch. Lè epesè kouch tanpon an rive nan 12nm, yon kouch epitaxial ki pi epè pase 6μm ka grandi sou yon substra Silisyòm atravè yon konplo kwasans apwopriye san yo pa fann kouch epitaxial.
Apre efò alontèm chèchè yo, bon jan kalite kouch epitaxial GaN grandi sou substrat Silisyòm yo te amelyore anpil, ak aparèy tankou tranzistò efè jaden, detektè iltravyolèt Schottky baryè, LED ble-vèt ak lazè iltravyolèt te fè pwogrè enpòtan.
An rezime, depi substrats epitaksi GaN yo souvan itilize yo tout epitaksi eterojèn, yo tout fè fas a pwoblèm komen tankou dezakò lasi ak gwo diferans nan koyefisyan ekspansyon tèmik nan diferan degre. Substra GaN epitaxial omojèn yo limite pa matirite nan teknoloji, ak substrats yo poko te pwodwi an mas. Pri pwodiksyon an wo, gwosè substra a piti, ak bon jan kalite substra a pa ideyal. Devlopman nouvo substrats epitaxial GaN ak amelyorasyon kalite epitaxial yo toujou youn nan faktè enpòtan ki mete restriksyon sou devlopman plis endistri epitaxial GaN.
IV. Metòd komen pou epitaksi GaN
MOCVD (depozisyon chimik vapè)
Li sanble ke epitaksi omojèn sou substrat GaN se pi bon chwa pou epitaksi GaN. Sepandan, depi précurseurs depo chimik vapè yo se trimethylgallium ak amonyak, ak gaz konpayi asirans lan se idwojèn, tanperati tipik MOCVD kwasans lan se apeprè 1000-1100 ℃, ak to kwasans MOCVD se apeprè kèk mikron pou chak èdtan. Li ka pwodwi interfaces apik nan nivo atomik, ki trè apwopriye pou grandi heterojunctions, pwi pwopòsyon, superlattices ak lòt estrikti. Pousantaj kwasans rapid li yo, bon inifòmite, ak konvnab pou kwasans gwo zòn ak milti-moso yo souvan itilize nan pwodiksyon endistriyèl.
MBE (molekilè gwo epitaksi)
Nan epitaksi molekilè, Ga sèvi ak yon sous eleman, epi yo jwenn nitwojèn aktif nan nitwojèn atravè plasma RF. Konpare ak metòd MOCVD, tanperati kwasans MBE a se apeprè 350-400 ℃ pi ba. Tanperati kwasans ki pi ba a ka evite sèten polisyon ki ka koze pa anviwònman tanperati ki wo. Sistèm MBE a opere anba vakyòm ultra-wo, ki pèmèt li entegre plis metòd deteksyon an plas. An menm tan an, to kwasans li yo ak kapasite pwodiksyon pa ka konpare ak MOCVD, epi li se pi plis itilize nan rechèch syantifik [7].
Figi 5 (a) Chema Eiko-MBE (b) Schema chanm reyaksyon prensipal MBE
Metòd HVPE (Epitaksi faz vapè idrid)
Précurseurs metòd epitaksi faz vapè idride yo se GaCl3 ak NH3. Detchprohm et al. itilize metòd sa a pou grandi yon kouch epitaxial GaN dè santèn de mikron epè sou sifas yon substrate safi. Nan eksperyans yo, yo te grandi yon kouch ZnO ant substrate safi a ak kouch epitaxial la kòm yon kouch tanpon, epi kouch epitaxial la te kale soti nan sifas substra a. Konpare ak MOCVD ak MBE, karakteristik prensipal la nan metòd HVPE se to kwasans segondè li yo, ki se apwopriye pou pwodiksyon an nan kouch epè ak materyèl esansyèl. Sepandan, lè epesè kouch epitaxial la depase 20μm, kouch epitaxial ki pwodui pa metòd sa a gen tandans fè fant.
Akira USUI prezante teknoloji substrate modele ki baze sou metòd sa a. Yo premye te grandi yon mens 1-1.5μm epè GaN epitaxial kouch sou yon substra safi lè l sèvi avèk metòd la MOCVD. Kouch epitaxial la konsiste de yon kouch tanpon GaN 20nm epè ki grandi nan kondisyon tanperati ki ba ak yon kouch GaN grandi nan kondisyon tanperati ki wo. Lè sa a, nan 430 ℃, yon kouch SiO2 te plake sou sifas la nan kouch epitaxial la, ak bann fenèt yo te fè sou fim nan SiO2 pa fotolitografi. Espas la foule te 7μm ak lajè mask la varye ant 1μm ak 4μm. Apre amelyorasyon sa a, yo te jwenn yon kouch epitaxial GaN sou yon substra safi 2-pous dyamèt ki te krak-gratis ak lis tankou yon glas menm lè epesè a ogmante a dè dizèn oswa menm dè santèn de mikron. Dansite domaj la te redwi soti nan 109-1010cm-2 nan metòd tradisyonèl HVPE a sou 6 × 107cm-2. Yo menm tou yo te fè remake nan eksperyans la ke lè to kwasans lan depase 75μm / h, sifas echantiyon an ta vin ki graj [8].
Figi 6 Grafik Substra Schematic
V. Rezime ak pespektiv
Materyèl GaN yo te kòmanse parèt an 2014 lè limyè ble ki ap dirije a te genyen Pri Nobèl nan Fizik ane sa a, epi li te antre nan jaden piblik la nan aplikasyon pou chaje rapid nan domèn elektwonik konsomatè. An reyalite, aplikasyon nan anplifikatè pouvwa yo ak aparèy RF yo itilize nan estasyon baz 5G ke pifò moun pa ka wè yo te tou dousman parèt. Nan dènye ane yo, dekouvèt aparèy elektrik ki baze sou GaN pou klas otomobil espere louvri nouvo pwen kwasans pou mache aplikasyon materyèl GaN.
Demann nan mache gwo pral siman ankouraje devlopman nan endistri ak teknoloji ki gen rapò ak GaN. Avèk matirite ak amelyorasyon nan chèn endistriyèl ki gen rapò ak GaN, pwoblèm yo fè fas ak teknoloji epitaxial GaN aktyèl la pral evantyèlman amelyore oswa simonte. Nan tan kap vini an, moun pral siman devlope plis nouvo teknoloji epitaxial ak opsyon substrate plis ekselan. Lè sa a, moun yo pral kapab chwazi teknoloji rechèch ekstèn ki pi apwopriye ak substra pou senaryo aplikasyon diferan selon karakteristik senaryo aplikasyon yo, epi pwodwi pwodwi ki pi konpetitif Customized.
Tan pòs: 28-Jun-2024