1. Harmadik generációs félvezetők
Az első generációs félvezető technológiát olyan félvezető anyagok alapján fejlesztették ki, mint a Si és a Ge. Ez az anyagi alapja a tranzisztorok és az integrált áramköri technológia fejlesztésének. Az első generációs félvezető anyagok a 20. századi elektronikai ipart alapozták meg, és az integrált áramköri technológia alapanyagai.
A második generációs félvezető anyagok főként gallium-arzenid, indium-foszfid, gallium-foszfid, indium-arzenid, alumínium-arzenid és ezek háromkomponensű vegyületei. A második generációs félvezető anyagok képezik az optoelektronikai információs ipar alapját. Ezen az alapon olyan kapcsolódó iparágakat fejlesztettek ki, mint a világítás, a kijelző, a lézer és a fotovoltaik. Széles körben használják a kortárs információtechnológiában és az optoelektronikai kijelzőiparban.
A harmadik generációs félvezető anyagok jellemző anyagai a gallium-nitrid és a szilícium-karbid. Széles sávszélességük, nagy elektrontelítési sodródási sebességük, nagy hővezető képességük és nagy áttörési térerősségük miatt ideális anyagok nagy teljesítménysűrűségű, nagyfrekvenciás és kis veszteségű elektronikai eszközök készítéséhez. Közülük a szilícium-karbid erőgépek előnye a nagy energiasűrűség, az alacsony energiafogyasztás és a kis méret, valamint széles körű alkalmazási lehetőségekkel rendelkeznek az új energiahordozó járművekben, a fotovoltaikában, a vasúti szállításban, a big data-ban és más területeken. A gallium-nitrid rádiófrekvenciás eszközök előnyei a nagy frekvencia, a nagy teljesítmény, a széles sávszélesség, az alacsony energiafogyasztás és a kis méret, valamint széles körű alkalmazási lehetőségekkel rendelkeznek az 5G-kommunikáció, a tárgyak internete, a katonai radar és más területeken. Ezenkívül a gallium-nitrid alapú áramellátó berendezéseket széles körben alkalmazzák a kisfeszültségű területen. Ezenkívül az elmúlt években a feltörekvő gallium-oxid anyagok várhatóan technikailag kiegészítik a meglévő SiC és GaN technológiákat, és potenciális alkalmazási kilátásokkal rendelkeznek az alacsony frekvenciájú és a nagyfeszültségű területeken.
A második generációs félvezető anyagokkal összehasonlítva a harmadik generációs félvezető anyagok szélesebb sávszélességgel rendelkeznek (az első generációs félvezető anyagok tipikus anyagának, a Sinak a sávszélessége körülbelül 1,1 eV, a GaAs sávszélessége pedig egy tipikus A második generációs félvezető anyag anyaga körülbelül 1,42 eV, a GaN sávszélessége pedig egy tipikus anyag a harmadik generációs félvezető anyag 2,3 eV feletti), erősebb sugárzásállóság, erősebb ellenállás az elektromos tér letörésével szemben és magasabb hőmérsékleti ellenállás. A harmadik generációs, szélesebb sávszélességű félvezető anyagok különösen alkalmasak sugárzásálló, nagyfrekvenciás, nagy teljesítményű és nagy integrációs sűrűségű elektronikai eszközök gyártására. Alkalmazásaik mikrohullámú rádiófrekvenciás eszközökben, LED-ekben, lézerekben, energiahordozókban és más területeken nagy figyelmet keltettek, és széles körű fejlődési kilátásokat mutattak a mobilkommunikáció, az intelligens hálózatok, a vasúti tranzit, az új energetikai járművek, a fogyasztói elektronika, valamint az ultraibolya és kék sugárzás területén. -zöld fényű eszközök [1].
A kép forrása: CASA, Zheshang Securities Research Institute
1. ábra GaN teljesítményeszköz időskála és előrejelzés
II GaN anyagszerkezet és jellemzők
A GaN egy közvetlen sávszélességű félvezető. A wurtzit szerkezet sávszélessége szobahőmérsékleten körülbelül 3,26 eV. A GaN anyagoknak három fő kristályszerkezete van, nevezetesen wurtzit szerkezet, szfalerit szerkezet és kősó szerkezet. Közülük a wurtzit szerkezet a legstabilabb kristályszerkezet. A 2. ábra a GaN hexagonális wurtzit szerkezetének diagramja. A GaN anyag wurtzit szerkezete egy hatszögletű, szorosan tömörített szerkezethez tartozik. Minden egységsejtben 12 atom van, ebből 6 N atom és 6 Ga atom. Minden Ga (N) atom kötést képez a legközelebbi 4 N (Ga) atommal, és az ABABAB… sorrendben halmozódik fel [0001] irányban [2].
2. ábra Wurtzit szerkezeti GaN kristálycella diagram
III Általánosan használt szubsztrátok GaN epitaxiához
Úgy tűnik, hogy a homogén epitaxia GaN szubsztrátokon a legjobb választás GaN epitaxiához. Azonban a GaN nagy kötési energiája miatt, amikor a hőmérséklet eléri a 2500 ℃ olvadáspontot, a megfelelő bomlási nyomás körülbelül 4,5 GPa. Ha a bomlási nyomás alacsonyabb ennél a nyomásnál, a GaN nem olvad, hanem közvetlenül bomlik. Ez az érett szubsztrátum-előkészítési technológiákat, például a Czochralski-módszert alkalmatlanná teszi a GaN egykristály szubsztrátumok előállítására, így a GaN szubsztrátumok tömegesen előállíthatók és költségesek. Ezért a GaN epitaxiális növekedésében általánosan használt szubsztrátok elsősorban a Si, SiC, zafír stb. [3].
3. ábra GaN és az általánosan használt hordozóanyagok paraméterei
GaN epitaxia zafíron
A zafír stabil kémiai tulajdonságokkal rendelkezik, olcsó, és nagy érettségű a nagyipari termelésben. Ezért ez lett az egyik legkorábbi és legszélesebb körben használt hordozóanyag a félvezető eszközök tervezésében. A GaN epitaxia egyik leggyakrabban használt szubsztrátumaként a zafír szubsztrátumokkal kapcsolatos főbb megoldandó problémák a következők:
✔ A zafír (Al2O3) és a GaN (körülbelül 15%) közötti nagy rács eltérés miatt az epitaxiális réteg és a szubsztrát határfelületén a hibasűrűség nagyon magas. A káros hatások csökkentése érdekében a szubsztrátumot komplex előkezelésnek kell alávetni az epitaxiás folyamat megkezdése előtt. A GaN epitaxia zafír hordozón történő termesztése előtt az aljzat felületét szigorúan meg kell tisztítani a szennyeződések, a maradék polírozási sérülések stb. eltávolítása érdekében, valamint lépcsőzetes és lépcsős felületi struktúrák kialakítása érdekében. Ezután a szubsztrátum felületét nitridáljuk, hogy megváltoztassuk az epitaxiális réteg nedvesítő tulajdonságait. Végül egy vékony AlN pufferréteget (általában 10-100 nm vastag) kell felvinni az aljzat felületére, és alacsony hőmérsékleten lágyítani kell, hogy felkészüljön a végső epitaxiális növekedésre. Ennek ellenére a zafír szubsztrátumon termesztett GaN epitaxiális filmek diszlokációs sűrűsége még mindig magasabb, mint a homoepitaxiális fóliáké (körülbelül 1010 cm-2, szemben a szilícium homoepitaxiális filmek vagy gallium-arzenid homoepitaxiális filmek lényegében nulla diszlokációs sűrűségével, vagy 1042 és 1042 cm- között). 2). A nagyobb hibasűrűség csökkenti a hordozó mobilitását, ezáltal lerövidíti a kisebbségi hordozók élettartamát és csökkenti a hővezető képességet, ami csökkenti az eszköz teljesítményét [4];
✔ A zafír hőtágulási együtthatója nagyobb, mint a GaN-é, így a lerakódási hőmérsékletről szobahőmérsékletre történő lehűlés során az epitaxiális rétegben biaxiális nyomófeszültség keletkezik. Vastagabb epitaxiális filmeknél ez a feszültség a film vagy akár a hordozó megrepedését okozhatja;
✔ Más hordozókhoz képest a zafír hordozók hővezető képessége alacsonyabb (körülbelül 0,25 W*cm-1*K-1 100 ℃-on), és a hőelvezetési teljesítmény is gyenge;
✔ Gyenge vezetőképessége miatt a zafír hordozók nem alkalmasak más félvezető eszközökkel való integrációjukra és alkalmazásukra.
Bár a zafír szubsztrátumokon termesztett GaN epitaxiális rétegek hibasűrűsége magas, úgy tűnik, hogy ez nem csökkenti jelentősen a GaN alapú kék-zöld LED-ek optoelektronikai teljesítményét, így a zafír szubsztrátumok továbbra is általánosan használt hordozók a GaN alapú LED-ekhez.
A GaN eszközök, például lézerek vagy más nagy sűrűségű áramforrások újabb alkalmazásainak kifejlesztésével a zafír hordozók belső hibái egyre inkább korlátozzák az alkalmazásukat. Ezenkívül a SiC szubsztrát növekedési technológiájának kifejlesztésével, a költségek csökkentésével és a GaN epitaxiális technológiájának kiforrotásával Si hordozókon a GaN epitaxiális rétegek zafír szubsztrátumokon történő növelésével kapcsolatos további kutatások fokozatosan lehűlési tendenciát mutattak.
GaN epitaxia SiC-n
A zafírhoz képest a SiC szubsztrátumok (4H- és 6H-kristályok) kisebb rácsos eltérést mutatnak a GaN epitaxiális rétegekkel (3,1%, ami megfelel az [0001] orientált epitaxiális filmeknek), nagyobb a hővezető képessége (körülbelül 3,8 W*cm-1*K). -1) stb. Ezen túlmenően a SiC hordozók vezetőképessége azt is lehetővé teszi, hogy elektromos érintkezőket hozzanak létre a hordozó hátoldalán, ami segít az eszköz szerkezetének egyszerűsítésében. Ezen előnyök megléte egyre több kutatót vonzott a szilícium-karbid szubsztrátumok GaN-epitaxiájának kutatására.
Azonban a SiC szubsztrátumokon végzett közvetlen munkavégzés a GaN epirétegek növekedésének elkerülése érdekében számos hátrányt is jelent, köztük a következőket:
✔ A SiC szubsztrátumok felületi érdessége sokkal nagyobb, mint a zafír hordozóké (zafír érdesség 0,1 nm RMS, SiC érdesség 1 nm RMS), a SiC hordozók nagy keménységgel és gyenge feldolgozási teljesítménnyel rendelkeznek, és ez az érdesség és a maradék polírozási sérülés is az egyik a GaN epilayerek hibáinak forrásai.
✔ A SiC szubsztrátumok csavardiszlokációs sűrűsége magas (diszlokációs sűrűség 103-104cm-2), a csavaros diszlokációk a GaN epilayerre terjedhetnek, és csökkenthetik az eszköz teljesítményét;
✔ A szubsztrát felületén lévő atomos elrendezés a GaN epilayerben halmozási hibák (BSF) kialakulását idézi elő. A SiC szubsztrátumokon lévő epitaxiális GaN esetében többféle lehetséges atomi elrendezési sorrend létezik a hordozón, ami az epitaxiális GaN réteg kezdeti atomi halmozási sorrendjét eredményezi, ami hajlamos a halmozási hibákra. A halmozási hibák (SF-ek) beépített elektromos mezőket hoznak létre a c-tengely mentén, ami olyan problémákhoz vezet, mint a síkban lévő hordozóleválasztó eszközök szivárgása;
✔ A SiC szubsztrátum hőtágulási együtthatója kisebb, mint az AlN-é és a GaN-é, ami a hűtési folyamat során hőfeszültség-felhalmozódást okoz az epitaxiális réteg és a hordozó között. Waltereit és Brand kutatási eredményei alapján azt jósolták, hogy ez a probléma enyhíthető vagy megoldható GaN epitaxiális rétegek növesztésével vékony, koherensen feszült AlN nukleációs rétegeken;
✔ A Ga atomok rossz nedvesíthetőségének problémája. Ha a GaN epitaxiális rétegeket közvetlenül a SiC felületen növesztjük, a két atom közötti rossz nedvesíthetőség miatt a GaN hajlamos a 3D sziget növekedésére a szubsztrát felületén. A pufferréteg bevezetése a leggyakrabban használt megoldás az epitaxiális anyagok minőségének javítására a GaN epitaxiában. Az AlN vagy AlxGa1-xN pufferréteg bevezetésével hatékonyan javítható a SiC felület nedvesíthetősége, és a GaN epitaxiális réteg két dimenzióban növekedhet. Ezenkívül szabályozhatja a feszültséget és megakadályozhatja, hogy a szubsztrát hibái kiterjedjenek a GaN epitaxiára;
✔ A SiC hordozók előkészítési technológiája kiforratlan, az aljzat költsége magas, kevés a beszállító és kevés a kínálat.
Torres és munkatársai kutatásai azt mutatják, hogy a SiC szubsztrátum magas hőmérsékleten (1600 °C) H2-vel történő maratása az epitaxia előtt rendezettebb lépésszerkezetet eredményezhet a hordozó felületén, ezáltal jobb minőségű AlN epitaxiális filmet kaphat, mint közvetlenül az eredeti szubsztrát felületén termesztik. Xie és csapata kutatása azt is mutatja, hogy a szilícium-karbid szubsztrát maratási előkezelése jelentősen javíthatja a GaN epitaxiális réteg felületi morfológiáját és kristályminőségét. Smith és mtsai. azt találta, hogy a szubsztrát/pufferréteg és a pufferréteg/epitaxiális réteg határfelületeiből származó menetes diszlokációk a hordozó síkságával függenek össze [5].
4. ábra 6H-SiC szubsztrátumon (0001) növesztett GaN epitaxiális rétegminták TEM morfológiája különböző felületkezelési körülmények között (a) kémiai tisztítás; (b) vegyi tisztítás + hidrogénplazma kezelés; (c) kémiai tisztítás + hidrogén plazma kezelés + 1300 ℃ hidrogénes hőkezelés 30 percig
GaN epitaxia Si-n
A szilícium-karbiddal, zafírral és más szubsztrátumokkal összehasonlítva a szilícium szubsztrát előkészítési folyamata érett, és stabilan képes érett, nagy méretű szubsztrátumokat biztosítani magas költséghatékonysággal. Ugyanakkor a hővezető képesség és az elektromos vezetőképesség jó, és a Si elektronikus eszköz folyamata kiforrott. Az optoelektronikus GaN eszközök és a Si elektronikus eszközök tökéletes integrálásának lehetősége a jövőben szintén vonzóvá teszi a GaN epitaxia szilíciumon történő növekedését.
A Si-szubsztrát és a GaN-anyag közötti rácsállandók nagy különbsége miatt azonban a GaN heterogén epitaxiája Si-szubsztrátumon tipikus nagy eltérés-epitaxia, és egy sor problémával is szembe kell néznie:
✔ Felületi interfész energiaprobléma. Amikor a GaN növekszik egy Si szubsztráton, a Si szubsztrát felületét először nitridáljuk, hogy egy amorf szilícium-nitrid réteget képezzenek, amely nem kedvez a nagy sűrűségű GaN gócképződésének és növekedésének. Ezenkívül a Si felület először érintkezik Ga-val, ami korrodálja a Si szubsztrát felületét. Magas hőmérsékleten a Si felület bomlása a GaN epitaxiális rétegbe diffundál, és fekete szilíciumfoltokat képez.
✔ A GaN és Si közötti rácskonstans eltérés nagy (~17%), ami nagy sűrűségű menetes diszlokációk kialakulásához vezet, és jelentősen csökkenti az epitaxiális réteg minőségét;
✔ A Si-hez képest a GaN nagyobb hőtágulási együtthatóval rendelkezik (a GaN hőtágulási együtthatója kb. 5,6×10-6K-1, a Si hőtágulási együtthatója kb. 2,6×10-6K-1), és repedések keletkezhetnek a GaN-ben. epitaxiális réteg az epitaxiális hőmérséklet szobahőmérsékletre hűtése során;
✔ A Si magas hőmérsékleten reagál az NH3-mal, és polikristályos SiNx-et képez. Az AlN nem tud preferáltan orientált magot képezni a polikristályos SiNx-en, ami a később kinőtt GaN réteg rendezetlen orientációjához és nagyszámú hibához vezet, ami a GaN epitaxiális réteg gyenge kristályminőségét, sőt az egykristály kialakításának nehézségeit is eredményezi. GaN epitaxiális réteg [6].
A nagy rácshibák problémájának megoldása érdekében a kutatók olyan anyagokat próbáltak bevezetni, mint az AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO és SiC pufferrétegként Si szubsztrátumokon. A polikristályos SiNx képződésének elkerülése és a GaN/AlN/Si (111) anyagok kristályminőségére gyakorolt káros hatásainak csökkentése érdekében általában TMAl-t kell bevezetni egy bizonyos ideig az AlN pufferréteg epitaxiális növekedése előtt. hogy az NH3 ne reagáljon a szabaddá tett Si felülettel SiNx képződésére. Ezenkívül az epitaxiális technológiát, például a mintázott szubsztrát technológiát, lehet használni az epitaxiális réteg minőségének javítására. Ezen technológiák fejlesztése segít gátolni a SiNx képződését az epitaxiális határfelületen, elősegíti a GaN epitaxiális réteg kétdimenziós növekedését, és javítja az epitaxiális réteg növekedési minőségét. Ezenkívül egy AlN pufferréteget vezetnek be a hőtágulási együtthatók különbsége által okozott húzófeszültség kompenzálására, hogy elkerüljék a szilícium hordozón lévő GaN epitaxiális réteg repedéseit. Krost kutatásai azt mutatják, hogy pozitív összefüggés van az AlN pufferréteg vastagsága és a deformáció csökkenése között. Amikor a pufferréteg vastagsága eléri a 12 nm-t, egy 6 μm-nél vastagabb epitaxiális réteg nevelhető szilícium szubsztrátumon megfelelő növekedési séma segítségével az epitaxiális réteg repedése nélkül.
A kutatók hosszú távú erőfeszítései után a szilícium szubsztrátumokon termesztett GaN epitaxiális rétegek minősége jelentősen javult, és az olyan eszközök, mint a térhatású tranzisztorok, a Schottky barrier ultraibolya detektorok, a kék-zöld LED-ek és az ultraibolya lézerek jelentős fejlődést értek el.
Összefoglalva, mivel az általánosan használt GaN epitaxiális szubsztrátok mindegyike heterogén epitaxia, mindegyikük olyan közös problémákkal szembesül, mint a rács eltérése és a hőtágulási együtthatók különböző mértékű különbségei. A homogén epitaxiális GaN szubsztrátumokat a technológia érettsége korlátozza, és a szubsztrátumokat még nem gyártották tömegesen. A gyártási költség magas, az aljzat mérete kicsi, és az aljzat minősége nem ideális. Az új GaN epitaxiális szubsztrátok kifejlesztése és az epitaxiális minőség javítása továbbra is az egyik fontos tényező, amely korlátozza a GaN epitaxiális ipar további fejlődését.
IV. A GaN epitaxia általános módszerei
MOCVD (kémiai gőzleválasztás)
Úgy tűnik, hogy a homogén epitaxia GaN szubsztrátokon a legjobb választás GaN epitaxiához. Mivel azonban a kémiai gőzlerakódás prekurzorai a trimetilgallium és az ammónia, a hordozógáz pedig a hidrogén, a MOCVD tipikus növekedési hőmérséklete körülbelül 1000-1100 ℃, a MOCVD növekedési sebessége pedig körülbelül néhány mikron óránként. Képes atomi szinten meredek határfelületeket produkálni, ami nagyon alkalmas heterojunkciók, kvantumkutak, szuperrácsok és egyéb struktúrák termesztésére. Gyors növekedési ütemét, jó egyöntetűségét, nagy területű és többdarabos termesztésre való alkalmasságát gyakran használják az ipari termelésben.
MBE (molekuláris nyaláb epitaxia)
A molekuláris nyaláb epitaxiában a Ga elemi forrást használ, és az aktív nitrogént a nitrogénből nyerik RF plazmán keresztül. A MOCVD módszerhez képest az MBE növekedési hőmérséklete körülbelül 350-400 ℃-kal alacsonyabb. Az alacsonyabb növekedési hőmérséklet elkerülhető bizonyos szennyezések, amelyeket a magas hőmérsékletű környezet okozhat. Az MBE rendszer ultra-nagy vákuum alatt működik, ami lehetővé teszi több in situ észlelési módszer integrálását. Ugyanakkor növekedési üteme és termelési kapacitása nem hasonlítható össze a MOCVD-vel, és inkább tudományos kutatásokban használják [7].
5. ábra (a) Eiko-MBE vázlat (b) MBE fő reakciókamra vázlata
HVPE módszer (hidrid gőzfázisú epitaxia)
A hidrid gőzfázisú epitaxiás módszer prekurzorai a GaCl3 és az NH3. Detchprohm et al. Ezzel a módszerrel több száz mikron vastag GaN epitaxiális réteget növesztettek egy zafír hordozó felületén. Kísérletükben a zafír szubsztrátum és az epitaxiális réteg közé ZnO réteget növesztettek pufferrétegként, majd az epitaxiális réteget lefejtették a hordozó felületéről. A MOCVD-hez és az MBE-hez képest a HVPE módszer fő jellemzője a nagy növekedési ráta, amely alkalmas vastag rétegek és ömlesztett anyagok előállítására. Ha azonban az epitaxiális réteg vastagsága meghaladja a 20 μm-t, az ezzel a módszerrel előállított epitaxiális réteg hajlamos a repedésekre.
Az Akira USUI ezen a módszeren alapuló mintás szubsztrátum technológiát vezetett be. Először egy vékony, 1-1,5 μm vastag GaN epitaxiális réteget növesztettek zafír hordozóra MOCVD módszerrel. Az epitaxiális réteg egy alacsony hőmérsékleten növesztett 20 nm vastag GaN pufferrétegből és egy magas hőmérsékleten növesztett GaN rétegből állt. Ezután 430 ℃-on SiO2 réteget vontak be az epitaxiális réteg felületére, és a SiO2 filmre fotolitográfiával ablakcsíkokat készítettek. A csíkok távolsága 7 μm volt, a maszk szélessége 1 μm és 4 μm között volt. Ezt a fejlesztést követően GaN epitaxiális réteget kaptak egy 2 hüvelyk átmérőjű zafír hordozón, amely repedésmentes volt, és olyan sima volt, mint a tükör, még akkor is, ha a vastagsága több tíz vagy akár több száz mikronra nőtt. A hibasűrűséget a hagyományos HVPE módszer 109-1010cm-2-ről kb. 6×107cm-2-re csökkentettük. A kísérlet során arra is rámutattak, hogy ha a növekedési sebesség meghaladja a 75 μm/h-t, a minta felülete érdes lesz[8].
6. ábra Grafikus szubsztrát séma
V. Összefoglalás és kitekintés
A GaN anyagok 2014-ben kezdtek megjelenni, amikor a kék fényű LED abban az évben elnyerte a fizikai Nobel-díjat, és belépett a lakossági gyorstöltési alkalmazások területére a szórakoztatóelektronikai területen. Valójában csendesen megjelentek az 5G bázisállomásokban használt teljesítményerősítőkben és RF eszközökben olyan alkalmazások is, amelyeket a legtöbb ember nem lát. Az elmúlt években a GaN-alapú autóipari teljesítményű eszközök áttörése várhatóan új növekedési pontokat nyit meg a GaN anyagok alkalmazási piacán.
A hatalmas piaci kereslet minden bizonnyal elősegíti a GaN-hez kapcsolódó iparágak és technológiák fejlődését. A GaN-hez kapcsolódó ipari lánc érettségével és fejlesztésével a jelenlegi GaN epitaxiális technológia által okozott problémák végül javítani vagy leküzdeni fognak. A jövőben az emberek minden bizonnyal több új epitaxiális technológiát és kiváló szubsztrátum-lehetőséget fognak kifejleszteni. Addigra az emberek az alkalmazási forgatókönyvek jellemzői alapján kiválaszthatják a legmegfelelőbb külső kutatási technológiát és szubsztrátot a különböző alkalmazási forgatókönyvekhez, és a legversenyképesebb testreszabott termékeket állíthatják elő.
Feladás időpontja: 2024. június 28