1. Þriðja kynslóðar hálfleiðarar
Fyrsta kynslóð hálfleiðaratækni var þróuð byggð á hálfleiðaraefnum eins og Si og Ge. Það er efnislegur grunnur fyrir þróun smára og samþættrar hringrásartækni. Fyrstu kynslóðar hálfleiðaraefnin lögðu grunninn að rafeindaiðnaðinum á 20. öld og eru grunnefni samþættrar rafrásartækni.
Önnur kynslóð hálfleiðaraefna innihalda aðallega gallíumarseníð, indíumfosfíð, gallíumfosfíð, indíumarseníð, álarseníð og þrískipt efnasambönd þeirra. Önnur kynslóð hálfleiðaraefna er grunnurinn að ljósatækniupplýsingaiðnaðinum. Á þessum grundvelli hafa tengdar atvinnugreinar eins og lýsing, skjár, leysir og ljósvökva verið þróaðar. Þau eru mikið notuð í nútíma upplýsingatækni og sjónrænum skjáiðnaði.
Fulltrúarefni þriðju kynslóðar hálfleiðaraefna eru gallíumnítríð og kísilkarbíð. Vegna breiðs bandbils, mikils rafeindamettunarrekshraða, mikillar varmaleiðni og mikillar sundurliðunarsviðsstyrks, eru þau tilvalin efni til að útbúa rafeindabúnað með miklum kraftþéttleika, hátíðni og litlum tapi. Meðal þeirra hafa kísilkarbíð raforkutæki kosti mikillar orkuþéttleika, lítillar orkunotkunar og smæðar og hafa víðtæka notkunarmöguleika í nýjum orkutækjum, ljósvökva, járnbrautarflutningum, stórgögnum og öðrum sviðum. Gallíumnítríð RF tæki hafa kosti hátíðni, mikils afl, breiðs bandbreidd, lítillar orkunotkunar og smæðar, og hafa víðtæka möguleika á notkun í 5G samskiptum, Internet of Things, herradar og öðrum sviðum. Að auki hafa raforkutæki sem byggjast á gallíumnítríði verið mikið notuð á lágspennusviðinu. Að auki, á undanförnum árum, er gert ráð fyrir að ný gallíumoxíðefni myndi tæknilega fyllingu við núverandi SiC og GaN tækni og eiga möguleika á notkun á lágtíðni og háspennusviðum.
Í samanburði við önnur kynslóðar hálfleiðaraefni hafa þriðju kynslóðar hálfleiðaraefni breiðari bandbilsbreidd (bandbilsbreidd Si, dæmigert efni í fyrstu kynslóðar hálfleiðaraefninu, er um 1,1eV, bandbilsbreidd GaAs, dæmigerð efni af annarri kynslóð hálfleiðara efnisins, er um 1,42eV, og bandbilið breidd af GaN, dæmigert efni þriðju kynslóðar hálfleiðara efnisins, er yfir 2,3eV), sterkari geislunarviðnám, sterkari viðnám gegn sundurliðun rafsviðs og hærri hitaþol. Þriðja kynslóðar hálfleiðaraefni með breiðari bandbilsbreidd eru sérstaklega hentug til framleiðslu á geislunarþolnum, hátíðni, aflmiklum og mikilli samþættingarþéttni rafeindabúnaði. Notkun þeirra í örbylgjuútvarpstíðnitækjum, LED, leysir, rafmagnstækjum og öðrum sviðum hefur vakið mikla athygli og þau hafa sýnt mikla þróunarmöguleika í farsímasamskiptum, snjallnetum, járnbrautarflutningum, nýjum orkutækjum, rafeindatækni og útfjólubláum og bláum litum. -grænt ljós tæki [1].
Myndheimild: CASA, Zheshang Securities Research Institute
Mynd 1 GaN afltæki tímakvarði og spá
II GaN efnisbygging og eiginleikar
GaN er bein bandgap hálfleiðari. Bandgap breidd wurtzite uppbyggingu við stofuhita er um 3,26eV. GaN efni hafa þrjár helstu kristalbyggingar, nefnilega wurtzite uppbyggingu, sphalerite uppbyggingu og bergsalt uppbyggingu. Meðal þeirra er wurtzite uppbyggingin stöðugasta kristalbyggingin. Mynd 2 er skýringarmynd af sexhyrndu wurtzite uppbyggingu GaN. Wurtzite uppbygging GaN efnis tilheyrir sexhyrndri, lokuðu uppbyggingu. Hver einingafruma hefur 12 atóm, þar af 6 N atóm og 6 Ga atóm. Hvert Ga (N) atóm myndar tengi við 4 næstu N (Ga) atóm og er staflað í röð ABABAB... eftir [0001] stefnu [2].
Mynd 2 Wurtzite uppbyggingu GaN kristalfrumu skýringarmynd
III Algengt hvarfefni fyrir GaN epitaxy
Svo virðist sem einsleit epitaxy á GaN hvarfefnum sé besti kosturinn fyrir GaN epitaxy. Hins vegar, vegna mikillar bindingarorku GaN, þegar hitastigið nær bræðslumarki 2500 ℃, er samsvarandi niðurbrotsþrýstingur þess um 4,5GPa. Þegar niðurbrotsþrýstingurinn er lægri en þessi þrýstingur bráðnar GaN ekki heldur brotnar niður beint. Þetta gerir þroskuð undirlagsundirbúningstækni eins og Czochralski aðferðin óhentug til að undirbúa GaN einkristal hvarfefni, sem gerir GaN undirlag erfitt að fjöldaframleiða og kostnaðarsamt. Þess vegna eru hvarfefnin sem almennt eru notuð í GaN epitaxial vexti aðallega Si, SiC, safír, osfrv. [3].
Mynd 3 GaN og færibreytur algengra undirlagsefna
GaN epitaxy á safír
Safír hefur stöðuga efnafræðilega eiginleika, er ódýr og hefur mikinn þroska í stórum framleiðsluiðnaði. Þess vegna hefur það orðið eitt elsta og mest notaða undirlagsefnið í verkfræði hálfleiðaratækja. Sem eitt af algengustu hvarfefnum fyrir GaN epitaxy, eru helstu vandamálin sem þarf að leysa fyrir safír hvarfefni:
✔ Vegna mikillar grindarmisræmis milli safírs (Al2O3) og GaN (um 15%), er gallaþéttleiki á viðmóti milli æðalagsins og undirlagsins mjög hár. Til að draga úr skaðlegum áhrifum þess verður undirlagið að fara í flókna formeðferð áður en epitaxy ferlið hefst. Áður en GaN epitaxy er ræktað á safírundirlagi, verður yfirborð undirlagsins fyrst að vera stranglega hreinsað til að fjarlægja mengunarefni, leifar af fægjaskemmdum osfrv., og til að framleiða þrep og þrepayfirborðsbyggingu. Síðan er undirlagsyfirborðið nítrað til að breyta bleytingareiginleikum epitaxial lagsins. Að lokum þarf að setja þunnt AlN stuðpúðalag (venjulega 10-100nm þykkt) á undirlagsyfirborðið og glæða við lágan hita til að undirbúa endanlegan þekjuvöxt. Jafnvel svo, er liðskiptiþéttleiki í GaN þekjulaga filmum sem ræktaðar eru á safír undirlagi enn hærri en í homoepitaxial filmum (um 1010cm-2, samanborið við í meginatriðum núll losunarþéttleika í sílikon homoepitaxial filmum eða gallíum arseníð homoepitaxial filmum, eða á milli 11040 cm. 2). Hærri gallaþéttleiki dregur úr hreyfanleika burðarbera og styttir þar með líftíma minnihluta burðaraðila og dregur úr hitaleiðni, sem allt mun draga úr afköstum tækisins [4];
✔ Varmaþenslustuðull safírs er meiri en GaN, þannig að tvíása þjöppunarálag myndast í epitaxial laginu meðan á kælingu stendur frá útfellingarhitastigi að stofuhita. Fyrir þykkari epitaxial filmur getur þetta álag valdið sprungum á filmunni eða jafnvel undirlaginu;
✔ Í samanburði við önnur undirlag er varmaleiðni safír undirlags lægri (um 0,25W * cm-1 * K-1 við 100 ℃) og hitaleiðni er léleg;
✔ Vegna lélegrar leiðni er safír undirlag ekki til þess fallið að sameina þau og nota með öðrum hálfleiðurum.
Þrátt fyrir að gallaþéttleiki GaN epitaxial laga sem ræktað er á safírundirlagi sé mikill, virðist það ekki draga verulega úr sjónrænum frammistöðu GaN-undirstaða blágrænna LED, svo safír hvarfefni eru enn almennt notuð undirlag fyrir GaN-undirstaða LED.
Með þróun fleiri nýrra forrita GaN tækja eins og leysis eða annarra háþéttni raforkutækja, hafa eðlislægir gallar safírhvarfefna í auknum mæli orðið takmörkun á notkun þeirra. Að auki, með þróun SiC hvarfefnisvaxtartækni, kostnaðarlækkun og þroska GaN epitaxial tækni á Si hvarfefni, hafa fleiri rannsóknir á vaxandi GaN epitaxial lögum á safír undirlagi smám saman sýnt kælinguþróun.
GaN epitaxy á SiC
Í samanburði við safír, hafa SiC hvarfefni (4H- og 6H-kristallar) minni grindarmisræmi við GaN epitaxial lög (3,1%, jafngildir [0001] stilla epitaxial filmum), hærri hitaleiðni (um 3,8W*cm-1*K -1), o.s.frv. Að auki gerir leiðni SiC hvarfefna einnig kleift að vera rafmagnssnertiefni gert á bakhlið undirlagsins, sem hjálpar til við að einfalda uppbyggingu tækisins. Tilvist þessara kosta hefur laðað fleiri og fleiri vísindamenn til að vinna að GaN epitaxy á kísilkarbíð hvarfefnum.
Hins vegar, að vinna beint á SiC hvarfefni til að forðast vaxandi GaN epilayers, stendur einnig frammi fyrir ýmsum ókostum, þar á meðal eftirfarandi:
✔ Yfirborðsgrófleiki SiC hvarfefna er mun hærri en safírhvarflags (safírgrófleiki 0,1nm RMS, SiC grófur 1nm RMS), SiC undirlag hefur mikla hörku og lélega vinnslugetu, og þessi ójöfnur og leifar af fægiskemmdum eru einnig ein af uppsprettur galla í GaN epilayers.
✔ Skrúfulosunarþéttleiki SiC hvarfefna er hár (losunarþéttleiki 103-104cm-2), skrúfuflutningar geta breiðst út til GaN epilayer og dregið úr afköstum tækisins;
✔ Atómaskipan á yfirborði undirlagsins veldur myndun stöflunarbrota (BSF) í GaN epilayer. Fyrir epitaxial GaN á SiC hvarfefni eru margar mögulegar lotuskipan á undirlaginu, sem leiðir til ósamræmis upphaflegrar atómstöfluröðunar á epitaxial GaN laginu á því, sem er hætt við að stafla bilanir. Staflabilanir (SFs) kynna innbyggð rafsvið meðfram c-ásnum, sem leiðir til vandamála eins og leka á búnaði fyrir aðskilnað burðarefnis í flugvél;
✔ Varmaþenslustuðull SiC undirlags er minni en AlN og GaN, sem veldur hitaspennuuppsöfnun milli epitaxial lagsins og undirlagsins meðan á kælingu stendur. Waltereit og Brand spáðu á grundvelli rannsóknarniðurstaðna sinna að hægt væri að draga úr þessu vandamáli eða leysa með því að vaxa GaN epitaxial lög á þunnum, samhangandi þvinguðum AlN kjarnalögum;
✔ Vandamálið með lélega vætanleika Ga atóma. Þegar GaN epitaxial lög eru ræktuð beint á SiC yfirborðið, vegna lélegrar bleyta á milli atómanna tveggja, er GaN hætt við 3D eyjavöxt á yfirborði undirlagsins. Að kynna stuðpúðalag er algengasta lausnin til að bæta gæði epitaxial efna í GaN epitaxy. Með því að kynna AlN eða AlxGa1-xN stuðpúðalag getur það í raun bætt vætanleika SiC yfirborðsins og látið GaN epitaxial lagið vaxa í tvívídd. Að auki getur það einnig stjórnað streitu og komið í veg fyrir að undirlagsgallar nái yfir í GaN epitaxy;
✔ Undirbúningstækni SiC hvarfefna er óþroskuð, undirlagskostnaðurinn er hár og fáir birgjar og lítið framboð.
Rannsóknir Torres o.fl. sýna að æting á SiC hvarfefninu með H2 við háan hita (1600°C) fyrir epitaxy getur framleitt skipulegri þrepabyggingu á yfirborði undirlagsins og þar með fengið meiri gæði AlN epitaxial filmu en þegar það er beint ræktað á upprunalegu yfirborði undirlagsins. Rannsóknir Xie og teymi hans sýna einnig að formeðferð ætingar á kísilkarbíð undirlaginu getur verulega bætt yfirborðsformgerð og kristalgæði GaN epitaxial lagsins. Smith o.fl. komist að því að þræðingar sem koma frá tengingu undirlags/stuðpúðalags og tengilags/epitaxiallags tengist flatleika undirlagsins [5].
Mynd 4 TEM formgerð GaN epitaxial lagsýna ræktuð á 6H-SiC hvarfefni (0001) við mismunandi yfirborðsmeðferðaraðstæður (a) efnahreinsun; (b) efnahreinsun + vetnisplasmameðferð; (c) efnahreinsun + vetnisplasmameðferð + 1300 ℃ vetnishitameðferð í 30 mín
GaN epitaxy á Si
Í samanburði við kísilkarbíð, safír og önnur hvarfefni er undirbúningsferlið fyrir kísilhvarfefni þroskað og það getur stöðugt veitt þroskað undirlag í stórum stærðum með miklum kostnaði. Á sama tíma eru hitaleiðni og rafleiðni góð og Si rafeindabúnaðarferlið er þroskað. Möguleikinn á að fullkomlega samþætta optolectronic GaN tæki við Si rafeindatæki í framtíðinni gerir einnig vöxt GaN epitaxy á sílikon mjög aðlaðandi.
Hins vegar, vegna mikils munar á grindarföstum á milli Si hvarfefnis og GaN efnis, er misleitt þekja GaN á Si hvarfefni dæmigerð stór ósamræmi epitaxy, og það þarf einnig að takast á við röð vandamála:
✔ Orkuvandamál við yfirborðsviðmót. Þegar GaN vex á Si hvarfefni, verður yfirborð Si hvarfefnisins fyrst nítrað til að mynda myndlaust kísilnítríð lag sem stuðlar ekki að kjarnamyndun og vexti háþéttni GaN. Að auki mun Si yfirborðið fyrst snerta Ga, sem mun tæra yfirborð Si undirlagsins. Við háan hita mun niðurbrot Si-yfirborðsins dreifast inn í GaN epitaxial lagið og mynda svarta sílikonbletti.
✔ Stöðugt misræmi í grindunum á milli GaN og Si er stórt (~17%), sem mun leiða til myndunar háþéttni þráðarfærslur og draga verulega úr gæðum epitaxiallagsins;
✔ Samanborið við Si hefur GaN stærri varmaþenslustuðul (varmaþenslustuðull GaN er um 5,6×10-6K-1, varmaþenslustuðull Si er um 2,6×10-6K-1), og sprungur geta myndast í GaN epitaxial lag við kælingu á epitaxial hitastigi að stofuhita;
✔ Si hvarfast við NH3 við háan hita og myndar fjölkristallað SiNx. AlN getur ekki myndað kjarna á fjölkristallaðan SiNx, sem leiðir til óreglulegrar stefnu á GaN-laginu sem síðan er vaxið og mikils fjölda galla, sem leiðir til lélegra kristalgæða GaN epitaxiallagsins og jafnvel erfiðleika við að mynda einkristallað GaN epitaxial lag [6].
Til þess að leysa vandamálið með stórri grindarmisræmi hafa vísindamenn reynt að kynna efni eins og AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO og SiC sem stuðpúðalög á Si hvarfefni. Til að koma í veg fyrir myndun fjölkristallaðs SiNx og draga úr skaðlegum áhrifum þess á kristalgæði GaN/AlN/Si (111) efna, þarf venjulega að setja inn TMAl í ákveðinn tíma áður en þekjuvöxtur AlN biðminnislagsins til að koma í veg fyrir að NH3 bregðist við óvarið Si-yfirborð til að mynda SiNx. Að auki er hægt að nota epitaxial tækni eins og mynstur undirlagstækni til að bæta gæði epitaxial lagsins. Þróun þessarar tækni hjálpar til við að hindra myndun SiNx við epitaxial tengi, stuðla að tvívíðum vexti GaN epitaxial lagsins og bæta vaxtargæði epitaxial lagsins. Að auki er AlN stuðpúðalag sett til að vega upp á móti togstreitu sem stafar af mismun á varmaþenslustuðlum til að forðast sprungur í GaN epitaxial laginu á kísilundirlaginu. Rannsóknir Krost sýna að jákvæð fylgni er á milli þykktar AlN bufferlagsins og minnkunar á álagi. Þegar þykkt stuðpúðalagsins nær 12nm er hægt að rækta þekjulag sem er þykkt en 6μm á sílikon undirlagi í gegnum viðeigandi vaxtarkerfi án þess að þekjulag sprunga.
Eftir langvarandi viðleitni vísindamanna hafa gæði GaN epitaxial laga sem ræktuð eru á sílikon hvarfefni verið bætt verulega og tæki eins og sviði áhrif smára, Schottky hindrun útfjólubláa skynjara, blágræna LED og útfjólubláir leysir hafa tekið miklum framförum.
Í stuttu máli, þar sem almennt notuð GaN epitaxial hvarfefni eru öll ólík þekja, standa þau öll frammi fyrir algengum vandamálum eins og grindarmisræmi og miklum mun á varmaþenslustuðlum í mismiklum mæli. Einsleitt epitaxial GaN hvarfefni takmarkast af þroska tækninnar og hvarfefnin hafa ekki enn verið fjöldaframleidd. Framleiðslukostnaðurinn er hár, undirlagsstærðin er lítil og undirlagsgæði eru ekki tilvalin. Þróun nýrra GaN epitaxial hvarfefna og endurbætur á epitaxial gæðum eru enn einn af mikilvægum þáttum sem takmarka frekari þróun GaN epitaxial iðnaðarins.
IV. Algengar aðferðir fyrir GaN epitaxy
MOCVD (efnagufuútfelling)
Svo virðist sem einsleit epitaxy á GaN hvarfefnum sé besti kosturinn fyrir GaN epitaxy. Hins vegar, þar sem undanfarar efnagufuútfellingar eru trímetýlgallíum og ammoníak, og burðargasið er vetni, er dæmigerður MOCVD vaxtarhiti um 1000-1100 ℃ og vaxtarhraði MOCVD er um það bil nokkrar míkron á klukkustund. Það getur framleitt brött tengi á atómstigi, sem er mjög hentugur til að rækta heterojunctions, skammtabrunn, ofurgrindur og önnur mannvirki. Hraður vaxtarhraði þess, góð einsleitni og hentugleiki fyrir vöxt á stóru svæði og í mörgum hlutum er oft notað í iðnaðarframleiðslu.
MBE (sameindageislaeptaxy)
Í sameindageislaþekju notar Ga frumefni og virkt köfnunarefni er fengið úr köfnunarefni í gegnum RF plasma. Í samanburði við MOCVD aðferðina er MBE vaxtarhitastigið um 350-400 ℃ lægra. Lægra vaxtarhitastig getur komið í veg fyrir ákveðna mengun sem getur stafað af háhitaumhverfi. MBE kerfið starfar undir ofurháu lofttæmi, sem gerir því kleift að samþætta fleiri skynjunaraðferðir á staðnum. Á sama tíma er ekki hægt að bera vaxtarhraða þess og framleiðslugetu saman við MOCVD, og það er meira notað í vísindarannsóknum [7].
Mynd 5 (a) Eiko-MBE skýringarmynd (b) skýringarmynd MBE aðalviðbragðshólfsins
HVPE aðferð (hýdríð gufufasa epitaxy)
Undanfarar hýdríð gufufasa epitaxy aðferðarinnar eru GaCl3 og NH3. Detchprohm o.fl. notaði þessa aðferð til að rækta GaN epitaxial lag hundruð míkron þykkt á yfirborði safír undirlags. Í tilraun þeirra var lag af ZnO ræktað á milli safírundirlagsins og epitaxiallagsins sem stuðpúðalag, og epitaxiallagið var skrælt af yfirborði undirlagsins. Í samanburði við MOCVD og MBE er aðaleinkenni HVPE aðferðarinnar hár vaxtarhraði hennar, sem er hentugur til framleiðslu á þykkum lögum og lausu efni. Hins vegar, þegar þykkt epitaxial lagsins fer yfir 20μm, er epitaxial lag sem framleitt er með þessari aðferð viðkvæmt fyrir sprungum.
Akira USUI kynnti mynstraða undirlagstækni byggða á þessari aðferð. Þeir ræktuðu fyrst þunnt 1-1,5μm þykkt GaN epitaxial lag á safír undirlagi með því að nota MOCVD aðferðina. Epitaxial lagið samanstóð af 20nm þykku GaN stuðpúðalagi sem var ræktað við lágt hitastig og GaN lag sem var ræktað við háhitaskilyrði. Síðan, við 430 ℃, var lag af SiO2 húðað á yfirborð epitaxial lagsins, og gluggarönd voru gerðar á SiO2 filmuna með ljóslithography. Röndabilið var 7μm og breidd grímunnar var á bilinu 1μm til 4μm. Eftir þessa endurbót fengu þeir GaN epitaxial lag á 2 tommu þvermál safír undirlagi sem var sprungulaust og slétt eins og spegill jafnvel þegar þykktin jókst í tugi eða jafnvel hundruð míkron. Gallaþéttleiki var minnkaður úr 109-1010cm-2 af hefðbundinni HVPE aðferð í um 6×107cm-2. Þeir bentu einnig á í tilrauninni að þegar vaxtarhraði færi yfir 75μm/klst, yrði yfirborð sýnisins gróft[8].
Mynd 6 Grafísk undirlagsáætlun
V. Samantekt og horfur
GaN efni byrjaði að koma fram árið 2014 þegar bláa ljósdíóðan vann Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði það ár og fór inn á sviði almennings í hraðhleðsluforritum á sviði neytenda rafeindatækni. Reyndar hafa forrit í kraftmögnurum og RF tækjum sem notuð eru í 5G grunnstöðvum sem flestir sjá ekki einnig komið fram hljóðlega. Á undanförnum árum er búist við að bylting GaN-undirstaða raforkutækja í bílaflokki muni opna nýja vaxtarpunkta fyrir GaN efnisnotkunarmarkaðinn.
Hin mikla markaðseftirspurn mun vafalaust stuðla að þróun GaN-tengdra atvinnugreina og tækni. Með þroska og endurbótum á GaN-tengdu iðnaðarkeðjunni verða vandamálin sem núverandi GaN epitaxial tækni stendur frammi fyrir að lokum bætt eða sigrast á. Í framtíðinni mun fólk vafalaust þróa fleiri nýja epitaxial tækni og fleiri framúrskarandi hvarfefnisvalkosti. Þá mun fólk geta valið heppilegustu ytri rannsóknartæknina og undirlagið fyrir mismunandi notkunarsviðsmyndir í samræmi við eiginleika umsóknarsviðsmyndanna og framleitt samkeppnishæfustu sérsniðnu vörurnar.
Birtingartími: 28. júní 2024