1. 第3世代半導体
第一世代の半導体技術は、Si や Ge などの半導体材料に基づいて開発されました。これは、トランジスタおよび集積回路技術の開発の重要な基盤です。第一世代の半導体材料は、20 世紀の電子産業の基礎を築き、集積回路技術の基礎材料です。
第 2 世代の半導体材料には、主にガリウムヒ素、インジウムリン、ガリウムリン、インジウムヒ素、アルミニウムヒ素およびそれらの三元化合物が含まれます。第 2 世代の半導体材料は、光電子情報産業の基盤です。これに基づいて、照明、ディスプレイ、レーザー、太陽光発電などの関連産業が発展してきました。これらは現代の情報技術やオプトエレクトロニクスディスプレイ産業で広く使用されています。
第3世代半導体材料の代表的な材料としては、窒化ガリウムや炭化ケイ素が挙げられます。広いバンドギャップ、高い電子飽和ドリフト速度、高い熱伝導率、高い絶縁破壊電界強度により、高出力密度、高周波、低損失の電子デバイスを製造するのに理想的な材料です。中でも炭化ケイ素パワーデバイスは、高エネルギー密度、低エネルギー消費、小型という利点があり、新エネルギー自動車、太陽光発電、鉄道輸送、ビッグデータなどの分野で幅広い応用が期待されています。窒化ガリウム RF デバイスは、高周波、高出力、広帯域幅、低消費電力、小型という利点があり、5G 通信、モノのインターネット、軍事レーダーなどの分野で幅広い応用の可能性があります。さらに、窒化ガリウムベースのパワーデバイスは、低電圧分野で広く使用されています。さらに、近年、新興の酸化ガリウム材料は、既存のSiCおよびGaN技術と技術的補完性を形成すると期待されており、低周波および高電圧分野での潜在的な応用の可能性を秘めています。
第 3 世代の半導体材料は、第 2 世代の半導体材料と比較して、バンドギャップ幅が広くなります（第 1 世代の半導体材料の代表的な材料である Si のバンドギャップ幅は、代表的な GaAs のバンドギャップ幅である約 1.1eV です）。第 2 世代半導体材料の代表的な材料である GaN のバンドギャップ幅は約 1.42eV、第 3 世代半導体材料の代表的な材料である GaN のバンドギャップ幅は 2.3eV 以上）、放射線耐性が強く、より強い電界破壊に対する耐性と高温耐性。バンドギャップ幅が広い第 3 世代の半導体材料は、耐放射線性、高周波、高出力、高集積密度の電子デバイスの製造に特に適しています。マイクロ波高周波デバイス、LED、レーザー、パワーデバイスなどの分野での応用は多くの注目を集めており、モバイル通信、スマートグリッド、鉄道輸送、新エネルギー車両、家庭用電化製品、紫外線および青色光の分野で幅広い発展の見通しを示しています。 - 緑色の光デバイス [1]。
画像出典：CASA、浙上証券研究所
図1 GaNパワーデバイスのタイムスケールと予測
II GaN材料の構造と特性
GaN は直接バンドギャップ半導体です。室温におけるウルツ鉱構造のバンドギャップ幅は約 3.26eV です。 GaN 材料には、ウルツ鉱構造、閃亜鉛鉱構造、岩塩構造という 3 つの主要な結晶構造があります。その中でもウルツ鉱型構造は最も安定な結晶構造です。図２は、ＧａＮの六方晶系ウルツ鉱構造の図である。 GaN材料のウルツ鉱構造は六方最密構造に属します。各単位セルには、6 つの N 原子と 6 つの Ga 原子を含む 12 個の原子があります。各 Ga (N) 原子は、最も近い 4 つの N (Ga) 原子と結合を形成し、[0001] 方向に沿って ABABAB… の順に積み重ねられます [2]。
図2 ウルツ鉱型構造のGaN結晶セル図
III GaN エピタキシーに一般的に使用される基板
GaN エピタキシーには、GaN 基板上の均一なエピタキシーが最良の選択であると思われます。しかし、GaN は結合エネルギーが大きいため、温度が融点 2500℃に達すると、対応する分解圧力は約 4.5GPa になります。分解圧力がこの圧力より低い場合には、ＧａＮは溶融せずに直接分解する。このため、チョクラルスキー法のような成熟した基板作製技術は、ＧａＮ単結晶基板の作製には不向きとなり、ＧａＮ基板の大量生産が困難となり、コストが高くなる。したがって、GaN エピタキシャル成長に一般的に使用される基板は主に Si、SiC、サファイアなどです [3]。
表3 GaNと一般的に使用される基板材料のパラメータ
サファイア上のGaNエピタキシー
サファイアは化学的性質が安定しており、安価であり、大規模生産産業の成熟度が高い。したがって、半導体デバイス工学において最も初期かつ最も広く使用されている基板材料の 1 つとなっています。 GaN エピタキシーに一般的に使用される基板の 1 つであるサファイア基板について解決する必要がある主な問題は次のとおりです。
✔ サファイア (Al2O3) と GaN の間の大きな格子不整合 (約 15%) により、エピタキシャル層と基板の間の界面の欠陥密度は非常に高くなります。その悪影響を軽減するために、エピタキシープロセスを開始する前に基板に複雑な前処理を施す必要があります。サファイア基板上にGaNエピタキシーを成長させる前に、まず基板表面を厳密に洗浄して汚染物質や残留研磨損傷などを除去し、段差や段差表面構造を形成する必要があります。次に、基板表面を窒化して、エピタキシャル層の濡れ特性を変化させる。最後に、薄い AlN バッファ層 (通常は厚さ 10 ～ 100 nm) を基板表面に堆積し、低温でアニールして最終的なエピタキシャル成長の準備をする必要があります。それでも、サファイア基板上に成長させたGaNエピタキシャル膜の転位密度は、ホモエピタキシャル膜の転位密度よりも依然として高い（シリコンホモエピタキシャル膜やガリウムヒ素ホモエピタキシャル膜の転位密度が本質的にゼロであるのと比較すると、約1010cm-2、つまり102～104cm-2）。 2)。欠陥密度が高くなるとキャリアの移動度が低下し、その結果少数キャリアの寿命が短くなり、熱伝導率が低下します。これらすべてがデバイスの性能を低下させます[4]。
✔ サファイアはGaNよりも熱膨張係数が大きいため、成膜温度から室温まで冷却する過程でエピタキシャル層に二軸性の圧縮応力が発生します。より厚いエピタキシャル膜の場合、この応力により膜または基板の亀裂が生じる可能性があります。
✔ 他の基板と比較して、サファイア基板の熱伝導率は低く（100℃で約0.25W*cm-1*K-1）、放熱性能が劣ります。
✔ サファイア基板は導電率が低いため、他の半導体デバイスとの統合や応用には適していません。
サファイア基板上に成長した GaN エピタキシャル層の欠陥密度は高いものの、GaN ベースの青緑色 LED の光電子性能を大幅に低下させることはないようであるため、サファイア基板は依然として GaN ベース LED の基板として一般的に使用されています。
レーザーやその他の高密度パワーデバイスなどの GaN デバイスのさらに新しい用途の開発に伴い、サファイア基板の固有欠陥がその用途をますます制限するようになってきています。さらに、SiC 基板成長技術の発展、コスト削減、Si 基板上の GaN エピタキシャル技術の成熟に伴い、サファイア基板上に GaN エピタキシャル層を成長させる研究は徐々に減少傾向にあります。
SiC 上の GaN エピタキシー
サファイアと比較して、SiC 基板 (4H および 6H 結晶) は、GaN エピタキシャル層との格子不整合が小さく (3.1%、[0001] 配向のエピタキシャル膜に相当)、より高い熱伝導率 (約 3.8W*cm-1*K) を持っています。 -1) など。さらに、SiC 基板の導電性により、基板の裏面に電気的接触を形成することもできます。装置構造を簡素化します。これらの利点の存在により、炭化ケイ素基板上での GaN エピタキシーの研究に取り組む研究者がますます増えています。
ただし、GaN エピ層の成長を避けるために SiC 基板に直接加工することは、次のような一連の欠点にも直面します。
✔ SiC 基板の表面粗さはサファイア基板の表面粗さよりもはるかに高く (サファイア粗さ 0.1nm RMS、SiC 粗さ 1nm RMS)、SiC 基板は硬度が高く、加工性能が悪く、この粗さと研磨残りの損傷も問題の 1 つです。 GaN エピ層の欠陥の原因。
✔ SiC 基板のらせん転位密度は高く (転位密度 103 ～ 104cm-2)、らせん転位が GaN エピ層に伝播してデバイスの性能を低下させる可能性があります。
✔ 基板表面の原子配列により、GaN エピ層に積層欠陥 (BSF) の形成が引き起こされます。 SiC 基板上のエピタキシャル GaN の場合、基板上に複数の原子配列順序が考えられるため、その上のエピタキシャル GaN 層の初期原子積層順序が一貫せず、積層欠陥が発生しやすくなります。積層欠陥 (SF) は c 軸に沿って内部電場を導入し、面内キャリア分離デバイスの漏れなどの問題を引き起こします。
✔ SiC基板の熱膨張係数はAlNやGaNに比べて小さいため、冷却時にエピタキシャル層と基板の間に熱応力が蓄積します。 Waltereit と Brand は、研究結果に基づいて、薄くコヒーレントに歪んだ AlN 核生成層上に GaN エピタキシャル層を成長させることで、この問題を軽減または解決できると予測しました。
✔ Ga原子の濡れ性が悪い問題。 SiC 表面上に GaN エピタキシャル層を直接成長させる場合、2 つの原子間の濡れ性が低いため、GaN は基板表面上で 3D アイランド成長を起こしやすくなります。バッファ層の導入は、GaN エピタキシャルにおけるエピタキシャル材料の品質を向上させるために最も一般的に使用される解決策です。 AlN または AlxGa1-xN バッファ層を導入すると、SiC 表面の濡れ性が効果的に改善され、GaN エピタキシャル層が 2 次元で成長します。さらに、応力を調整し、基板の欠陥が GaN エピタキシーに広がるのを防ぐこともできます。
✔ SiC基板の作製技術は未熟で、基板コストは高く、サプライヤーも少なく供給量も少ない。
Torresらの研究は、エピタキシーの前に高温（1600℃）でSiC基板をH2でエッチングすると、基板表面により規則的なステップ構造が生成され、それによって直接エッチングした場合よりも高品質のAlNエピタキシャル膜が得られることを示している。元の基板表面上に成長します。 Xie氏と彼のチームの研究は、炭化ケイ素基板のエッチング前処理により、GaNエピタキシャル層の表面形態と結晶品質を大幅に改善できることも示している。スミスら。らは、基板/バッファ層界面およびバッファ層/エピタキシャル層界面から発生する貫通転位が基板の平坦性に関係していることを発見した[5]。
図4 異なる表面処理条件下で6H-SiC基板（0001）上に成長させたGaNエピタキシャル層サンプルのTEM形態（a）化学洗浄。 (b) 化学洗浄＋水素プラズマ処理。 (c) 薬液洗浄＋水素プラズマ処理＋1300℃水素熱処理30分
Si上のGaNエピタキシー
炭化珪素やサファイアなどの基板に比べ、シリコン基板の作製プロセスが成熟しており、コストパフォーマンスの高い成熟した大型基板を安定して提供することができます。同時に、熱伝導性と電気伝導性が良好であり、Si電子デバイスプロセスは成熟しています。将来的には、光電子 GaN デバイスと Si 電子デバイスを完全に統合できる可能性があるため、シリコン上での GaN エピタキシーの成長も非常に魅力的になります。
ただし、Si 基板と GaN 材料の格子定数に大きな違いがあるため、Si 基板上の GaN の不均一エピタキシーは典型的な大きな不整合エピタキシーであり、次のような一連の問題にも直面する必要があります。
✔ 表面界面エネルギーの問題。 GaN が Si 基板上に成長する場合、Si 基板の表面は最初に窒化されて、高密度 GaN の核生成と成長を促進しないアモルファス窒化シリコン層を形成します。さらに、Si 表面は最初に Ga と接触し、Si 基板の表面を腐食します。高温では、Si 表面の分解が GaN エピタキシャル層に拡散し、黒いシリコン スポットが形成されます。
✔ GaN と Si の格子定数の不一致は大きい (~17%)。これにより、高密度の貫通転位が形成され、エピタキシャル層の品質が大幅に低下します。
✔ GaNはSiに比べて熱膨張係数が大きいため(GaNの熱膨張係数は約5.6×10-6K-1、Siの熱膨張係数は約2.6×10-6K-1)、GaNにクラックが発生する可能性があります。エピタキシャル温度を室温まで冷却する間のエピタキシャル層。
✔ Si は高温で NH3 と反応して多結晶 SiNx を形成します。 AlN は多結晶 SiNx 上に優先配向した核を形成できず、その後成長する GaN 層の配向が乱れ、多数の欠陥が発生し、GaN エピタキシャル層の結晶品質が低下し、さらには単結晶の形成が困難になります。 GaN エピタキシャル層 [6]。
大きな格子不整合の問題を解決するために、研究者は、AlAs、GaAs、AlN、GaN、ZnO、SiC などの材料を Si 基板上のバッファ層として導入しようと試みてきました。多結晶 SiNx の形成を回避し、GaN/AlN/Si (111) 材料の結晶品質への悪影響を軽減するために、通常、AlN バッファ層のエピタキシャル成長前に TMAl を一定期間導入する必要があります。 NH3 が露出した Si 表面と反応して SiNx を形成するのを防ぎます。さらに、パターン化基板技術などのエピタキシャル技術を使用して、エピタキシャル層の品質を向上させることができます。これらの技術の開発は、エピタキシャル界面でのSiNxの形成を抑制し、GaNエピタキシャル層の二次元成長を促進し、エピタキシャル層の成長品質を向上させるのに役立ちます。さらに、シリコン基板上の GaN エピタキシャル層の亀裂を避けるために、熱膨張係数の違いによって生じる引張応力を補償するために、AlN バッファ層が導入されています。 Krost 氏の研究は、AlN バッファ層の厚さと歪みの減少との間に正の相関関係があることを示しています。バッファ層の厚さが 12nm に達すると、適切な成長スキームによりエピタキシャル層の亀裂を生じることなく、6μm より厚いエピタキシャル層をシリコン基板上に成長させることができます。
研究者らの長期にわたる努力の結果、シリコン基板上に成長させたGaNエピタキシャル層の品質は大幅に向上し、電界効果トランジスタ、ショットキーバリア紫外線検出器、青緑色LED、紫外線レーザーなどのデバイスが大幅に進歩した。
要約すると、一般的に使用される GaN エピタキシャル基板はすべて不均一エピタキシャルであるため、格子不整合や程度の差はあれ熱膨張係数の大きな違いなどの共通の問題に直面しています。均質なエピタキシャル GaN 基板は技術の成熟度によって制限されており、基板はまだ大量生産されていません。製造コストは高く、基板のサイズは小さく、基板の品質は理想的ではありません。新しい GaN エピタキシャル基板の開発とエピタキシャル品質の向上は、依然として GaN エピタキシャル産業のさらなる発展を制限する重要な要因の 1 つです。
IV. GaN エピタキシーの一般的な方法
MOCVD（化学気相成長）
GaN エピタキシーには、GaN 基板上の均一なエピタキシーが最良の選択であると思われます。ただし、化学気相成長の前駆体はトリメチルガリウムとアンモニアであり、キャリアガスは水素であるため、一般的な MOCVD 成長温度は約 1000 ～ 1100℃で、MOCVD の成長速度は 1 時間あたり約数ミクロンです。原子レベルで急峻な界面を生成できるため、ヘテロ接合、量子井戸、超格子、その他の構造の成長に非常に適しています。成長速度が速く、均一性が高く、大面積および複数ピースの成長に適しているため、工業生産でよく使用されます。
MBE（分子線エピタキシー）
分子線エピタキシーでは、Ga は元素ソースを使用し、活性窒素は RF プラズマを通じて窒素から得られます。 MBE成長温度はMOCVD法に比べて350～400℃程度低くなります。より低い成長温度により、高温環境によって引き起こされる可能性のある特定の汚染を回避できます。 MBE システムは超高真空下で動作するため、より多くの現場検出方法を統合できます。同時に、その成長率と生産能力は MOCVD とは比較にならず、科学研究でより多く使用されています [7]。
図 5 (a) Eiko-MBE の概略図 (b) MBE メイン反応室の概略図
HVPE法（ハイドライド気相成長法）
水素化物気相エピタキシー法の前駆体は、GaCl3 と NH3 です。デッチプロームら。らはこの方法を使用して、サファイア基板の表面上に数百ミクロンの厚さの GaN エピタキシャル層を成長させました。彼らの実験では、サファイア基板とエピタキシャル層の間にバッファ層としてZnOの層を成長させ、エピタキシャル層を基板表面から剥離した。 MOCVD や MBE と比較した HVPE 法の主な特徴は、成長速度が高いことであり、厚い層やバルク材料の製造に適しています。しかし、エピタキシャル層の厚さが２０μｍを超えると、この方法で作製したエピタキシャル層にクラックが発生しやすくなる。
臼井章氏はこの手法をベースにしたパターン基板技術を紹介した。彼らはまず、MOCVD法を使用してサファイア基板上に厚さ1～1.5μmの薄いGaNエピタキシャル層を成長させた。エピタキシャル層は、低温条件下で成長させた厚さ20nmのGaNバッファ層と高温条件下で成長させたGaN層から構成されている。次に、430℃でエピタキシャル層の表面にSiO2層をめっきし、フォトリソグラフィーによりSiO2膜上にウィンドウストライプを形成した。ストライプ間隔は7μm、マスク幅は1μmから4μmの範囲でした。この改良により、直径 2 インチのサファイア基板上に、厚さが数十ミクロン、さらには数百ミクロンにまで増加した場合でも、クラックがなく鏡のように滑らかな GaN エピタキシャル層が得られました。欠陥密度は、従来のHVPE法の109〜1010cm-2から約6×107cm-2まで減少しました。また、実験では成長速度が75μm/hを超えると試料表面が荒れることも指摘されている[8]。
図 6 基板の概略図
V. 総括と展望
GaN材料は、青色光LEDがその年にノーベル物理学賞を受賞した2014年に登場し始め、家庭用電化製品分野の急速充電アプリケーションの一般分野に参入しました。実は、あまり目にすることのない5G基地局で使われるパワーアンプやRFデバイスへの応用もひそかに登場しています。近年、GaN ベースの車載グレードのパワーデバイスの躍進により、GaN 材料アプリケーション市場に新たな成長点が開かれることが期待されています。
巨大な市場需要により、GaN関連産業や技術の発展が確実に促進されるでしょう。 GaN関連産業チェーンの成熟と改善に伴い、現在のGaNエピタキシャル技術が直面している問題は最終的には改善または克服されるでしょう。将来的には、さらに新しいエピタキシャル技術やより優れた基板の選択肢が開発されることは間違いありません。それまでに、人々はアプリケーションシナリオの特性に応じて、さまざまなアプリケーションシナリオに最適な外部研究技術と基板を選択し、最も競争力のあるカスタマイズされた製品を生産できるようになるでしょう。
投稿日時: 2024 年 6 月 28 日