1. Semikonduktor generasi katelu
Teknologi semikonduktor generasi pisanan dikembangake adhedhasar bahan semikonduktor kayata Si lan Ge. Iki minangka basis materi kanggo pangembangan transistor lan teknologi sirkuit terpadu. Bahan semikonduktor generasi pisanan nggawe dhasar kanggo industri elektronik ing abad kaping 20 lan minangka bahan dhasar kanggo teknologi sirkuit terpadu.
Bahan semikonduktor generasi kapindho utamane kalebu gallium arsenide, indium phosphide, gallium phosphide, indium arsenide, aluminium arsenide lan senyawa terner. Bahan semikonduktor generasi kapindho minangka dhasar industri informasi optoelektronik. Ing basis iki, industri sing gegandhengan kayata lampu, tampilan, laser, lan fotovoltaik wis dikembangake. Padha digunakake digunakake ing teknologi informasi kontemporer lan industri tampilan optoelektronik.
Bahan perwakilan saka bahan semikonduktor generasi katelu kalebu gallium nitride lan silikon karbida. Amarga kesenjangan pita sing amba, kecepatan drift saturasi elektron sing dhuwur, konduktivitas termal sing dhuwur, lan kekuwatan lapangan sing rusak, bahan kasebut minangka bahan sing cocog kanggo nyiapake piranti elektronik kanthi daya dhuwur, frekuensi dhuwur, lan piranti elektronik sing kurang. Antarane wong-wong mau, piranti daya silikon karbida duwe kaluwihan Kapadhetan energi dhuwur, konsumsi energi kurang, lan ukuran cilik, lan duwe prospek aplikasi amba ing kendaraan energi anyar, photovoltaics, transportasi rel, data amba, lan lapangan liyane. Piranti RF Gallium nitride duweni kaluwihan saka frekuensi dhuwur, daya dhuwur, bandwidth jembar, konsumsi daya kurang lan ukuran cilik, lan duwe prospek aplikasi sing wiyar ing komunikasi 5G, Internet of Things, radar militer lan lapangan liyane. Kajaba iku, piranti daya basis gallium nitride wis akeh digunakake ing lapangan voltase kurang. Kajaba iku, ing taun-taun pungkasan, bahan galium oksida sing berkembang dijangkepi bisa dadi komplementer teknis karo teknologi SiC lan GaN sing ana, lan duwe prospek aplikasi potensial ing lapangan frekuensi rendah lan voltase dhuwur.
Dibandhingake karo bahan semikonduktor generasi kapindho, bahan semikonduktor generasi katelu duwe jembar bandgap sing luwih amba (jembaré bandgap saka Si, bahan khas bahan semikonduktor generasi pisanan, kira-kira 1.1eV, jembaré bandgap saka GaAs, sing khas. materi saka materi semikonduktor generasi kapindho, kira-kira 1.42eV, lan jembaré bandgap saka GaN, bahan khas saka bahan semikonduktor generasi katelu, luwih dhuwur tinimbang 2.3eV), resistensi radiasi sing luwih kuat, resistensi sing luwih kuat kanggo rusak medan listrik, lan resistensi suhu sing luwih dhuwur. Bahan semikonduktor generasi katelu kanthi jembar bandgap sing luwih akeh cocok kanggo produksi piranti elektronik sing tahan radiasi, frekuensi dhuwur, daya dhuwur lan integrasi dhuwur. Aplikasi kasebut ing piranti frekuensi radio gelombang mikro, LED, laser, piranti listrik lan lapangan liyane wis narik kawigaten, lan nuduhake prospek pangembangan sing wiyar ing komunikasi seluler, jaringan cerdas, transit rel, kendaraan energi anyar, elektronik konsumen, lan ultraviolet lan biru. - piranti cahya ijo [1].
Sumber gambar: CASA, Zheshang Securities Research Institute
Gambar 1 GaN skala wektu piranti daya lan ramalan
II Struktur lan karakteristik materi GaN
GaN minangka semikonduktor bandgap langsung. Jembaré bandgap saka struktur wurtzite ing suhu kamar kira 3.26eV. Bahan GaN nduweni telung struktur kristal utama, yaiku struktur wurtzite, struktur sphalerite lan struktur uyah watu. Antarane, struktur wurtzite minangka struktur kristal sing paling stabil. Gambar 2 minangka diagram struktur heksagonal wurtzite GaN. Struktur wurtzite saka bahan GaN kalebu struktur heksagonal sing rapet. Saben sel unit duwé 12 atom, kalebu 6 atom N lan 6 atom Ga. Saben atom Ga (N) mbentuk ikatan karo 4 atom N (Ga) sing paling cedhak lan ditumpuk ing urutan AABAB… ing arah [0001] [2].
Gambar 2 Struktur Wurtzite diagram sel kristal GaN
III Substrat sing umum digunakake kanggo epitaksi GaN
Katon yen epitaksi homogen ing substrat GaN minangka pilihan sing paling apik kanggo epitaksi GaN. Nanging, amarga energi ikatan gedhe saka GaN, nalika suhu tekan titik leleh 2500 ℃, meksa dekomposisi sing cocog kira-kira 4.5GPa. Nalika tekanan dekomposisi luwih murah tinimbang tekanan iki, GaN ora leleh nanging langsung terurai. Iki ndadekake teknologi nyiapake substrat sing diwasa kayata metode Czochralski ora cocog kanggo nyiapake substrat kristal tunggal GaN, nggawe substrat GaN angel ngasilake massa lan larang regane. Mulane, substrat sing umum digunakake ing pertumbuhan epitaxial GaN utamane Si, SiC, safir, lan liya-liyane [3].
Bagan 3 GaN lan paramèter saka bahan substrat sing umum digunakake
GaN epitaxy ing safir
Sapphire nduweni sifat kimia sing stabil, murah, lan nduweni kedewasaan dhuwur ing industri produksi skala gedhe. Mula, wis dadi salah sawijining bahan substrat sing paling wiwitan lan paling akeh digunakake ing teknik piranti semikonduktor. Minangka salah sawijining substrat sing umum digunakake kanggo epitaxy GaN, masalah utama sing kudu dirampungake kanggo substrat sapir yaiku:
✔ Amarga ora cocog kisi gedhe antarane sapir (Al2O3) lan GaN (udakara 15%), Kapadhetan cacat ing antarmuka antarane lapisan epitaxial lan substrate dhuwur banget. Kanggo nyuda efek sing ala, substrate kudu ditindakake sadurunge proses epitaksi diwiwiti. Sadurunge tuwuh epitaxy GaN ing substrat sapir, lumahing landasan kudu di resiki dhisik kanggo mbusak rereged, karusakan polishing residual, lan sapiturute, lan kanggo ngasilake langkah lan struktur permukaan langkah. Banjur, permukaan substrate dinitri kanggo ngganti sifat wetting saka lapisan epitaxial. Pungkasan, lapisan buffer AlN lancip (biasane 10-100nm nglukis) kudu disimpen ing permukaan substrat lan anil ing suhu sing kurang kanggo nyiapake pertumbuhan epitaxial pungkasan. Sanajan mangkono, kapadhetan dislokasi ing film epitaxial GaN sing ditanam ing substrat sapir isih luwih dhuwur tinimbang film homoepitaxial (kira-kira 1010cm-2, dibandhingake karo kapadhetan dislokasi nol ing film homoepitaxial silikon utawa film homoepitaxial gallium arsenide, utawa antarane 102 lan 104cm- 2). Kapadhetan cacat sing luwih dhuwur nyuda mobilitas operator, saéngga nyepetake umur operator minoritas lan nyuda konduktivitas termal, kabeh bakal nyuda kinerja piranti [4];
✔ Koefisien ekspansi termal safir luwih gedhe tinimbang GaN, mula stres kompresi biaxial bakal diasilake ing lapisan epitaxial sajrone proses pendinginan saka suhu deposisi menyang suhu kamar. Kanggo film epitaxial sing luwih kenthel, stres iki bisa nyebabake film kasebut retak utawa malah substrate;
✔ Dibandhingake karo substrat liyane, konduktivitas termal saka substrat sapir luwih murah (udakara 0,25W * cm-1 * K-1 ing 100 ℃), lan kinerja boros panas kurang;
✔ Amarga konduktivitas sing kurang, substrat safir ora kondusif kanggo integrasi lan aplikasi karo piranti semikonduktor liyane.
Senajan Kapadhetan cacat lapisan epitaxial GaN thukul ing substrat sapir dhuwur, iku ora katon kanggo Ngartekno nyuda kinerja optoelektronik LED biru-ijo basis GaN, supaya substrat sapir isih umum digunakake substrat kanggo LED basis GaN.
Kanthi pangembangan aplikasi piranti GaN sing luwih anyar kayata laser utawa piranti daya kapadhetan dhuwur liyane, cacat sing ana ing substrat sapir saya tambah dadi watesan ing aplikasi kasebut. Kajaba iku, kanthi pangembangan teknologi pertumbuhan substrat SiC, nyuda biaya lan kedewasaan teknologi epitaxial GaN ing substrat Si, riset luwih akeh babagan lapisan epitaxial GaN sing tuwuh ing substrat sapir wis mboko sithik nuduhake tren pendinginan.
GaN epitaxy ing SiC
Dibandhingake karo safir, substrat SiC (4H- lan 6H-kristal) nduweni ketidakcocokan kisi sing luwih cilik karo lapisan epitaxial GaN (3,1%, padha karo film epitaxial berorientasi [0001]), konduktivitas termal sing luwih dhuwur (udakara 3,8W * cm-1 * K). -1), etc. Kajaba iku, konduktivitas substrat SiC uga ngidini kontak listrik digawe ing mburi landasan, sing mbantu kanggo menakake struktur piranti. Anane kaluwihan kasebut wis narik luwih akeh peneliti kanggo nggarap epitaksi GaN ing substrat silikon karbida.
Nanging, nggarap langsung ing substrat SiC kanggo ngindhari epilayer GaN sing tuwuh uga ngalami sawetara kekurangan, kalebu ing ngisor iki:
✔ Kekasaran permukaan substrat SiC luwih dhuwur tinimbang substrat sapir (kasar safir 0.1nm RMS, kekasaran SiC 1nm RMS), substrat SiC nduweni kekerasan dhuwur lan kinerja pangolahan sing kurang, lan kekasaran lan karusakan polishing residual iki uga minangka salah sawijining sumber cacat ing epilayers GaN.
✔ Kapadhetan dislokasi sekrup substrat SiC dhuwur (kapadhetan dislokasi 103-104cm-2), dislokasi sekrup bisa nyebar menyang epilayer GaN lan nyuda kinerja piranti;
✔ Susunan atom ing lumahing substrat ngindhuksi pembentukan fault stacking (BSFs) ing epilayer GaN. Kanggo GaN epitaxial ing substrat SiC, ana macem-macem urutan susunan atom ing substrat, nyebabake urutan tumpukan atom wiwitan sing ora konsisten saka lapisan GaN epitaxial ing, sing rawan kanggo kesalahan tumpukan. Stacking faults (SFs) ngenalake medan listrik sing dibangun ing sadawane sumbu c, sing ndadékaké masalah kayata bocor piranti pamisah operator ing pesawat;
✔ Koefisien ekspansi termal saka substrat SiC luwih cilik tinimbang AlN lan GaN, sing nyebabake akumulasi stres termal antarane lapisan epitaxial lan substrat sajrone proses pendinginan. Waltereit lan Brand prédhiksi adhedhasar asil riset sing masalah iki bisa ditanggulangi utawa ditanggulangi kanthi ngembangake lapisan epitaxial GaN ing lapisan nukleasi AlN sing tipis lan koheren;
✔ Masalah wettability miskin saka atom Ga. Nalika tuwuh lapisan epitaxial GaN langsung ing lumahing SiC, amarga wettability miskin antarane loro atom, GaN rawan kanggo wutah pulo 3D ing lumahing substrat. Ngenalke lapisan buffer minangka solusi sing paling umum digunakake kanggo nambah kualitas bahan epitaxial ing epitaksi GaN. Ngenalke lapisan penyangga AlN utawa AlxGa1-xN bisa kanthi efektif ningkatake kelembaban permukaan SiC lan nggawe lapisan epitaxial GaN tuwuh ing rong dimensi. Kajaba iku, uga bisa ngatur kaku lan nyegah cacat substrat saka ndawakake kanggo GaN epitaxy;
✔ Teknologi persiapan substrat SiC durung diwasa, biaya substrate dhuwur, lan ana sawetara panyedhiya lan sithik pasokan.
Panaliten Torres et al. nuduhake yen etsa substrat SiC kanthi H2 ing suhu dhuwur (1600 ° C) sadurunge epitaksi bisa ngasilake struktur langkah sing luwih teratur ing permukaan substrat, saengga entuk film epitaxial AlN sing luwih dhuwur tinimbang nalika langsung. thukul ing lumahing substrat asli. Panaliten Xie lan timnya uga nuduhake manawa pretreatment etsa saka substrat silikon karbida bisa ningkatake morfologi permukaan lan kualitas kristal lapisan epitaxial GaN. Smith et al. nemokake yen dislokasi threading sing asale saka lapisan substrat / buffer lan antarmuka lapisan buffer / lapisan epitaxial ana hubungane karo flatness substrat [5].
Gambar 4 morfologi TEM saka conto lapisan epitaxial GaN sing ditanam ing substrat 6H-SiC (0001) ing kahanan perawatan permukaan sing beda (a) reresik kimia; (b) reresik kimia + perawatan plasma hidrogen; (c) reresik kimia + perawatan plasma hidrogen + 1300 ℃ perawatan panas hidrogen kanggo 30min
GaN epitaxy ing Si
Dibandhingake karo silikon karbida, sapir lan substrat liyane, proses persiapan substrat silikon wis diwasa, lan bisa nyedhiyakake substrat ukuran gedhe sing diwasa kanthi kinerja biaya dhuwur. Ing wektu sing padha, konduktivitas termal lan konduktivitas listrik apik, lan proses piranti elektronik Si wis diwasa. Kamungkinan sampurna nggabungake piranti GaN optoelektronik karo piranti elektronik Si ing mangsa ngarep uga ndadekake pertumbuhan epitaksi GaN ing silikon atraktif banget.
Nanging, amarga beda gedhe ing konstanta kisi antarane substrat Si lan materi GaN, epitaxy heterogen saka GaN ing substrat Si minangka epitaxy mismatch gedhe sing khas, lan uga kudu ngadhepi sawetara masalah:
✔ Masalah energi antarmuka lumahing. Nalika GaN tuwuh ing substrat Si, lumahing substrat Si pisanan bakal nitrided kanggo mbentuk lapisan silikon nitride amorf sing ora kondusif kanggo nukleasi lan wutah saka dhuwur Kapadhetan GaN. Kajaba iku, lumahing Si pisanan bakal kontak Ga, kang bakal corrode lumahing substrat Si. Ing suhu dhuwur, dekomposisi permukaan Si bakal nyebar menyang lapisan epitaxial GaN kanggo mbentuk bintik-bintik silikon ireng.
✔ Kisi konstan mismatch antarane GaN lan Si gedhe (~ 17%), kang bakal mimpin kanggo tatanan saka dhuwur-Kapadhetan threading dislocations lan Ngartekno nyuda kualitas lapisan epitaxial;
✔ Dibandhingake karo Si, GaN nduweni koefisien ekspansi termal sing luwih gedhe (koefisien ekspansi termal GaN kira-kira 5,6 × 10-6K-1, koefisien ekspansi termal Si kira-kira 2,6 × 10-6K-1), lan retak bisa diasilake ing GaN lapisan epitaxial sak cooling saka suhu epitaxial kanggo suhu kamar;
✔ Si bereaksi karo NH3 ing suhu dhuwur kanggo mbentuk polikristalin SiNx. AlN ora bisa mbentuk inti orientasi preferensial ing polycrystalline SiNx, kang ndadékaké kanggo orientasi disordered saka lapisan GaN sabanjuré thukul lan nomer akeh cacat, asil ing kualitas kristal miskin saka lapisan epitaxial GaN, lan malah kangelan kanggo mbentuk siji-kristal. Lapisan epitaxial GaN [6].
Kanggo ngatasi masalah ketidakcocokan kisi gedhe, peneliti nyoba ngenalake bahan kayata AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, lan SiC minangka lapisan penyangga ing substrat Si. Kanggo ngindhari pambentukan polikristalin SiNx lan nyuda efek ala ing kualitas kristal bahan GaN / AlN / Si (111), TMAl biasane dibutuhake kanggo ngenalaken wektu tartamtu sadurunge wutah epitaxial saka lapisan buffer AlN. kanggo nyegah NH3 saka reaksi karo lumahing Si kapapar kanggo mbentuk SiNx. Kajaba iku, teknologi epitaxial kayata teknologi substrat berpola bisa digunakake kanggo nambah kualitas lapisan epitaxial. Pangembangan teknologi kasebut mbantu nyandhet pembentukan SiNx ing antarmuka epitaxial, ningkatake pertumbuhan rong dimensi lapisan epitaxial GaN, lan ningkatake kualitas pertumbuhan lapisan epitaxial. Kajaba iku, lapisan buffer AlN dikenalaké kanggo ijol kanggo kaku tensile disebabake prabédan ing koefisien expansion termal supaya retak ing lapisan epitaxial GaN ing substrat silikon. Riset Krost nuduhake yen ana korélasi positif antarane kekandelan lapisan buffer AlN lan ngurangi galur. Nalika kekandelan lapisan buffer tekan 12nm, lapisan epitaxial luwih kenthel saka 6μm bisa thukul ing substrat silikon liwat rencana wutah cocok tanpa retak lapisan epitaxial.
Sawise upaya jangka panjang dening peneliti, kualitas lapisan epitaxial GaN sing ditanam ing substrat silikon wis apik banget, lan piranti kayata transistor efek lapangan, detektor ultraviolet penghalang Schottky, LED biru-ijo lan laser ultraviolet wis nggawe kemajuan sing signifikan.
Ing ringkesan, amarga substrat epitaxial GaN sing umum digunakake kabeh epitaksi heterogen, kabeh padha ngadhepi masalah umum kayata kisi mismatch lan beda gedhe ing koefisien ekspansi termal kanggo macem-macem derajat. Substrat GaN epitaxial homogen diwatesi kanthi kedewasaan teknologi, lan substrate durung diprodhuksi sacara massal. Biaya produksi dhuwur, ukuran substrate cilik, lan kualitas substrate ora becik. Pangembangan substrat epitaxial GaN anyar lan perbaikan kualitas epitaxial isih dadi salah sawijining faktor penting sing mbatesi pangembangan industri epitaxial GaN.
IV. Cara umum kanggo epitaksi GaN
MOCVD (deposisi uap kimia)
Katon yen epitaksi homogen ing substrat GaN minangka pilihan sing paling apik kanggo epitaksi GaN. Nanging, amarga prekursor deposisi uap kimia yaiku trimethylgallium lan amonia, lan gas pembawa yaiku hidrogen, suhu wutah MOCVD khas kira-kira 1000-1100 ℃, lan tingkat wutah MOCVD kira-kira sawetara mikron saben jam. Bisa ngasilake antarmuka sing curam ing tingkat atom, sing cocog banget kanggo tuwuh heterojunctions, sumur kuantum, superlattices lan struktur liyane. Tingkat wutah sing cepet, keseragaman sing apik, lan kesesuaian kanggo wilayah gedhe lan wutah akeh asring digunakake ing produksi industri.
MBE (Molecular Beam Epitaxy)
Ing epitaxy beam molekul, Ga nggunakake sumber unsur, lan nitrogen aktif dijupuk saka nitrogen liwat plasma RF. Dibandhingake karo metode MOCVD, suhu wutah MBE kira-kira 350-400 ℃ luwih murah. Suhu wutah sing luwih murah bisa nyegah polusi tartamtu sing bisa disebabake dening lingkungan suhu dhuwur. Sistem MBE beroperasi ing vakum ultra-dhuwur, sing ngidini kanggo nggabungake cara deteksi ing-situ liyane. Ing wektu sing padha, tingkat pertumbuhan lan kapasitas produksi ora bisa dibandhingake karo MOCVD, lan luwih akeh digunakake ing riset ilmiah [7].
Gambar 5 (a) Skema Eiko-MBE (b) Skema ruang reaksi utama MBE
Metode HVPE (hydride vapor phase epitaxy)
Prekursor metode epitaksi fase uap hidrida yaiku GaCl3 lan NH3. Detchprohm et al. nggunakake cara iki kanggo tuwuh lapisan epitaxial GaN atusan microns nglukis ing lumahing substrat sapir. Ing eksperimen kasebut, lapisan ZnO ditanam ing antarane substrat sapir lan lapisan epitaxial minangka lapisan penyangga, lan lapisan epitaxial dikupas saka permukaan substrat. Dibandhingake karo MOCVD lan MBE, fitur utama metode HVPE yaiku tingkat pertumbuhan sing dhuwur, sing cocog kanggo produksi lapisan kandel lan bahan akeh. Nanging, nalika kekandelan lapisan epitaxial ngluwihi 20μm, lapisan epitaxial diprodhuksi dening cara iki rawan kanggo retak.
Akira USUI ngenalake teknologi substrat berpola adhedhasar metode iki. Dheweke pisanan tuwuh lapisan epitaxial GaN tipis 1-1.5μm ing substrat sapir nggunakake metode MOCVD. Lapisan epitaxial kasusun saka lapisan penyangga GaN kandel 20nm sing ditanam ing kondisi suhu sing kurang lan lapisan GaN sing ditanam ing kondisi suhu sing dhuwur. Banjur, ing 430 ℃, lapisan SiO2 dilapisi ing permukaan lapisan epitaxial, lan garis-garis jendela digawe ing film SiO2 kanthi fotolitografi. Jarak belang yaiku 7μm lan jembaré topeng saka 1μm nganti 4μm. Sawise dandan iki, dheweke entuk lapisan epitaxial GaN ing substrat sapir diameter 2 inci sing ora retak lan lancar kaya pangilon sanajan kekandelan tambah nganti puluhan utawa malah atusan mikron. Kapadhetan cacat dikurangi saka 109-1010cm-2 saka metode HVPE tradisional dadi udakara 6 × 107cm-2. Padha uga nuding metu ing eksperimen yen tingkat wutah ngluwihi 75μm / h, lumahing sampel bakal dadi atos [8].
Gambar 6 Skema Substrat Grafis
V. Ringkesan lan Outlook
Bahan GaN wiwit muncul ing 2014 nalika lampu biru LED menangake Bebungah Nobel ing Fisika ing taun kasebut, lan mlebu ing lapangan aplikasi pangisi daya cepet ing lapangan elektronik konsumen. Nyatane, aplikasi ing amplifier daya lan piranti RF sing digunakake ing stasiun pangkalan 5G sing umume ora bisa dideleng uga muncul kanthi tenang. Ing taun-taun pungkasan, terobosan piranti listrik kelas otomotif berbasis GaN samesthine bakal mbukak titik wutah anyar kanggo pasar aplikasi materi GaN.
Panjaluk pasar sing gedhe mesthi bakal ningkatake pangembangan industri lan teknologi sing ana gandhengane karo GaN. Kanthi kadewasan lan perbaikan rantai industri sing gegandhengan karo GaN, masalah sing diadhepi dening teknologi epitaxial GaN saiki pungkasane bakal ditambah utawa diatasi. Ing mangsa ngarep, wong mesthi bakal ngembangake teknologi epitaxial sing luwih anyar lan pilihan substrat sing luwih apik. Nalika iku, wong bakal bisa milih teknologi riset njaba paling cocok lan landasan kanggo skenario aplikasi beda miturut karakteristik saka skenario aplikasi, lan gawé produk selaras paling competitive.
Wektu kirim: Jun-28-2024