1. Tertia generatio semiconductors
Prima-generatio semiconductoris technologiae elaborata est secundum materias semiconductores ut Si et Ge. Fundamentum materiale est evolutionis transistorum et ambitus technologiae integrae. Prima-generatio materiae semiconductoris pro industria electronici saeculi XX fundamentum fundavit et sunt praecipuae materiae ad technologiam ambitum integrandam.
Secunda generatio-materia semiconductoria maxime includunt gallium arsenide, indium phosphide, gallium phosphide, indium arsenide, aluminium arsenide et eorum composita ternaria. Secunda-generatio materiae semiconductoris fundamentum est industriae notitiarum optoelectronic. Ex hoc fundamento, industriae cognatae sunt ut lucendi, ostentus, laser, et photovoltaici ortae sunt. Late adhibentur in technicae artis notitiae et in industrias optoelectronic ostentationis.
Repraesentativas materiae tertiae generationis semiconductoris includunt gallium nitridem et carbidam pii. Ob latitudinem cohortis hiatus, altae electronicae satietatem summa velocitas, magna conductivity scelerisque, et campi virium altae naufragii, sunt ideales materiae ad densitatem altae potentiae praeparandam, altae frequentiae, et demissae electronic cogitationes. Inter eas, carbide siliconis machinae opes altae energiae densitatis, energiae consummationis et parvae magnitudinis commoda habent, et ampla applicationes exspectationes habent in novis vehiculis energiae, photovoltaicis, vecturae ferriviariis, magnis datae et aliis campis. Gallium nitride RF machinas habent utilitates altae frequentiae, altae potentiae, latae manus, humilis potentiae consumptio et parvitas, et ampla applicationes exspectationum in communicationibus 5G, in interreti rerum, terunt militaribus et aliis agris habent. Praeterea gallium nitride-substructio virtutis machinis in campo humili voltationis late usi sunt. Praeter recentibus annis, materias gallium oxydatum emergentes expectatur complementarium technicae formare cum technologiae SiC et GaN existentes, et potentialem applicationes exspectationes habent in campis ignobilibus et alta intentione.
Comparata cum altera-generatione semiconductori materiae, semiconductori tertiae-generatione materiae latiorem bandgap latiorem habent (bandgap latitudo Si, materia typica materiae primae generationis semiconductoris, est circiter 1.1eV, bandgap latitudo GaAs, typica materia semiconductoris generationis secundae, est circiter 1.42eV, et bandgap latitudo GaN, materia typica tertiae generationis semiconductoris, supra est. 2.3eV), resistentia fortius radiorum, resistentia fortius ad campum electricum naufragii, et resistentia superior temperatura. Tertia generatio materiae semiconductoris cum latioris fasciae latitudine aptissima sunt ad productionem radiorum repugnantis, altae frequentiae, altae potentiae et summae integrationis densitatis electronicarum machinarum. Eorum applicationes in proin radiophonicis frequentiae machinis, LEDs, lasers, machinis potentiae aliisque campis multam attentionem attraxerunt, et amplas exspectationes in communicationibus mobilibus, gridis captiosis, transitum railium, novas vehicula energias, electronicas consumptorias, et ultraviolacum et caeruleum ostenderunt. —green levi machinas [1].
Imago fons: CASA, Zheshang Securitates Research Institute
Figura I gan potentia machinam tempore scale et praenuntientur
II GaN materiales structurae et proprietates
GaN bandgap directus semiconductor. Latitudo bandgap structurae wurtzitae cubiculi temperatura est circiter 3.26eV. GaN materiae tres praecipuae structurae cristallinae habent, scilicet structuram wurtzitae, structuram sphaleritam et structuram salis petram. Apud eos wurtzitae structura firmissima crystalli structura est. Figura 2 est schematis structurae hexagonalis wurtzitae GaN. Wurtzita structura GaN materialis ad hexagonalem refertam structuram pertinet. Quaelibet unitas cellula habet 12 atomos, inter 6 N atomos et 6 Ga atomos. Quaelibet Ga (N) atomus vinculum facit cum 4 proximis N (Ga) atomis et reclinatur in ordine ABABAB... secundum directionem [0001].
Figure 2 Wurtzite structure GaN crystal cell diagram
III Communiter subiectae sunt pro epitaxy
Videtur quod epitaxia homogenea in GaN subiecta sit optima electio pro epitaxy GaN. Attamen, ob magnum vinculum energiae GaN, cum temperaturae punctum 2500℃ liquescentis attingit, pressionis eius respondentis compositionis est circa 4.5GPa. Cum pressio compositionis humilior est quam pressionis huius, GaN non liquescit sed directe putrescit. Inde maturam subiectam praeparationem technologiae efficit ut methodus Czochralski idoneam ad praeparationem unius crystalli GaN subiectae, faciens GaN subiectam difficultatem massae fructuum et pretiosorum. Substratae igitur incrementum epitaxialem communiter in GaN adhibentur maxime Si, SiC, sapphiri etc. [3].
Chartam III Gan et ambitum communium materiae subiectae
GaN epitaxy in sapphiro
Sapphirus stabilis proprietates chemicae habet, vilis est, et magnam maturitatem magnarum industriarum productionis habet. Ergo una ex primis et late usu materiae subiectae in semiconductoris machinalis machinalis facta est. Ut una e communibus subiectis pro epitaxy GaN adhibitis, praecipuae difficultates quae pro subiectae sapphiro solvendae sunt sunt:
✔ Ob magnum cancellos mismatch inter sapphiri (Al2O3) et GaN (circiter 15%), defectus densitatis interfacii inter iacum epitaxialem et subiectum valde altum est. Ut effectus suos adversos minuat, subiectae praetractationes implicatae subici debent antequam processus epitaxiae incipiat. Priusquam epitaxiam GaN crescat in sapphiro subiecta, superficies subiecta prius stricte purganda est ad contaminationem tollendam, damnum residua expoliendum, etc., et ad gradus et gradus superficiei structuras producendum. Deinde superficies subiecta nitritur ad mutationem udus proprietatum epitaxialis stratis. Tenuis denique quiddam AlN iacuit (plerumque 10-100nm crassum) in superficie substrata depositum esse et ad humilem temperaturam annectere, ad extremum incrementum epitaxialem praeparandum. Etiam sic, dislocationis densitatis in GaN membranae epitaxialis quae in sapphiro subiecta crevit, adhuc altior est quam membranarum homoepitaxialium (circa 1010cm-2, comparata cum nulla sua ratione densitatis dislocationis in membrana homoepitaxia silicone vel gallium arsenide vel membrana homoepitaxia vel inter 102 et 104cm-. 2). Superior defectus densitatis minuit mobilitatem ferebat, ita minoritas minuit tabellarium vita et reducit conductivity scelerisque, quae omnia perficiendi fabrica redigunt [4];
Sceleris dilatatio coefficiens sapphiri maior est quam GaN, itaque accentus compressivus biaxialis generabitur in strato epitaxiali durante processu refrigerationis a temperatura ad locus temperatus depositionis. Ut membrana epitaxialis crassior, haec vis rimas movendi vel etiam substratas causare potest;
✔ Comparatus cum aliis subiectis, scelerisque conductivity sapphiri subiecta inferior est (circiter 0.25W*cm-1*K-1 ad 100℃), et calor dissipationis effectus pauper est;
Ob suam conductivitatem pauperem, sapphirus subiecta non conducit ad earum integrationem et applicationem cum aliis machinis semiconductoribus.
Etsi defectus densitatis GaN epitaxialium stratorum sapphiri substratis increvit altus est, non videtur signanter reducere LEDs optoelectronic GaN-substructus caeruleo-viridis, ita subiectae sapphiri adhuc communiter subiectae pro LEDs GaN-fundatis adhibitae sunt.
Cum magis novas applicationes machinarum Gannarum evolutionis, sicut lasers vel aliae densitatis potentiae machinis, defectus inhaerentes sapphiri subiectae magis magisque limitatio factae sunt in applicatione eorum. Praeter, cum evolutionem technologiae subiectae SiC incrementum, sumptus reductionem et maturitatem technologiae GaN epitaxialis in Si subiecta, plus investigationis in stratis epitaxialibus GaN crescentibus in subiectae sapphiri stratis sensim inclinatio refrigerationis ostendit.
GaN epitaxy on Sic
Comparati cum sapphiro, SiC substrato (4H- et 6H-crystalis) minorem cancellos habent cum strati epitaxialibus GaN (3.1%, aequivalens cum [0001] epitaxialis membranae ordinatis), conductivity superiores scelerisque (circiter 3.8W*cm-1*K. - 1), etc. Praeterea conductivity SiC subiectorum etiam permittit contactus electricas in tergo subiectae fiendas, quae adiuvat ad structuram fabricam simpliciorem reddendam. Exsistentia horum commodorum magis magisque inquisitores ad laborandum in GaN epitaxia de substratu carbide pii.
Attamen directe in SiC subiecta operans ne epilayers GaN crescens etiam incommoditatum seriem vergat, inclusa sequentia:
Asperitas superficiei subiectae SiC multo altior quam subiectae sapphiri (sapphiri asperitas 0.1nm RMS, SiC asperitas 1nm RMS), SiC subiectae habent duritiem altam et inopes processus effectus, et haec asperitas et residua expolitio damnum unum etiam sunt. de fontibus vitiorum in GaN epilayers.
✔ Cochleae dislocationis densitas Substratorum SiC est altus (dislocation densitas 103-104cm-2), cochleae luxationes ad GaN epilayer propagare et reducere fabrica perficiendi;
✔ Ordinatio atomica in superficie substrata formationem positis vitiorum (BSFs) in epilayo GaN inducit. Nam epitaxial GaN in SiC subiecta, plures ordines in subiecto atomico possibilis sunt, inde in inconstantia initialis atomorum positis ordo epitaxialis GaN in ea iacuit, qui pronus est ad vitia positis. Ponentes vitia (SFs) in campis electricis per c-axem constructum inducunt, ducens ad problemata sicut lacus in-planum tabellio separationis machinis;
Sceleris dilatatio coefficientis SiC subiecti minor est quam AlN et GaN, quae causat scelerisque accentus cumulum inter epitaxialem stratum et substratum durante processu refrigerante. Waltereit et Brand praedixit secundum investigationes suas eventus hunc problema levari vel solvi posse, crescentibus GaN epitaxialibus stratis tenuibus, laminis nucleiculis cohaerenter coactis;
✔ Quaestio pauperum wettability de atomis Ga. Cum stratis epitaxialibus GaN crescentibus directe in superficie SiC, ob humidabilitatem inter duos atomos, GaN prona est ad 3D insulae incrementum in superficie subiecta. Iaculum quiddam inducere est solutioni communius adhibita ad meliorem qualitatem materiae epitaxialis in GaN epitaxia. AlN vel AlxGa1-xN quiddam inducendo iactum humiditatem superficiei SiC efficaciter emendare et in duabus dimensionibus stratum epitaxialem GaN crescere posse. Praeterea potest etiam moderari accentus et defectus subiectorum ne extendantur ad epitaxy GaN;
Praeparatio technologiae Substratorum SiC immatura est, substrati sumptus alta est, et paucae sunt praebitorum ac parvae copiae.
Investigatio Torres et al. ostendit quod etching Substratum SiC cum H2 in caliditate caliditatis (1600°C) antequam epitaxia magis ordinatam gradum structuram in superficie substrata producere potest, altiorem qualitatem AlN epitaxialem cinematographicam obtinens quam cum directe est. crevit in originali subiecta superficies. XIe et investigatio eius quadrigis etiam ostendit etching praetractationem carbidi pii substratam signanter emendare morphologiam et qualitatem crystalli GaN stratis epitaxialis ostendit. Smith et al. Dislocationes threading inventas oriundas e substrato/buffero et iacuit interfaces epitaxiales quiddam ad substrati planitiem referuntur[5].
Figure 4 TEM morphologia GaN epitaxialis iacuit exempla in 6H-SiC substrata (0001) sub diversis conditionibus superficiei curationis (a) purgatio chemica; (b) purgatio chemica plasmatis hydrogenii + curationis; (c) chemical purgatio + hydrogenii plasmatis curatio + 1300℃ hydrogenii caloris curationi pro 30min
GaN epitaxy in Si
Pii cum carbide, sapphiro et aliis subiectis comparatus est, processus praeparationis substratae silicon est matura, et potest stabiliter providere magnae molis substratae mature magnae molis effectionis. Eodem tempore, bonae sunt conductivity et electrica conductivity scelerisque, et processus machinae electronic Si matura est. Facultas perfecte integrandi machinis optoelectronic GaN cum Si electronicis machinis in futuro etiam incrementum dat epitaxiae GaN in Pii amoenissima.
Attamen, ob magnam differentiam in cancellis constantibus inter materiam Si subiectam et GaN, epitaxy heterogenea GaN in Si subiecta est typica magna epitaxia mismatch, et etiam oportet ad seriem problematum occurrere;
✔ Superficies interface industria problema. Cum GaN in subiecto Si crescit, superficies Si subiecta primum nitrida erit, ut iacuit nitridis amorphosi pii, qui ad nucleationem et incrementum altae densitatis GaN non conducit. Superficies autem Si primum contactum Ga, quae superficiem Si subiectae corrodet. In calidis temperaturis, compositione superficiei Sii in stratum GaN epitaxialem diffundet, ut maculas Pii nigras formant.
✔ Cancellus constans mispar inter GaN et Si magnum est (~ 17%), quod ad dislocationes staminum densitatis ducet et signanter qualitatem iacuit epitaxialis minuit;
✔ Comparatus cum Si, GaN ampliorem expansionem coëfficientem habet (sceleris expansio coëfficientis GaN est circa 5.6×10-6K-1, Si dilatatio scelerisque coefficientis est circa 2.6×10-6K-1), et rimas generari in GaN iacuit epitaxialis per refrigerationem temperatus epitaxialis ad locus temperatus;
Si reagit cum NH3 ad temperaturas altas ad polycrystallinum SiNx formandum. AlN formare non potest nucleum potiorem in polycrystallino SiNx, quod ducit ad inordinatam orientationem eorum qui postea GaN iacuit et magnum numerum defectuum creverunt, ex tenui cristallina qualitate strato epitaxiali GaN, et etiam difficultatem in unum crystallinum efformando. GaN epitaxial tabulatum [6].
Ut problema magnum cancellorum mismatch solveret, investigatores materias introducere conati sunt ut AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, et SiC ut opponunt strata in Si subiecta. Ad formationem polycrystallini Sinx vitandam et adversas effectus suos in qualitatem crystallinam GaN/AlN/Si (111) materiae minuendam, TMAl requiri solet ad certum temporis spatium ante epitaxialem incrementi AlN quiddam in strato introduci. quominus NH3 reageret cum superficie exposita Si SiNx formandi. Praeterea technologiae epitaxiales sicut technologiae subiectae ortae uti possunt ad meliorem qualitatem iacuit epitaxialis. Progressio harum technologiarum adiuvat institutionem Sinx in interfaciei epitaxiali prohibere, duplicem dimensionem incrementi GaN epitaxialis iacuit promovere et incrementum qualitatem epitaxialis iacuit. Praeterea, AlN quiddam iacuit inducitur ad restitutionem accentus distrahendi causata differentia in coëfficientibus expansionis scelerisque ad vitandum rimas in strato GaN epitaxiali in substrato Pii. Investigatio Krost ostendit positivam esse comparationem inter crassitudinem quiddam AlN tabulae et reductionem in contentionem. Cum tabulatum quiddam crassitudinis 12nm attingit, stratum epitaxiale crassius quam 6µm in substratum silicone crevit per congruentem incrementum schema sine strato epitaxiali crepuit.
Post diuturnum tempus ab inquisitoribus, qualitas stratae epitaxialium GaN in substratis siliconibus crevit, signanter aucta est, et machinas quales transistores efficiunt campi, claustrum Schottky ultraviolet detectores, LEDs caeruleus et lasers ultraviolaces significantes progressum fecerunt.
In summa, cum vulgo GaN epitaxiales subiectae sint omnes epitaxiae heterogeneae, omnes difficultates communes praebent sicut cancellos mismatch et magnae differentiae in coëfficientibus expansionis scelerisque ad varios gradus. Homogenea epitaxialis GaN subiecta a maturitate technicae artis limitatur, et subiecta nondum massa producta sunt. Productio sumptus alta est, substrata magnitudo parva est, et qualitas subiecta non est idealis. Progressio novarum subiectarum epitaxialium GaN et emendatio qualitatis epitaxialis adhuc unum e magnis momentis restringit ulteriorem progressionem industriae epitaxialis GaN.
IV. Communia methodi pro epitaxy GaN
MOCVD (depositio vapor chemicus)
Videtur quod epitaxia homogenea in GaN subiecta sit optima electio pro epitaxy GaN. Sed cum praecursores depositio vaporis chemici sunt trimethylgallium et ammoniacum, et gasi cursorium est hydrogenium, typica MOCVD incrementi temperies circa 1000-1100℃ est, et incrementa MOCVD circa paucas microns per hora est. Interfaces ardua producere potest in gradu atomico, quae aptissima est ad hetero- junctiones crescendas, quantum ad puteos, superlatticas aliasque structuras. Celeritas incrementi eius, bona uniformitas et opportunitas ad magna area et multi-partitus incrementum saepe in productione industriae adhibentur.
MBE (trabs hypothetica epitaxy)
In epitaxia hypothetica trabes, Ga elementali fonte utitur, et nitrogenum activum a nitrogen per RF plasma obtinetur. Comparatus cum methodo MOCVD, incrementum temperatura MBE inferior circiter 350-400℃ est. Inferior temperatura incrementum incrementum certas pollutionis vitare potest, quae ex ambitus caliditatis causari potest. Systema MBE sub vacuo ultra-alto operetur, quod permittit ut methodos deprehendendi plures in- situ integrare. Eodem tempore, eius augmentum ac capacitas productionis MOCVD comparari non potest, eoque magis in investigationibus scientificis adhibetur [7].
Figura 5 (a) Eiko-MBE schematicum (b) MBE reactionem principalem cubiculi schematici
HVPE methodus (epitaxy tempus vaporum hydride)
Praecursores vaporum hydridei methodi epitaxy periodi sunt GaCl3 et NH3. Detchprohm et al. hac methodo usus est ut in strato epitaxiali centenis microns crassis in superficie sapphiri subiecta cresceret. In experimento eorum, iacuit ZnO inter subiectum sapphiri et stratum epitaxialem velut quiddam iacuit crevit, et iacuit epitaxialis e superficie subiecta extracta est. Comparatus cum MOCVD et MBE, praecipua methodi HVPE notae altae incrementi eius est, quae ad densitatem stratorum et mole materiae producendam apta est. Cum autem crassitudo iacuit epitaxialis 20µm excedit, iacuit epitaxialis hac methodo proclivis ad rimas productus est.
Akira USUI technologiae subiectae formatae in hac methodo fundatae introductae sunt. Primum tenuem 1-1.5μm crassam GaN epitaxialem stratum sapphiri substratum in modum MOCVD utentes. Iaculum epitaxiale constabat ex 20nm crasso GaN quiddam iacum sub condiciones temperaturae humilis crevit et iacuit GaN sub condiciones calidissimas crevit. Tunc, anno 430, iacuit SiO2 in superficie iacuit epitaxialis patella, et fenestrae livores in cinematographico SiO2 a photolithographia factae sunt. Spatium clavum erat 7µm et larva latitudo ab 1µm ad 4μm eminebat. Post hanc emendationem consecuti sunt tabulatum epitaxialem GaN in diametro sapphiri 2 inch diametro, quod erat rima-liberum et tam laevi quam speculi, etiam cum crassitudo ad decem vel centenas microns aucta est. Densitas defectus reductus est ab 109-1010cm-2 methodi traditionalis HVPE ad circiter 6×107cm-2. Ostenderunt etiam in experimento quod cum incrementum 75μm/h excederet, superficies specimen aspera fieret[8].
Figure 6 Graphical Substrate Schematic
V. Summarium et Outlook
GaN materiae anno 2014 emergere coeperunt cum lux caerulea DUCTUS Nobel Praemium Physicorum eo anno vicit, et agrum publicum ingressus applicationes in campum electronicarum consumptoriarum festinanter increpans. Re quidem vera applicationes in potentia amplificatoria et RF inventa in stationes basi 5G adhibitas, quas plerique videre non possunt, etiam quiete emerserunt. Nuper, perruptio GaN fundationis autocineti gradus virtutis machinis expectatur ut nova incrementa puncta aperiat pro materia applicationis GAN mercaturae.
Ingens postulatio mercatus progressionem GaN relatarum industriarum et technologiarum promovebit. Cum maturitate et emendatione catenae industrialis GaN relatae, problemata quae ab hodierna GaN technologia epitaxiali occurrebant tandem meliorentur vel vincentur. In posterum, homines profecto magis novas technologias epitaxiales ac meliores substratas optiones augebunt. Inde, homines aptissimas investigationes externas technologias eligere poterunt, ac diversae applicationis missionum substratae secundum notas missionum applicationis, ac fructuosissimos nativus uberrimos producere.
Post tempus: Iun-28-2024