1. Trečiosios kartos puslaidininkiai
Pirmosios kartos puslaidininkių technologija buvo sukurta remiantis puslaidininkinėmis medžiagomis, tokiomis kaip Si ir Ge. Tai yra materialus pagrindas tranzistorių ir integrinių grandynų technologijos plėtrai. Pirmosios kartos puslaidininkinės medžiagos padėjo pagrindą elektronikos pramonei XX amžiuje ir yra pagrindinės integrinių grandynų technologijos medžiagos.
Antrosios kartos puslaidininkinės medžiagos daugiausia apima galio arsenidą, indžio fosfidą, galio fosfidą, indžio arsenidą, aliuminio arsenidą ir jų trejetus junginius. Antrosios kartos puslaidininkinės medžiagos yra optoelektroninės informacijos pramonės pagrindas. Tuo remiantis buvo sukurtos susijusios pramonės šakos, tokios kaip apšvietimas, ekranai, lazeriai ir fotovoltinė energija. Jie plačiai naudojami šiuolaikinėse informacinių technologijų ir optoelektroninių ekranų pramonėje.
Tipiškos trečiosios kartos puslaidininkinių medžiagų medžiagos yra galio nitridas ir silicio karbidas. Dėl didelio juostos tarpo, didelio elektronų prisotinimo dreifo greičio, didelio šilumos laidumo ir didelio skilimo lauko stiprumo jie yra ideali medžiaga didelio galingumo tankio, aukšto dažnio ir mažo nuostolio elektroniniams prietaisams ruošti. Tarp jų, silicio karbido galios įrenginiai turi didelio energijos tankio, mažo energijos suvartojimo ir mažo dydžio privalumus, taip pat turi platų pritaikymo perspektyvą naujose energijos transporto priemonėse, fotovoltinėje, geležinkelių transporte, dideliuose duomenyse ir kitose srityse. Galio nitrido RF prietaisai turi aukšto dažnio, didelės galios, plataus dažnių juostos pločio, mažo energijos suvartojimo ir mažo dydžio pranašumus, taip pat turi plačias taikymo perspektyvas 5G ryšiuose, daiktų internete, kariniuose radaruose ir kitose srityse. Be to, galio nitrido pagrindu pagaminti maitinimo įrenginiai buvo plačiai naudojami žemos įtampos lauke. Be to, pastaraisiais metais tikimasi, kad naujos galio oksido medžiagos papildys esamas SiC ir GaN technologijas ir turės potencialių pritaikymo perspektyvų žemo dažnio ir aukštos įtampos srityse.
Palyginti su antrosios kartos puslaidininkinėmis medžiagomis, trečios kartos puslaidininkių medžiagų juostos plotis yra didesnis (Si, tipiškos pirmosios kartos puslaidininkinės medžiagos medžiagos, juostos plotis yra apie 1,1 eV, o GaAs, tipiškas antrosios kartos puslaidininkinės medžiagos medžiaga yra apie 1,42 eV, o dažnių juostos plotis GaN, tipiška medžiaga trečios kartos puslaidininkinės medžiagos, yra didesnis nei 2,3 eV), stipresnis atsparumas spinduliuotei, stipresnis atsparumas elektrinio lauko skilimui ir didesnis atsparumas temperatūrai. Trečiosios kartos puslaidininkinės medžiagos su platesniu pralaidumo pločiu ypač tinka spinduliuotei atspariems, aukšto dažnio, didelės galios ir didelio integravimo tankio elektroniniams prietaisams gaminti. Jų taikymas mikrobangų radijo dažnio įrenginiuose, šviesos dioduose, lazeriuose, galios įrenginiuose ir kitose srityse sulaukė daug dėmesio ir parodė plačias plėtros perspektyvas mobiliojo ryšio, išmaniųjų tinklų, geležinkelio tranzito, naujų energetinių transporto priemonių, plataus vartojimo elektronikos, ultravioletinių ir mėlynųjų spindulių srityse. -žaliosios šviesos prietaisai [1].
Vaizdo šaltinis: CASA, Zheshang vertybinių popierių tyrimų institutas
1 pav. GaN maitinimo įrenginio laiko skalė ir prognozė
II GaN medžiagos struktūra ir charakteristikos
GaN yra tiesioginio dažnio juostos puslaidininkis. Vurcito struktūros juostos plotis kambario temperatūroje yra apie 3,26 eV. GaN medžiagos turi tris pagrindines kristalų struktūras, būtent wurtzito struktūrą, sfalerito struktūrą ir akmens druskos struktūrą. Tarp jų wurtzito struktūra yra stabiliausia kristalų struktūra. 2 paveiksle yra GaN šešiakampės wurcito struktūros diagrama. GaN medžiagos wurtzito struktūra priklauso šešiakampei sandariai supakuotai struktūrai. Kiekvienoje vienetinėje ląstelėje yra 12 atomų, įskaitant 6 N atomus ir 6 Ga atomus. Kiekvienas Ga (N) atomas sudaro ryšį su 4 artimiausiais N (Ga) atomais ir yra sukrautas ABABAB tvarka… [0001] kryptimi [2].
2 pav. Wurtzite struktūros GaN kristalų ląstelių diagrama
III Dažniausiai naudojami substratai GaN epitaksijai
Atrodo, kad homogeninė epitaksija ant GaN substratų yra geriausias GaN epitaksijos pasirinkimas. Tačiau dėl didelės GaN ryšio energijos, kai temperatūra pasiekia 2500 ℃ lydymosi tašką, jo atitinkamas skilimo slėgis yra apie 4,5 GPa. Kai skilimo slėgis yra mažesnis už šį slėgį, GaN netirpsta, o suyra tiesiogiai. Dėl to subrendusios substrato paruošimo technologijos, tokios kaip Czochralski metodas, netinkamos GaN monokristaliniams substratams ruošti, todėl GaN substratus sunku gaminti masiškai ir jie yra brangūs. Todėl GaN epitaksiniam augimui dažniausiai naudojami substratai daugiausia yra Si, SiC, safyras ir kt. [3].
3 diagrama GaN ir dažniausiai naudojamų substrato medžiagų parametrai
GaN epitaksija ant safyro
Safyras turi stabilias chemines savybes, yra pigus ir turi aukštą brandos didelio masto gamybos pramonę. Todėl jis tapo viena iš ankstyviausių ir plačiausiai naudojamų substrato medžiagų puslaidininkinių įrenginių inžinerijoje. Kaip vienas iš dažniausiai naudojamų GaN epitaksijos substratų, pagrindinės safyro substratų problemos, kurias reikia išspręsti, yra šios:
✔ Dėl didelio safyro (Al2O3) ir GaN (apie 15%) gardelės neatitikimo defektų tankis epitaksinio sluoksnio ir substrato sąsajoje yra labai didelis. Siekiant sumažinti neigiamą jo poveikį, prieš pradedant epitaksijos procesą, substratas turi būti sudėtingai apdorotas. Prieš auginant GaN epitaksiją ant safyro pagrindo, pagrindo paviršius turi būti kruopščiai nuvalytas, kad būtų pašalinti teršalai, likutiniai poliravimo pažeidimai ir kt. Tada substrato paviršius yra azotuojamas, kad pakeistų epitaksinio sluoksnio drėkinimo savybes. Galiausiai ant pagrindo paviršiaus reikia nusodinti ploną AlN buferinį sluoksnį (paprastai 10–100 nm storio) ir atkaitinti žemoje temperatūroje, kad būtų galima pasiruošti galutiniam epitaksiniam augimui. Nepaisant to, GaN epitaksinėse plėvelėse, auginamose ant safyro substratų, dislokacijos tankis vis dar yra didesnis nei homoepitaksinių plėvelių (apie 1010 cm-2, palyginti su iš esmės nuliniu dislokacijos tankiu silicio homoepitaksinėse plėvelėse arba galio arsenido homoepitaksinėse plėvelėse arba nuo 1042 cm-2). 2). Didesnis defektų tankis sumažina nešiklio mobilumą, todėl sutrumpėja mažumos nešiklio tarnavimo laikas ir sumažėja šilumos laidumas, o visa tai sumažins įrenginio veikimą [4];
✔ Safyro šiluminio plėtimosi koeficientas yra didesnis nei GaN, todėl aušinimo nuo nusodinimo temperatūros iki kambario temperatūros epitaksiniame sluoksnyje susidarys dviašis gniuždymo įtempis. Storesnėms epitaksinėms plėvelėms šis įtempis gali sukelti plėvelės ar net pagrindo įtrūkimus;
✔ Palyginti su kitais pagrindais, safyro substratų šilumos laidumas yra mažesnis (apie 0,25 W*cm-1*K-1 esant 100 ℃), o šilumos išsklaidymo charakteristikos yra prastos;
✔ Dėl prasto laidumo safyro substratai nėra palankūs jų integravimui ir pritaikymui su kitais puslaidininkiniais įtaisais.
Nors GaN epitaksinių sluoksnių, auginamų ant safyro substratų, defektų tankis yra didelis, neatrodo, kad tai reikšmingai sumažintų GaN pagrindu pagamintų mėlynai žalių šviesos diodų optoelektronines savybes, todėl safyro substratai vis dar yra dažniausiai naudojami GaN pagrindu pagamintų šviesos diodų substratai.
Sukūrus daugiau naujų GaN įrenginių, tokių kaip lazeriai ar kiti didelio tankio galios įrenginiai, taikomi safyro substratų defektai vis labiau riboja jų naudojimą. Be to, plėtojant SiC substrato auginimo technologiją, sumažinus sąnaudas ir subrendus GaN epitaksinei technologijai ant Si substratų, daugiau tyrimų, susijusių su GaN epitaksinių sluoksnių auginimu ant safyro substratų, palaipsniui parodė aušinimo tendenciją.
GaN epitaksija ant SiC
Palyginti su safyru, SiC substratai (4H- ir 6H-kristalai) turi mažesnį gardelės neatitikimą GaN epitaksiniams sluoksniams (3,1%, atitinka [0001] orientuotoms epitaksinėms plėvelėms), didesnį šilumos laidumą (apie 3,8 W*cm-1*K). -1) ir tt Be to, SiC substratų laidumas taip pat leidžia užpakalinėje pagrindo pusėje užmegzti elektrinius kontaktus, kurie padeda supaprastinti įrenginio struktūrą. Šių pranašumų egzistavimas pritraukė vis daugiau tyrėjų dirbti su GaN epitaksija ant silicio karbido substratų.
Tačiau dirbant tiesiogiai su SiC substratais, siekiant išvengti GaN episluoksnių augimo, taip pat susiduriama su daugybe trūkumų, įskaitant šiuos:
✔ SiC substratų paviršiaus šiurkštumas yra daug didesnis nei safyro substratų (safyro šiurkštumas 0,1 nm RMS, SiC šiurkštumas 1 nm RMS). GaN episluoksnių defektų šaltiniai.
✔ SiC substratų varžtų dislokacijos tankis yra didelis (dislokacijos tankis 103-104cm-2), varžtų išnirimai gali plisti į GaN episluoksnį ir sumažinti įrenginio veikimą;
✔ Atominis išsidėstymas ant pagrindo paviršiaus sukelia krūvos defektų (BSF) susidarymą GaN episluoksnyje. Naudojant epitaksinį GaN ant SiC pagrindo, ant substrato galimos kelios galimos atomų išdėstymo eilės, todėl ant jo esančio epitaksinio GaN sluoksnio pradinė atomų išdėstymo tvarka gali būti nenuosekli, o tai gali sukelti sudėjimo gedimus. Krūvos gedimai (SF) sukuria įmontuotus elektrinius laukus išilgai c ašies, todėl kyla problemų, tokių kaip plokštumoje esančių nešiklio atskyrimo įtaisų nuotėkis;
✔ SiC substrato šiluminio plėtimosi koeficientas yra mažesnis nei AlN ir GaN, todėl aušinimo metu tarp epitaksinio sluoksnio ir pagrindo kaupiasi šiluminis įtempis. Waltereit ir Brand, remdamiesi savo tyrimų rezultatais, numatė, kad šią problemą galima palengvinti arba išspręsti GaN epitaksinius sluoksnius ant plonų, nuosekliai įtemptų AlN branduolio sluoksnių;
✔ Blogo Ga atomų drėkinimo problema. Auginant GaN epitaksinius sluoksnius tiesiai ant SiC paviršiaus, dėl prasto drėkinimo tarp dviejų atomų, GaN yra linkęs į 3D salų augimą substrato paviršiuje. Buferinio sluoksnio įvedimas yra dažniausiai naudojamas sprendimas epitaksinių medžiagų kokybei pagerinti GaN epitaksijoje. AlN arba AlxGa1-xN buferinio sluoksnio įvedimas gali veiksmingai pagerinti SiC paviršiaus drėgmę ir priversti GaN epitaksinį sluoksnį augti dviem matmenimis. Be to, jis taip pat gali reguliuoti įtampą ir neleisti substrato defektams plisti iki GaN epitaksijos;
✔ SiC substratų paruošimo technologija nesubrendusi, substrato kaina didelė, tiekėjų mažai ir pasiūla.
Torres ir kt. tyrimai rodo, kad SiC substrato ėsdinimas su H2 aukštoje temperatūroje (1600 °C) prieš epitaksiją gali sudaryti tvarkingesnę substrato paviršiaus struktūrą ir taip gauti aukštesnės kokybės AlN epitaksinę plėvelę nei tada, kai ji yra tiesiogiai auginami ant pradinio substrato paviršiaus. Xie ir jo komandos tyrimai taip pat rodo, kad silicio karbido substrato ėsdinimas gali žymiai pagerinti GaN epitaksinio sluoksnio paviršiaus morfologiją ir kristalų kokybę. Smithas ir kt. nustatė, kad sriegimo išnirimai, atsirandantys iš substrato / buferio sluoksnio ir buferinio sluoksnio / epitaksinio sluoksnio sąsajų, yra susiję su pagrindo lygumu [5].
4 pav. GaN epitaksinio sluoksnio mėginių, auginamų ant 6H-SiC substrato (0001) skirtingomis paviršiaus apdorojimo sąlygomis, TEM morfologija (a) cheminis valymas; b) cheminis valymas + apdorojimas vandenilio plazma; c) cheminis valymas + apdorojimas vandenilio plazma + 1300 ℃ vandenilio terminis apdorojimas 30 min.
GaN epitaksija ant Si
Palyginti su silicio karbidu, safyru ir kitais substratais, silicio substrato paruošimo procesas yra subrendęs ir gali stabiliai užtikrinti brandžius didelio dydžio substratus su didelėmis sąnaudomis. Tuo pačiu metu šilumos laidumas ir elektros laidumas yra geri, o Si elektroninio įrenginio procesas yra subrendęs. Galimybė ateityje puikiai integruoti optoelektroninius GaN įrenginius su Si elektroniniais prietaisais taip pat daro GaN epitaksijos augimą ant silicio labai patrauklią.
Tačiau dėl didelio Si substrato ir GaN medžiagos gardelės konstantų skirtumo heterogeniška GaN epitaksija ant Si substrato yra tipiška didelė neatitikimo epitaksija, todėl ji taip pat turi susidurti su daugybe problemų:
✔ Paviršinės sąsajos energijos problema. Kai GaN auga ant Si substrato, Si substrato paviršius pirmiausia bus nitriduotas, kad susidarytų amorfinis silicio nitrido sluoksnis, kuris nėra palankus didelio tankio GaN branduolių susidarymui ir augimui. Be to, Si paviršius pirmiausia susilies su Ga, o tai korodijuos Si substrato paviršių. Esant aukštai temperatūrai, Si paviršiaus skilimas pasklis į GaN epitaksinį sluoksnį ir susidarys juodos silicio dėmės.
✔ Gardelinės konstantos neatitikimas tarp GaN ir Si yra didelis (~17%), dėl to susiformuos didelio tankio sriegimo išnirimai ir žymiai pablogės epitaksinio sluoksnio kokybė;
✔ Palyginti su Si, GaN turi didesnį šiluminio plėtimosi koeficientą (GaN šiluminio plėtimosi koeficientas yra apie 5,6×10-6K-1, Si šiluminio plėtimosi koeficientas yra apie 2,6×10-6K-1), o GaN gali susidaryti įtrūkimų. epitaksinis sluoksnis, kai epitaksinė temperatūra atšaldoma iki kambario temperatūros;
✔ Aukštoje temperatūroje Si reaguoja su NH3, sudarydamas polikristalinį SiNx. AlN negali sudaryti pirmenybę teikiančio polikristalinio SiNx branduolio, dėl kurio vėliau išaugusio GaN sluoksnio orientacija tampa netvarkinga ir atsiranda daug defektų, todėl GaN epitaksinio sluoksnio kristalų kokybė blogėja ir netgi sunku suformuoti vieno kristalo. GaN epitaksinis sluoksnis [6].
Siekdami išspręsti didelio grotelių neatitikimo problemą, mokslininkai bandė įvesti tokias medžiagas kaip AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO ir SiC kaip buferinius sluoksnius ant Si substratų. Siekiant išvengti polikristalinio SiNx susidarymo ir sumažinti jo neigiamą poveikį GaN/AlN/Si (111) medžiagų kristalų kokybei, TMAl paprastai reikia įterpti tam tikrą laiką prieš epitaksinį AlN buferinio sluoksnio augimą. kad NH3 nereaguotų su atviru Si paviršiumi ir nesusidarytų SiNx. Be to, epitaksinio sluoksnio kokybei pagerinti gali būti naudojamos epitaksinės technologijos, tokios kaip raštuoto substrato technologija. Šių technologijų plėtra padeda slopinti SiNx susidarymą epitaksinėje sąsajoje, skatina dvimatį GaN epitaksinio sluoksnio augimą ir pagerina epitaksinio sluoksnio augimo kokybę. Be to, įterpiamas AlN buferinis sluoksnis, siekiant kompensuoti tempimo įtempį, kurį sukelia šiluminio plėtimosi koeficientų skirtumas, kad būtų išvengta įtrūkimų GaN epitaksiniame sluoksnyje ant silicio pagrindo. Krosto tyrimai rodo, kad yra teigiama koreliacija tarp AlN buferinio sluoksnio storio ir deformacijos sumažėjimo. Kai buferinio sluoksnio storis pasiekia 12 nm, epitaksinis sluoksnis, storesnis nei 6 μm, gali būti auginamas ant silicio substrato pagal atitinkamą augimo schemą be epitaksinio sluoksnio įtrūkimų.
Po ilgalaikių tyrėjų pastangų GaN epitaksinių sluoksnių, auginamų ant silicio substratų, kokybė gerokai pagerėjo, o tokie įrenginiai kaip lauko efekto tranzistoriai, Schottky barjeriniai ultravioletiniai detektoriai, mėlynai žalios spalvos šviesos diodai ir ultravioletiniai lazeriai padarė didelę pažangą.
Apibendrinant galima pasakyti, kad kadangi dažniausiai naudojami GaN epitaksiniai substratai yra nevienalytės epitaksijos, jie visi susiduria su įprastomis problemomis, tokiomis kaip grotelių neatitikimas ir dideli įvairaus laipsnio šiluminio plėtimosi koeficientų skirtumai. Homogeninius epitaksinius GaN substratus riboja technologijos branda, o substratai dar nebuvo masiškai gaminami. Gamybos kaina yra didelė, substrato dydis yra mažas, o substrato kokybė nėra ideali. Naujų GaN epitaksinių substratų kūrimas ir epitaksinės kokybės gerinimas vis dar yra vienas iš svarbių veiksnių, ribojančių tolesnę GaN epitaksinės pramonės plėtrą.
IV. Įprasti GaN epitaksijos metodai
MOCVD (cheminis nusodinimas garais)
Atrodo, kad homogeninė epitaksija ant GaN substratų yra geriausias GaN epitaksijos pasirinkimas. Tačiau kadangi cheminio garų nusodinimo pirmtakai yra trimetilgalis ir amoniakas, o nešančiosios dujos yra vandenilis, tipinė MOCVD augimo temperatūra yra apie 1000–1100 ℃, o MOCVD augimo greitis yra apie kelis mikronus per valandą. Jis gali sukurti stačias sąsajas atominiu lygmeniu, o tai labai tinka heterosandūroms, kvantinėms šuliniams, supergardelėms ir kitoms struktūroms auginti. Pramoninėje gamyboje dažnai naudojamas jo greitas augimo tempas, geras vienodumas ir tinkamumas didelio ploto ir kelių dalių auginimui.
MBE (molekulinio pluošto epitaksija)
Molekulinio pluošto epitaksijoje Ga naudoja elementinį šaltinį, o aktyvusis azotas gaunamas iš azoto per RF plazmą. Palyginti su MOCVD metodu, MBE augimo temperatūra yra apie 350-400 ℃ žemesnė. Žemesnė augimo temperatūra gali išvengti tam tikros taršos, kurią gali sukelti aukštos temperatūros aplinka. MBE sistema veikia esant itin dideliam vakuumui, o tai leidžia integruoti daugiau in situ aptikimo metodų. Tuo pačiu metu jo augimo tempas ir gamybos pajėgumai negali būti lyginami su MOCVD, todėl jis labiau naudojamas moksliniuose tyrimuose [7].
5 pav. (a) Eiko-MBE schema (b) MBE pagrindinės reakcijos kameros schema
HVPE metodas (hidrido garų fazės epitaksija)
Hidrido garų fazės epitaksijos metodo pirmtakai yra GaCl3 ir NH3. Detchprohm ir kt. naudojo šį metodą šimtų mikronų storio GaN epitaksiniam sluoksniui išauginti ant safyro substrato paviršiaus. Jų eksperimente ZnO sluoksnis buvo auginamas tarp safyro substrato ir epitaksinio sluoksnio kaip buferinis sluoksnis, o epitaksinis sluoksnis buvo nuluptas nuo substrato paviršiaus. Palyginti su MOCVD ir MBE, pagrindinis HVPE metodo bruožas yra didelis augimo greitis, tinkantis storų sluoksnių ir birių medžiagų gamybai. Tačiau kai epitaksinio sluoksnio storis viršija 20 μm, šiuo metodu pagamintas epitaksinis sluoksnis yra linkęs įtrūkti.
Akira USUI pristatė raštuoto substrato technologiją, pagrįstą šiuo metodu. Pirmiausia jie išaugino ploną 1–1,5 μm storio GaN epitaksinį sluoksnį ant safyro substrato, naudodami MOCVD metodą. Epitaksinį sluoksnį sudarė 20 nm storio GaN buferinis sluoksnis, auginamas žemoje temperatūroje, ir GaN sluoksnis, auginamas aukštoje temperatūroje. Tada, esant 430 ℃, ant epitaksinio sluoksnio paviršiaus buvo padengtas SiO2 sluoksnis, o ant SiO2 plėvelės fotolitografijos būdu padarytos langų juostelės. Atstumas tarp juostelių buvo 7 μm, o kaukės plotis svyravo nuo 1 μm iki 4 μm. Po šio patobulinimo jie gavo GaN epitaksinį sluoksnį ant 2 colių skersmens safyro pagrindo, kuris buvo be įtrūkimų ir lygus kaip veidrodis, net kai storis padidėjo iki dešimčių ar net šimtų mikronų. Defektų tankis sumažintas nuo 109-1010 cm-2 tradiciniu HVPE metodu iki maždaug 6 × 107 cm-2. Eksperimente jie taip pat nurodė, kad kai augimo greitis viršija 75 μm/h, mėginio paviršius taps grubus[8].
6 pav. Grafinio pagrindo schema
V. Santrauka ir perspektyva
GaN medžiagos pradėjo atsirasti 2014 m., kai mėlynos šviesos šviesos diodas tais metais laimėjo Nobelio fizikos premiją ir pateko į visuomenės greito įkrovimo taikymo sritį buitinės elektronikos srityje. Tiesą sakant, tyliai atsirado ir 5G bazinėse stotyse naudojamų galios stiprintuvų ir radijo dažnių įrenginių, kurių dauguma žmonių nemato, programos. Tikimasi, kad pastaraisiais metais GaN pagrindu pagamintų automobilinių maitinimo įrenginių proveržis atvers naujų GaN medžiagų pritaikymo rinkos augimo taškų.
Didžiulė rinkos paklausa tikrai paskatins su GaN susijusių pramonės šakų ir technologijų plėtrą. Subrendus ir tobulėjant su GaN susijusiai pramonės grandinei, problemos, su kuriomis susiduria dabartinė GaN epitaksinė technologija, galiausiai bus patobulintos arba įveiktos. Ateityje žmonės neabejotinai sukurs daugiau naujų epitaksinių technologijų ir daugiau puikių substrato variantų. Iki to laiko žmonės galės pasirinkti tinkamiausią išorinių tyrimų technologiją ir substratą skirtingiems taikymo scenarijams pagal taikymo scenarijų ypatybes ir gaminti konkurencingiausius pritaikytus produktus.
Paskelbimo laikas: 2024-06-28