1. Полупроводници од трета генерација
Првата генерација на полупроводничка технологија беше развиена врз основа на полупроводнички материјали како што се Si и Ge. Тоа е материјална основа за развој на транзистори и технологија за интегрирано коло. Полупроводничките материјали од првата генерација ги поставија темелите на електронската индустрија во 20 век и се основни материјали за технологијата на интегрирани кола.
Полупроводничките материјали од втората генерација главно вклучуваат галиум арсенид, индиум фосфид, галиум фосфид, индиум арсенид, алуминиум арсенид и нивни тројни соединенија. Полупроводничките материјали од втората генерација се основата на индустријата за оптоелектронски информации. Врз основа на ова, развиени се сродни индустрии како што се осветлување, дисплеј, ласер и фотоволтаици. Тие се широко користени во современата информатичка технологија и индустријата за оптоелектронски дисплеј.
Репрезентативните материјали на полупроводничките материјали од третата генерација вклучуваат галиум нитрид и силициум карбид. Поради нивната широка јаз на опсегот, високата брзина на движење на заситеноста на електроните, високата топлинска спроводливост и високата јачина на полето на распаѓање, тие се идеални материјали за подготовка на електронски уреди со висока густина, висока фреквенција и мала загуба. Меѓу нив, уредите за моќност од силициум карбид ги имаат предностите на високата густина на енергија, ниската потрошувачка на енергија и малата големина и имаат широки можности за примена во возилата со нова енергија, фотоволтаици, железнички транспорт, големи податоци и други полиња. RF уредите со галиум нитрид ги имаат предностите на висока фреквенција, висока моќност, широк опсег, мала потрошувачка на енергија и мала големина и имаат широки можности за примена во 5G комуникациите, Интернет на нештата, воен радар и други полиња. Покрај тоа, уредите за напојување базирани на галиум нитрид се широко користени во полето со низок напон. Дополнително, во последниве години, новите материјали од галиум оксид се очекува да формираат техничка комплементарност со постоечките SiC и GaN технологии и да имаат потенцијални изгледи за примена во полињата со ниска фреквенција и висок напон.
Во споредба со полупроводничките материјали од втората генерација, полупроводничките материјали од третата генерација имаат поширока ширина на бендот (широчината на бендот на Si, типичен материјал на полупроводничкиот материјал од првата генерација, е околу 1,1 eV, ширината на пропустот на GaAs, типична материјалот на полупроводничкиот материјал од втората генерација е околу 1,42eV, а ширината на бендот од GaN, типичен материјал на полупроводничкиот материјал од третата генерација, е над 2,3eV), посилен отпор на радијација, посилен отпор на распаѓање на електричното поле и отпорност на повисока температура. Полупроводничките материјали од третата генерација со поширока ширина на бендот се особено погодни за производство на електронски уреди отпорни на зрачење, висока фреквенција, моќност и висока интеграција со густина. Нивните апликации во микробранови радиофреквенциски уреди, LED диоди, ласери, уреди за напојување и други полиња привлекоа големо внимание, и тие покажаа широки изгледи за развој во мобилните комуникации, паметните мрежи, железничкиот транзит, возилата со нова енергија, потрошувачката електроника и ултравиолетовите и сините - уреди за зелено светло [1].
Извор на слика: CASA, Институт за истражување на хартии од вредност Zheshang
Слика 1 Временска скала и прогноза на GaN моќниот уред
II ГаН структура и карактеристики на материјалот
GaN е полупроводник со директен пропуст. Ширината на бендот на структурата на вурцит на собна температура е околу 3,26eV. Материјалите GaN имаат три главни кристални структури, имено вурцитска структура, структура на сфалерит и структура на камена сол. Меѓу нив, структурата на вурцит е најстабилна кристална структура. Слика 2 е дијаграм на хексагоналната вурцит структура на GaN. Вурцитната структура на материјалот GaN припаѓа на хексагонална блиско спакувана структура. Секоја единица ќелија има 12 атоми, вклучувајќи 6 атоми N и 6 атоми Ga. Секој Ga (N) атом формира врска со 4-те најблиски N (Ga) атоми и е наредени по редоследот на ABABAB… долж [0001] насока [2].
Слика 2 Дијаграм на кристални клетки на Вурцит GaN
III Најчесто користени супстрати за GaN епитаксија
Се чини дека хомогена епитаксија на GaN подлоги е најдобриот избор за GaN епитаксијата. Сепак, поради големата енергија на врската на GaN, кога температурата ќе достигне точка на топење од 2500℃, нејзиниот соодветен притисок на распаѓање е околу 4,5 GPa. Кога притисокот на распаѓање е помал од овој притисок, GaN не се топи, туку директно се распаѓа. Ова ги прави технологиите за подготовка на зрели супстрати, како што е методот Czochralski, несоодветни за подготовка на монокристални подлоги GaN, што ги прави GaN подлогите тешки за масовно производство и скапи. Затоа, супстратите кои вообичаено се користат во епитаксиалниот раст на GaN се главно Si, SiC, сафир, итн. [3].
Графикон 3 GaN и параметри на најчесто користените материјали за подлогата
GaN епитаксија на сафир
Сафирот има стабилни хемиски својства, е евтин и има висока зрелост на голема производствена индустрија. Затоа, тој стана еден од најраните и најшироко користени материјали за подлоги во инженерството на полупроводнички уреди. Како еден од најчесто користените супстрати за GaN епитаксијата, главните проблеми што треба да се решат за подлогите од сафир се:
✔ Поради големата неусогласеност на решетки помеѓу сафирот (Al2O3) и GaN (околу 15%), густината на дефектот на интерфејсот помеѓу епитаксијалниот слој и подлогата е многу висока. Со цел да се намалат неговите негативни ефекти, подлогата мора да биде подложена на комплексен предтретман пред да започне процесот на епитаксијата. Пред да се одгледува GaN епитаксија на подлоги од сафир, површината на подлогата прво мора строго да се исчисти за да се отстранат загадувачите, преостанатите оштетувања од полирање итн., и да се создадат скали и скали површински структури. Потоа, површината на подлогата се нитридира за да се променат својствата на влажнење на епитаксијалниот слој. Конечно, тенок тампон слој AlN (обично дебел 10-100 nm) треба да се депонира на површината на подлогата и да се закова на ниска температура за да се подготви за конечниот епитаксијален раст. И покрај тоа, густината на дислокација во епитаксијалните филмови GaN израснати на подлоги од сафир е сè уште повисока од онаа на хомоепитаксијалните филмови (околу 1010 cm-2, во споредба со суштински нула густина на дислокација во силиконските хомоепитаксијални филмови или галиум арсенидните хомоепитаксијални филмови, или помеѓу 1010 cm 2). Поголемата густина на дефектот ја намалува подвижноста на носачот, а со тоа го скратува животниот век на малцинските носачи и ја намалува топлинската спроводливост, а сето тоа ќе ги намали перформансите на уредот [4];
✔ Коефициентот на термичка експанзија на сафирот е поголем од оној на GaN, така што ќе се генерира биаксијален притисок на притисок во епитаксијалниот слој за време на процесот на ладење од температурата на таложење до собна температура. За подебели епитаксијални филмови, овој стрес може да предизвика пукање на филмот или дури и на подлогата;
✔ Во споредба со другите подлоги, топлинската спроводливост на подлогите од сафир е помала (околу 0,25W*cm-1*K-1 на 100℃), а перформансите на дисипација на топлина се слаби;
✔ Поради слабата спроводливост, подлогите од сафир не се погодни за нивна интеграција и примена со други полупроводнички уреди.
Иако густината на дефектот на епитаксијалните слоеви GaN одгледувани на подлогите од сафир е висока, се чини дека не ги намалува значително оптоелектронските перформанси на сино-зелените LED диоди базирани на GaN, така што подлогите од сафир сè уште се најчесто користени подлоги за LED диоди базирани на GaN.
Со развојот на повеќе нови апликации на GaN уредите како што се ласери или други уреди со моќност со висока густина, вродените дефекти на подлогите од сафир сè повеќе стануваат ограничување за нивната примена. Дополнително, со развојот на технологијата за раст на подлогата SiC, намалувањето на трошоците и зрелоста на епитаксијалната технологија GaN на подлогите Si, повеќе истражувања за растечките епитаксијални слоеви GaN на подлогите од сафир постепено покажаа тренд на ладење.
GaN епитаксија на SiC
Во споредба со сафирот, подлогите SiC (4H- и 6H-кристали) имаат помало несовпаѓање на решетки со GaN епитаксијалните слоеви (3,1%, што е еквивалентно на [0001] ориентирани епитаксијални филмови), повисока топлинска спроводливост (околу 3,8W*cm-1*K -1), итн. Покрај тоа, спроводливоста на подлогите на SiC овозможува и електрични контакти да да се направи на задниот дел од подлогата, што помага да се поедностави структурата на уредот. Постоењето на овие предности привлече сè повеќе истражувачи да работат на епитаксијата GaN на супстрати од силициум карбид.
Меѓутоа, работата директно на подлогите на SiC за да се избегне растење на епислојот на GaN, исто така, се соочува со низа недостатоци, вклучувајќи го следново:
✔ Грубоста на површината на подлогите од SiC е многу поголема од онаа на подлогите од сафир (рапавост на сафир 0,1 nm RMS, грубост на SiC 1 nm RMS), подлогите на SiC имаат висока цврстина и слаби перформанси на обработка, а оваа грубост и преостанатото оштетување на полирањето се исто така едно од извори на дефекти во епислоите GaN.
✔ Густината на дислокација на завртките на подлогите на SiC е висока (густина на дислокација 103-104cm-2), дислокациите на завртките може да се пропагираат до епислојот GaN и да ги намалат перформансите на уредот;
✔ Атомскиот распоред на површината на подлогата предизвикува формирање на дефекти на натрупување (BSF) во епислојот GaN. За епитаксијален GaN на SiC подлоги, постојат повеќекратни можни атомски распореди на подлогата, што резултира со неконзистентен почетен атомски редослед на натрупување на епитаксијалниот GaN слој на неа, кој е склон кон дефекти на натрупување. Грешките на натрупување (SF) воведуваат вградени електрични полиња долж оската c, што доведува до проблеми како што е истекување на уредите за одвојување на носачот во рамнина;
✔ Коефициентот на термичка експанзија на подлогата SiC е помал од оној на AlN и GaN, што предизвикува акумулација на термички стрес помеѓу епитаксијалниот слој и подлогата за време на процесот на ладење. Валтерајт и Бренд предвиделе врз основа на нивните резултати од истражувањето дека овој проблем може да се ублажи или реши со растење на епитаксијалните слоеви GaN на тенки, кохерентно затегнати слоеви на нуклеација на AlN;
✔ Проблемот со слабата влажност на атомите на Ga. Кога расте GaN епитаксијалните слоеви директно на површината на SiC, поради слабата влажност помеѓу двата атома, GaN е склон кон раст на 3D остров на површината на подлогата. Воведувањето на тампон слој е најчесто користеното решение за подобрување на квалитетот на епитаксијалните материјали во епитаксијата GaN. Воведувањето на тампон слој AlN или AlxGa1-xN може ефективно да ја подобри влажноста на површината на SiC и да направи епитаксиалниот слој GaN да расте во две димензии. Дополнително, може да го регулира стресот и да ги спречи дефектите на подлогата да се прошират до епитаксијата на GaN;
✔ Технологијата на подготовка на подлогите SiC е незрела, цената на подлогата е висока, а има малку добавувачи и мала понуда.
Истражувањето на Торес и сор. покажува дека гравирањето на подлогата SiC со H2 на висока температура (1600°C) пред епитаксијата може да произведе поуредена структура на чекори на површината на подлогата, со што се добива поквалитетен AlN епитаксијален филм отколку кога е директно расте на оригиналната површина на подлогата. Истражувањето на Кси и неговиот тим, исто така, покажува дека предтретманот со офорт на супстратот од силициум карбид може значително да ја подобри морфологијата на површината и квалитетот на кристалот на епитаксијалниот слој GaN. Смит и сор. откриле дека дислокациите на навојот што потекнуваат од интерфејсите на супстрат/тампон слој и тампон слој/епитаксијален слој се поврзани со плошноста на подлогата [5].
Слика 4 TEM морфологија на примероците на епитаксијалниот слој GaN одгледувани на 6H-SiC супстрат (0001) под различни услови за површинска обработка (а) хемиско чистење; (б) хемиско чистење + третман со водородна плазма; (в) хемиско чистење + третман со водородна плазма + 1300℃ водородна термичка обработка за 30 мин
GaN епитаксија на Si
Во споредба со силициум карбид, сафир и други супстрати, процесот на подготовка на силиконската подлога е зрел и може стабилно да обезбеди зрели подлоги со големи димензии со високи перформанси. Во исто време, топлинската спроводливост и електричната спроводливост се добри, а процесот на електронски уред Si е зрел. Можноста за совршено интегрирање на оптоелектронските GaN уреди со Si електронски уреди во иднина, исто така, го прави растот на епитаксијата GaN на силикон многу привлечен.
Сепак, поради големата разлика во константите на решетка помеѓу подлогата Si и материјалот GaN, хетерогената епитаксија на GaN на подлогата Si е типична епитаксија на големо несовпаѓање, а исто така треба да се соочи со низа проблеми:
✔ Енергетски проблем на површинскиот интерфејс. Кога GaN расте на подлогата Si, површината на подлогата Si прво ќе се нитридира за да се формира аморфен слој од силициум нитрид кој не е погодна за нуклеација и раст на GaN со висока густина. Покрај тоа, површината на Si прво ќе контактира со Ga, што ќе ја кородира површината на подлогата Si. При високи температури, распаѓањето на површината на Si ќе се дифундира во епитаксијалниот слој GaN за да формира црни силиконски дамки.
✔ Неусогласеноста на константната решетка помеѓу GaN и Si е голема (~17%), што ќе доведе до формирање на дислокации на навој со висока густина и значително ќе го намали квалитетот на епитаксиалниот слој;
✔ Во споредба со Si, GaN има поголем коефициент на термичка експанзија (коефициентот на термичка експанзија на GaN е околу 5,6×10-6K-1, коефициентот на термичка експанзија на Si е околу 2,6×10-6K-1), а може да се генерираат пукнатини во GaN епитаксијален слој за време на ладењето на епитаксијалната температура до собна температура;
✔ Si реагира со NH3 на високи температури за да формира поликристален SiNx. AlN не може да формира преференцијално ориентирано јадро на поликристалниот SiNx, што доведува до нарушена ориентација на последователно растечкиот слој GaN и голем број дефекти, што резултира со слаб кристален квалитет на епитаксиалниот слој GaN, па дури и тешкотии во формирањето на еднокристален GaN епитаксијален слој [6].
Со цел да се реши проблемот со големата несовпаѓање на решетки, истражувачите се обидоа да воведат материјали како AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO и SiC како тампон слоеви на подлогите на Si. Со цел да се избегне формирање на поликристален SiNx и да се намалат неговите негативни ефекти врз кристалниот квалитет на материјалите GaN/AlN/Si (111), обично се бара TMAl да се воведе одреден временски период пред епитаксиалниот раст на тампон слојот AlN за да се спречи NH3 да реагира со изложената површина на Si и да формира SiNx. Дополнително, епитаксијалните технологии како што е технологијата на подлогата со шаблони може да се користат за подобрување на квалитетот на епитаксијалниот слој. Развојот на овие технологии помага да се инхибира формирањето на SiNx на епитаксијалниот интерфејс, да се промовира дводимензионалниот раст на епитаксијалниот слој GaN и да се подобри квалитетот на растот на епитаксијалниот слој. Дополнително, се воведува тампон слој AlN за да се компензира напрегањето на истегнување предизвикано од разликата во коефициентите на термичка експанзија за да се избегнат пукнатини во епитаксиалниот слој GaN на силициумската подлога. Истражувањето на Крост покажува дека постои позитивна корелација помеѓу дебелината на тампон слојот AlN и намалувањето на напрегањето. Кога дебелината на тампон слојот ќе достигне 12 nm, епитаксијален слој подебел од 6μm може да се одгледува на силициумска подлога преку соодветна шема на раст без пукање на епитаксијалниот слој.
По долгорочни напори на истражувачите, квалитетот на епитаксијалните слоеви GaN одгледувани на силиконски подлоги е значително подобрен, а уредите како што се транзистори со ефект на поле, ултравиолетови детектори со бариера Шотки, сино-зелени LED диоди и ултравиолетови ласери постигнаа значителен напредок.
Накратко, бидејќи најчесто користените GaN епитаксијални подлоги се сите хетерогени епитаксии, сите тие се соочуваат со заеднички проблеми како што се неусогласеност на решетки и големи разлики во коефициентите на термичка експанзија до различни степени. Хомогените епитаксијални GaN подлоги се ограничени од зрелоста на технологијата, а подлогите сè уште не се масовно произведени. Трошоците за производство се високи, големината на подлогата е мала, а квалитетот на подлогата не е идеален. Развојот на нови GaN епитаксијални подлоги и подобрувањето на епитаксијалниот квалитет сè уште се еден од важните фактори што го ограничуваат понатамошниот развој на епитаксијалната индустрија GaN.
IV. Вообичаени методи за GaN епитаксија
MOCVD (хемиско таложење на пареа)
Се чини дека хомогена епитаксија на GaN подлоги е најдобриот избор за GaN епитаксијата. Сепак, бидејќи прекурсорите на хемиското таложење на пареа се триметилгалиум и амонијак, а гасот-носител е водород, типичната температура на раст на MOCVD е околу 1000-1100℃, а стапката на раст на MOCVD е околу неколку микрони на час. Може да произведе стрмни интерфејси на атомско ниво, што е многу погодно за растење на хетероспојки, квантни бунари, суперрешетки и други структури. Неговата брза стапка на раст, добрата униформност и соодветноста за раст на големи површини и повеќе делови често се користат во индустриското производство.
MBE (епитаксија на молекуларен зрак)
Во епитаксијата со молекуларен зрак, Ga користи елементарен извор, а активниот азот се добива од азот преку RF плазма. Во споредба со методот MOCVD, температурата на раст на MBE е околу 350-400℃ пониска. Пониската температура на раст може да избегне одредено загадување што може да биде предизвикано од средини со висока температура. Системот MBE работи под ултра висок вакуум, што му овозможува да интегрира повеќе методи за откривање in-situ. Во исто време, неговата стапка на раст и производствен капацитет не може да се споредат со MOCVD, а повеќе се користи во научните истражувања [7].
Слика 5 (а) Шема на Eiko-MBE (б) Шема на комората за главна реакција на MBE
HVPE метод (хидридна пареа фаза епитаксија)
Претходниците на методот на епитаксија на хидридната пареа фаза се GaCl3 и NH3. Дечпром и сор. го користел овој метод за да расте GaN епитаксијален слој дебел стотици микрони на површината на подлогата од сафир. Во нивниот експеримент, слој од ZnO беше одгледуван помеѓу подлогата од сафир и епитаксијалниот слој како тампон слој, а епитаксијалниот слој беше излупен од површината на подлогата. Во споредба со MOCVD и MBE, главната карактеристика на методот HVPE е неговата висока стапка на раст, која е погодна за производство на дебели слоеви и рефус материјали. Меѓутоа, кога дебелината на епитаксијалниот слој надминува 20μm, епитаксијалниот слој произведен со овој метод е подложен на пукнатини.
Akira USUI воведе технологија на подлога со шаблони базирана на овој метод. Тие прво израснале тенок епитаксијален слој GaN со дебелина од 1-1,5 μm на подлога од сафир користејќи го методот MOCVD. Епитаксијалниот слој се состоеше од тампон слој GaN со дебелина од 20 nm одгледуван во услови на ниска температура и слој GaN расте во услови на висока температура. Потоа, на 430 ℃, слој од SiO2 беше обложен на површината на епитаксијалниот слој, а на филмот SiO2 беа направени прозорски ленти со фотолитографија. Растојанието на лентите беше 7μm, а ширината на маската се движеше од 1μm до 4μm. По ова подобрување, тие добија епитаксијален слој GaN на подлога од сафир со дијаметар од 2 инчи, без пукнатини и мазна како огледало дури и кога дебелината се зголеми на десетици или дури стотици микрони. Густината на дефектот беше намалена од 109-1010cm-2 од традиционалниот HVPE метод на околу 6×107cm-2. Тие, исто така, истакнаа во експериментот дека кога стапката на раст ќе надмине 75 μm/h, површината на примерокот ќе стане груба[8].
Слика 6 Графичка шема на подлогата
V. Резиме и изглед
Материјалите на GaN почнаа да се појавуваат во 2014 година кога ЛЕР со сина светлина ја доби Нобеловата награда за физика таа година и влезе во полето на јавноста за апликации за брзо полнење во полето за потрошувачка електроника. Всушност, тивко се појавија и апликациите во засилувачите за напојување и RF уредите што се користат во базните станици 5G што повеќето луѓе не можат да ги видат. Во последниве години, пробивот на енергетските уреди од автомобилска класа базирани на GaN се очекува да отвори нови точки на раст за пазарот на апликации за материјали GaN.
Огромната побарувачка на пазарот сигурно ќе го промовира развојот на индустриите и технологиите поврзани со GaN. Со зрелоста и подобрувањето на индустрискиот синџир поврзан со GaN, проблемите со кои се соочува сегашната епитаксијална технологија GaN на крајот ќе се подобрат или надминат. Во иднина, луѓето сигурно ќе развијат повеќе нови епитаксијални технологии и повеќе одлични опции за подлогата. Дотогаш, луѓето ќе можат да ја изберат најсоодветната надворешна технологија за истражување и супстрат за различни сценарија за примена според карактеристиките на сценаријата на апликацијата и да произведуваат најконкурентни приспособени производи.
Време на објавување: 28.06.2024