Tredje generasjons halvleder GaN og relatert epitaksial teknologi kort introduksjon

1. Tredje generasjons halvledere

Førstegenerasjons halvlederteknologi ble utviklet basert på halvledermaterialer som Si og Ge. Det er det materielle grunnlaget for utviklingen av transistorer og integrert kretsteknologi. Førstegenerasjons halvledermaterialer la grunnlaget for den elektroniske industrien på 1900-tallet og er basismaterialene for integrert kretsteknologi.

Andregenerasjons halvledermaterialer inkluderer hovedsakelig galliumarsenid, indiumfosfid, galliumfosfid, indiumarsenid, aluminiumarsenid og deres ternære forbindelser. Andregenerasjons halvledermaterialer er grunnlaget for den optoelektroniske informasjonsindustrien. På dette grunnlaget er relaterte bransjer som belysning, display, laser og solceller utviklet. De er mye brukt i moderne informasjonsteknologi og optoelektronisk skjermindustri.

Representative materialer av tredjegenerasjons halvledermaterialer inkluderer galliumnitrid og silisiumkarbid. På grunn av deres brede båndgap, høye elektronmetningsdrifthastighet, høy termisk ledningsevne og høy nedbrytningsfeltstyrke, er de ideelle materialer for å lage elektroniske enheter med høy effekttetthet, høyfrekvente og lavt tap. Blant dem har silisiumkarbidkraftenheter fordelene med høy energitetthet, lavt energiforbruk og liten størrelse, og har brede bruksmuligheter i nye energikjøretøyer, solcelleanlegg, jernbanetransport, big data og andre felt. Galliumnitrid RF-enheter har fordelene med høy frekvens, høy effekt, bred båndbredde, lavt strømforbruk og liten størrelse, og har brede bruksmuligheter innen 5G-kommunikasjon, tingenes internett, militær radar og andre felt. I tillegg har galliumnitrid-baserte kraftenheter blitt mye brukt i lavspentfeltet. I tillegg, de siste årene, forventes nye galliumoksidmaterialer å danne teknisk komplementaritet med eksisterende SiC- og GaN-teknologier, og ha potensielle bruksutsikter i lavfrekvente og høyspente felt.

Sammenlignet med andregenerasjons halvledermaterialer har tredjegenerasjons halvledermaterialer bredere båndgapbredde (båndgapbredden til Si, et typisk materiale av førstegenerasjons halvledermateriale, er ca. 1,1eV, båndgapbredden til GaAs, en typisk materialet av andre generasjons halvledermateriale, er omtrent 1,42 eV, og båndgapet bredde av GaN, et typisk materiale av tredjegenerasjons halvledermateriale, er over 2,3eV), sterkere strålingsmotstand, sterkere motstand mot elektrisk feltnedbrytning og høyere temperaturmotstand. Tredje generasjons halvledermaterialer med bredere båndgapbredde er spesielt egnet for produksjon av strålingsbestandige, høyfrekvente elektroniske enheter med høy effekt og høy integrasjonstetthet. Deres applikasjoner innen mikrobølgeradiofrekvensenheter, lysdioder, lasere, kraftenheter og andre felt har vakt mye oppmerksomhet, og de har vist brede utviklingsmuligheter innen mobilkommunikasjon, smarte nett, jernbanetransport, nye energikjøretøyer, forbrukerelektronikk og ultrafiolett og blått -grønt lys enheter [1].

Bildekilde: CASA, Zheshang Securities Research Institute

Figur 1 GaN kraftenhet tidsskala og prognose

II GaN materialstruktur og egenskaper

GaN er en direkte båndgap-halvleder. Båndgapbredden til wurtzittstrukturen ved romtemperatur er omtrent 3,26 eV. GaN-materialer har tre hovedkrystallstrukturer, nemlig wurtzittstruktur, sfalerittstruktur og steinsaltstruktur. Blant dem er wurtzittstrukturen den mest stabile krystallstrukturen. Figur 2 er et diagram av den sekskantede wurtzittstrukturen til GaN. Wurtzittstrukturen til GaN-materiale tilhører en sekskantet tettpakket struktur. Hver enhetscelle har 12 atomer, inkludert 6 N-atomer og 6 Ga-atomer. Hvert Ga (N)-atom danner en binding med de 4 nærmeste N (Ga)-atomene og er stablet i rekkefølgen ABABAB... langs [0001]-retningen [2].

Figur 2 Wurtzite struktur GaN krystallcellediagram

III Vanlig brukte substrater for GaN-epitaksi

Det ser ut til at homogen epitaksi på GaN-substrater er det beste valget for GaN-epitaksi. Men på grunn av den store bindingsenergien til GaN, når temperaturen når smeltepunktet på 2500 ℃, er dets tilsvarende nedbrytningstrykk omtrent 4,5 GPa. Når dekomponeringstrykket er lavere enn dette trykket, smelter ikke GaN, men brytes ned direkte. Dette gjør modne substratprepareringsteknologier som Czochralski-metoden uegnet for fremstilling av GaN enkeltkrystallsubstrater, noe som gjør GaN-substrater vanskelige å masseprodusere og kostbare. Derfor er substratene som vanligvis brukes i GaN epitaksial vekst hovedsakelig Si, SiC, safir, etc. [3].

Figur 3 GaN og parametere for ofte brukte substratmaterialer

GaN epitaksy på safir

Sapphire har stabile kjemiske egenskaper, er billig og har høy modenhet av storskala produksjonsindustri. Derfor har det blitt et av de tidligste og mest brukte substratmaterialene i konstruksjon av halvlederenheter. Som et av de ofte brukte substratene for GaN-epitaksi, er hovedproblemene som må løses for safirsubstrater:

✔ På grunn av det store gittermisforholdet mellom safir (Al2O3) og GaN (ca. 15%), er defekttettheten ved grensesnittet mellom epitaksiallaget og underlaget svært høy. For å redusere dets uheldige effekter, må substratet utsettes for kompleks forbehandling før epitaksiprosessen starter. Før man dyrker GaN-epitaksi på safirunderlag, må substratoverflaten først rengjøres grundig for å fjerne forurensninger, gjenværende poleringsskader, etc., og for å produsere trinn og trinnoverflatestrukturer. Deretter nitreres substratoverflaten for å endre fuktingsegenskapene til det epitaksiale laget. Til slutt må et tynt AlN-bufferlag (vanligvis 10-100 nm tykt) avsettes på substratoverflaten og glødes ved lav temperatur for å forberede den endelige epitaksiale veksten. Likevel er dislokasjonstettheten i GaN epitaksiale filmer dyrket på safirsubstrater fortsatt høyere enn for homoepitaksiale filmer (omtrent 1010 cm-2, sammenlignet med i hovedsak null dislokasjonstetthet i homoepitaksiale silisiumfilmer eller galliumarsenid homoepitaksiale filmer, eller mellom 1040 cm2) 2). Den høyere defekttettheten reduserer bærerens mobilitet, og forkorter derved minoritetsbærerens levetid og reduserer termisk ledningsevne, noe som alt vil redusere enhetens ytelse [4];

✔ Den termiske ekspansjonskoeffisienten til safir er større enn for GaN, så biaksial trykkspenning vil bli generert i epitaksiallaget under prosessen med avkjøling fra avsetningstemperatur til romtemperatur. For tykkere epitaksiale filmer kan denne spenningen forårsake sprekker i filmen eller til og med underlaget;

✔ Sammenlignet med andre underlag er den termiske ledningsevnen til safirsubstrater lavere (omtrent 0,25W*cm-1*K-1 ved 100℃), og varmeavledningsytelsen er dårlig;

✔ På grunn av dens dårlige ledningsevne, bidrar ikke safirsubstrater til integrering og bruk med andre halvlederenheter.

Selv om defekttettheten til GaN epitaksiale lag dyrket på safirsubstrater er høy, ser det ikke ut til å redusere den optoelektroniske ytelsen til GaN-baserte blågrønne lysdioder betydelig, så safirsubstrater er fortsatt ofte brukte underlag for GaN-baserte lysdioder.

Med utviklingen av flere nye bruksområder for GaN-enheter som lasere eller andre kraftenheter med høy tetthet, har de iboende defektene til safirsubstrater i økende grad blitt en begrensning for deres anvendelse. I tillegg, med utviklingen av SiC-substratvekstteknologi, kostnadsreduksjon og modenhet av GaN-epitaksialteknologi på Si-substrater, har mer forskning på dyrking av GaN-epitaksiale lag på safirsubstrater gradvis vist en avkjølende trend.

GaN-epitaksi på SiC

Sammenlignet med safir har SiC-substrater (4H- og 6H-krystaller) en mindre gittermismatch med GaN epitaksiale lag (3,1 %, tilsvarende [0001] orienterte epitaksiale filmer), høyere varmeledningsevne (ca. 3,8W*cm-1*K) -1), etc. I tillegg tillater ledningsevnen til SiC-substrater også elektriske kontakter laget på baksiden av underlaget, noe som bidrar til å forenkle enhetsstrukturen. Eksistensen av disse fordelene har tiltrukket flere og flere forskere til å jobbe med GaN-epitaksi på silisiumkarbidsubstrater.

Å jobbe direkte på SiC-substrater for å unngå å vokse GaN-epilayer har imidlertid også en rekke ulemper, inkludert følgende:

✔ Overflateruheten til SiC-substrater er mye høyere enn for safirsubstrater (safirruhet 0,1nm RMS, SiC-ruhet 1nm RMS), SiC-substrater har høy hardhet og dårlig bearbeidingsytelse, og denne ruheten og gjenværende poleringsskade er også en av de kilder til defekter i GaN epilag.

✔ Skruedislokasjonstettheten til SiC-substrater er høy (dislokasjonstetthet 103-104cm-2), skruedislokasjoner kan forplante seg til GaN-epilaget og redusere enhetens ytelse;

✔ Atomarrangementet på substratoverflaten induserer dannelsen av stablingsfeil (BSF) i GaN-epilaget. For epitaksial GaN på SiC-substrater er det flere mulige atomarrangementer på underlaget, noe som resulterer i inkonsekvent innledende atomær stablingsrekkefølge for det epitaksiale GaN-laget på det, som er utsatt for stablingsfeil. Stablingsfeil (SF-er) introduserer innebygde elektriske felt langs c-aksen, noe som fører til problemer som lekkasje av in-plane bærerseparasjonsenheter;

✔ Den termiske ekspansjonskoeffisienten til SiC-substratet er mindre enn for AlN og GaN, noe som forårsaker termisk spenningakkumulering mellom det epitaksiale laget og substratet under kjøleprosessen. Waltereit og Brand spådde basert på sine forskningsresultater at dette problemet kan lindres eller løses ved å dyrke GaN epitaksiale lag på tynne, koherent anstrengte AlN kjernedannelseslag;

✔ Problemet med dårlig fuktbarhet av Ga-atomer. Når man dyrker GaN epitaksiale lag direkte på SiC-overflaten, på grunn av den dårlige fuktbarheten mellom de to atomene, er GaN utsatt for 3D-øyvekst på substratoverflaten. Å introdusere et bufferlag er den mest brukte løsningen for å forbedre kvaliteten på epitaksiale materialer i GaN-epitaksi. Å introdusere et AlN- eller AlxGa1-xN-bufferlag kan effektivt forbedre fuktbarheten til SiC-overflaten og få GaN-epitaksiallaget til å vokse i to dimensjoner. I tillegg kan den også regulere stress og forhindre substratdefekter i å utvide seg til GaN-epitaksi;

✔ Prepareringsteknologien til SiC-substrater er umoden, substratkostnadene er høye, og det er få leverandører og lite tilbud.

Torres et al.s forskning viser at etsing av SiC-substratet med H2 ved høy temperatur (1600°C) før epitaksi kan produsere en mer ordnet trinnstruktur på substratoverflaten, og dermed oppnå en høyere kvalitet AlN epitaksial film enn når den er direkte dyrket på den opprinnelige substratoverflaten. Xie og teamets forskning viser også at etsende forbehandling av silisiumkarbidsubstratet kan forbedre overflatemorfologien og krystallkvaliteten til GaN-epitaksiallaget betydelig. Smith et al. fant at tråddislokasjoner som stammer fra grensesnittene mellom substrat/bufferlaget og bufferlag/epitaksiale lag er relatert til flatheten til substratet [5].

Figur 4 TEM-morfologi av GaN epitaksiale lagprøver dyrket på 6H-SiC-substrat (0001) under forskjellige overflatebehandlingsforhold (a) kjemisk rengjøring; (b) kjemisk rensing + hydrogenplasmabehandling; (c) kjemisk rengjøring + hydrogenplasmabehandling + 1300 ℃ hydrogenvarmebehandling i 30 minutter

GaN-epitaksi på Si

Sammenlignet med silisiumkarbid, safir og andre substrater, er silisiumsubstratprepareringsprosessen moden, og den kan stabilt gi modne substrater i stor størrelse med høy kostnadsytelse. Samtidig er den termiske ledningsevnen og den elektriske ledningsevnen god, og Si elektronisk enhetsprosessen er moden. Muligheten for perfekt integrering av optoelektroniske GaN-enheter med Si elektroniske enheter i fremtiden gjør også veksten av GaN-epitaksi på silisium veldig attraktiv.

På grunn av den store forskjellen i gitterkonstanter mellom Si-substrat og GaN-materiale, er heterogen epitaksi av GaN på Si-substrat en typisk stor mismatch-epitaksi, og den må også møte en rekke problemer:

✔ Energiproblem med overflategrensesnitt. Når GaN vokser på et Si-substrat, vil overflaten av Si-substratet først nitreres for å danne et amorft silisiumnitridlag som ikke bidrar til kjernedannelse og vekst av GaN med høy tetthet. I tillegg vil Si-overflaten først komme i kontakt med Ga, noe som vil korrodere overflaten av Si-substratet. Ved høye temperaturer vil dekomponeringen av Si-overflaten diffundere inn i GaN-epitaksiallaget for å danne svarte silisiumflekker.

✔ Gitterkonstant misforhold mellom GaN og Si er stor (~17%), noe som vil føre til dannelse av dislokasjoner med høy tetthet og redusere kvaliteten på det epitaksiale laget betydelig;

✔ Sammenlignet med Si har GaN en større termisk ekspansjonskoeffisient (GaNs termiske ekspansjonskoeffisient er omtrent 5,6×10-6K-1, Sis termiske ekspansjonskoeffisient er omtrent 2,6×10-6K-1), og sprekker kan genereres i GaN epitaksialt lag under avkjøling av epitaksialtemperaturen til romtemperatur;

✔ Si reagerer med NH3 ved høye temperaturer for å danne polykrystallinsk SiNx. AlN kan ikke danne en fortrinnsvis orientert kjerne på polykrystallinsk SiNx, noe som fører til en uordnet orientering av det senere vokste GaN-laget og et høyt antall defekter, noe som resulterer i dårlig krystallkvalitet på GaN-epitaksiallaget, og til og med vanskeligheter med å danne et enkeltkrystallinsk lag. GaN epitaksialt lag [6].

For å løse problemet med stor gittermismatch har forskere forsøkt å introdusere materialer som AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO og SiC som bufferlag på Si-substrater. For å unngå dannelsen av polykrystallinsk SiNx og redusere dets negative effekter på krystallkvaliteten til GaN/AlN/Si (111)-materialer, kreves det vanligvis at TMAl introduseres i en viss tidsperiode før epitaksial vekst av AlN-bufferlaget for å hindre NH3 i å reagere med den eksponerte Si-overflaten for å danne SiNx. I tillegg kan epitaksiale teknologier som mønstret substratteknologi brukes for å forbedre kvaliteten på det epitaksiale laget. Utviklingen av disse teknologiene bidrar til å hemme dannelsen av SiNx ved det epitaksiale grensesnittet, fremme den todimensjonale veksten av GaN-epitaksiallaget og forbedre vekstkvaliteten til det epitaksiale laget. I tillegg introduseres et AlN bufferlag for å kompensere for strekkspenningen forårsaket av forskjellen i termiske ekspansjonskoeffisienter for å unngå sprekker i GaN epitaksiallaget på silisiumsubstratet. Krosts forskning viser at det er en positiv sammenheng mellom tykkelsen på AlN-bufferlaget og reduksjonen i tøyningen. Når bufferlagtykkelsen når 12nm, kan et epitaksielt lag tykkere enn 6μm dyrkes på et silisiumsubstrat gjennom et passende vekstskjema uten at epitaksiallaget sprekker.

Etter langsiktig innsats fra forskere har kvaliteten på GaN epitaksiale lag dyrket på silisiumsubstrater blitt betydelig forbedret, og enheter som felteffekttransistorer, Schottky barriere ultrafiolette detektorer, blågrønne lysdioder og ultrafiolette lasere har gjort betydelige fremskritt.

Oppsummert, siden de ofte brukte GaN-epitaksiale substratene alle er heterogen epitaksi, står de alle overfor vanlige problemer som gittermismatch og store forskjeller i termiske ekspansjonskoeffisienter i varierende grad. Homogene epitaksiale GaN-substrater er begrenset av teknologiens modenhet, og substratene er ennå ikke masseprodusert. Produksjonskostnaden er høy, substratstørrelsen er liten, og substratkvaliteten er ikke ideell. Utviklingen av nye GaN-epitaksiale substrater og forbedringen av epitaksialkvaliteten er fortsatt en av de viktige faktorene som begrenser den videre utviklingen av GaN-epitaksialindustrien.

IV. Vanlige metoder for GaN-epitaksi

MOCVD (kjemisk dampavsetning)

Det ser ut til at homogen epitaksi på GaN-substrater er det beste valget for GaN-epitaksi. Siden forløperne for kjemisk dampavsetning er trimetylgallium og ammoniakk, og bæregassen er hydrogen, er den typiske MOCVD-veksttemperaturen omtrent 1000-1100 ℃, og veksthastigheten til MOCVD er omtrent noen få mikron per time. Den kan produsere bratte grensesnitt på atomnivå, som er veldig egnet for dyrking av heterojunctions, kvantebrønner, supergitter og andre strukturer. Dens raske veksthastighet, gode ensartethet og egnethet for vekst med store arealer og flere deler brukes ofte i industriell produksjon.
MBE (molekylær stråleepitaksi)
I molekylær stråleepitaksi bruker Ga en elementær kilde, og aktivt nitrogen oppnås fra nitrogen gjennom RF-plasma. Sammenlignet med MOCVD-metoden er MBE-veksttemperaturen omtrent 350-400 ℃ lavere. Den lavere veksttemperaturen kan unngå viss forurensning som kan være forårsaket av høytemperaturmiljøer. MBE-systemet opererer under ultrahøyt vakuum, noe som gjør at det kan integrere flere in-situ deteksjonsmetoder. Samtidig kan dens vekstrate og produksjonskapasitet ikke sammenlignes med MOCVD, og ​​den brukes mer i vitenskapelig forskning [7].

Figur 5 (a) Eiko-MBE skjematisk (b) MBE hovedreaksjonskammer skjematisk

HVPE-metode (hydriddampfase-epitaksi)

Forløperne til hydriddampfase-epitaksimetoden er GaCl3 og NH3. Detchprohm et al. brukte denne metoden for å dyrke et GaN epitaksielt lag hundrevis av mikron tykt på overflaten av et safirsubstrat. I eksperimentet deres ble et lag med ZnO dyrket mellom safirsubstratet og epitaksiallaget som et bufferlag, og epitaksiallaget ble skrellet av fra substratoverflaten. Sammenlignet med MOCVD og MBE er hovedtrekket til HVPE-metoden dens høye vekstrate, som er egnet for produksjon av tykke lag og bulkmaterialer. Men når tykkelsen på epitaksiallaget overstiger 20μm, er epitaksiallaget produsert ved denne metoden utsatt for sprekker.
Akira USUI introduserte mønstret substratteknologi basert på denne metoden. De dyrket først et tynt 1-1,5 μm tykt GaN epitaksielt lag på et safirsubstrat ved å bruke MOCVD-metoden. Det epitaksiale laget besto av et 20 nm tykt GaN bufferlag dyrket under lave temperaturforhold og et GaN lag dyrket under høye temperaturforhold. Deretter, ved 430 ℃, ble et lag med SiO2 belagt på overflaten av epitaksiallaget, og vindusstriper ble laget på SiO2-filmen ved fotolitografi. Stripeavstanden var 7μm og maskebredden varierte fra 1μm til 4μm. Etter denne forbedringen oppnådde de et GaN epitaksielt lag på et safirsubstrat med en diameter på 2 tommer som var sprekkfritt og glatt som et speil selv når tykkelsen økte til titalls eller til og med hundrevis av mikron. Defekttettheten ble redusert fra 109-1010cm-2 av den tradisjonelle HVPE-metoden til omtrent 6×107cm-2. De påpekte også i eksperimentet at når veksthastigheten oversteg 75μm/t, ville prøveoverflaten bli ru[8].

Figur 6 Grafisk substratskjema

V. Sammendrag og utsikter

GaN-materialer begynte å dukke opp i 2014 da LED-en med blått lys vant Nobelprisen i fysikk det året, og gikk inn i offentlighetens felt for hurtigladeapplikasjoner innen forbrukerelektronikk. Faktisk har applikasjoner i effektforsterkerne og RF-enheter som brukes i 5G-basestasjoner som de fleste ikke kan se, også dukket opp stille. De siste årene forventes gjennombruddet av GaN-baserte kraftenheter i bilindustrien å åpne opp for nye vekstpunkter for GaN-materialapplikasjonsmarkedet.
Den enorme markedsetterspørselen vil helt sikkert fremme utviklingen av GaN-relaterte industrier og teknologier. Med modenhet og forbedring av den GaN-relaterte industrikjeden, vil problemene som dagens GaN epitaksiale teknologi står overfor, til slutt bli forbedret eller overvunnet. I fremtiden vil folk sikkert utvikle flere nye epitaksiale teknologier og flere utmerkede substratalternativer. Da vil folk være i stand til å velge den mest passende eksterne forskningsteknologien og substratet for ulike applikasjonsscenarier i henhold til egenskapene til applikasjonsscenariene, og produsere de mest konkurransedyktige tilpassede produktene.