1. Полупроводники третьего поколения
Полупроводниковая технология первого поколения была разработана на основе полупроводниковых материалов, таких как Si и Ge. Это материальная основа для развития транзисторов и технологии интегральных схем. Полупроводниковые материалы первого поколения заложили основу электронной промышленности ХХ века и являются основными материалами для технологии интегральных схем.
Полупроводниковые материалы второго поколения в основном включают арсенид галлия, фосфид индия, фосфид галлия, арсенид индия, арсенид алюминия и их тройные соединения. Полупроводниковые материалы второго поколения являются основой оптоэлектронной информационной индустрии. На этой основе были развиты смежные отрасли, такие как освещение, дисплеи, лазер и фотоэлектрическая энергетика. Они широко используются в современных информационных технологиях и оптоэлектронных дисплеях.
Типичные материалы полупроводниковых материалов третьего поколения включают нитрид галлия и карбид кремния. Благодаря широкой запрещенной зоне, высокой скорости дрейфа насыщения электронов, высокой теплопроводности и высокой напряженности поля пробоя они являются идеальными материалами для изготовления электронных устройств с высокой плотностью мощности, высокой частотой и низкими потерями. Среди них силовые устройства из карбида кремния обладают преимуществами высокой плотности энергии, низкого энергопотребления и небольшого размера, а также имеют широкие перспективы применения в транспортных средствах на новой энергии, фотоэлектрических элементах, железнодорожном транспорте, больших данных и других областях. Радиочастотные устройства на основе нитрида галлия обладают преимуществами высокой частоты, высокой мощности, широкой полосы пропускания, низкого энергопотребления и небольшого размера, а также имеют широкие перспективы применения в связи 5G, Интернете вещей, военных радарах и других областях. Кроме того, силовые устройства на основе нитрида галлия широко используются в области низкого напряжения. Кроме того, ожидается, что в последние годы новые материалы на основе оксида галлия будут обеспечивать техническую взаимодополняемость с существующими технологиями SiC и GaN и иметь потенциальные перспективы применения в области низких частот и высокого напряжения.
По сравнению с полупроводниковыми материалами второго поколения, полупроводниковые материалы третьего поколения имеют более широкую запрещенную зону (ширина запрещенной зоны Si, типичного материала полупроводникового материала первого поколения, составляет около 1,1 эВ, ширина запрещенной зоны GaAs, типичная материал полупроводникового материала второго поколения составляет около 1,42 эВ, а ширина запрещенной зоны GaN, типичного материала полупроводникового материала третьего поколения, превышает 2,3 эВ), более высокая радиационная стойкость, более высокая устойчивость к пробою электрического поля и более высокая термостойкость. Полупроводниковые материалы третьего поколения с более широкой запрещенной зоной особенно подходят для производства радиационно-стойких, высокочастотных, мощных электронных устройств с высокой плотностью интеграции. Их применение в микроволновых радиочастотных устройствах, светодиодах, лазерах, силовых устройствах и других областях привлекло большое внимание, и они показали широкие перспективы развития в области мобильной связи, интеллектуальных сетей, железнодорожного транспорта, транспортных средств на новых источниках энергии, бытовой электроники, а также ультрафиолетового и синего света. -устройства зеленого света [1].
Источник изображения: CASA, Чжэшанский научно-исследовательский институт ценных бумаг.
Рис. 1. Временная шкала и прогноз для силового устройства GaN.
Структура и характеристики материала II GaN
GaN — полупроводник с прямой запрещенной зоной. Ширина запрещенной зоны структуры вюрцита при комнатной температуре составляет около 3,26 эВ. Материалы GaN имеют три основные кристаллические структуры, а именно структуру вюрцита, структуру сфалерита и структуру каменной соли. Среди них структура вюрцита является наиболее устойчивой кристаллической структурой. На рис. 2 представлена схема гексагональной структуры вюрцита GaN. Вюрцитная структура материала GaN относится к гексагональной плотноупакованной структуре. Каждая элементарная ячейка содержит 12 атомов, в том числе 6 атомов N и 6 атомов Ga. Каждый атом Ga(N) образует связь с четырьмя ближайшими атомами N(Ga) и укладывается в порядке ABABAB… вдоль направления [0001] [2].
Рисунок 2. Структура вюрцита. Схема кристаллической ячейки GaN.
III Часто используемые подложки для эпитаксии GaN
Кажется, что гомогенная эпитаксия на подложках GaN является лучшим выбором для эпитаксии GaN. Однако из-за большой энергии связи GaN, когда температура достигает точки плавления 2500 ℃, соответствующее давление разложения составляет около 4,5 ГПа. Когда давление разложения ниже этого давления, GaN не плавится, а разлагается непосредственно. Это делает зрелые технологии подготовки подложек, такие как метод Чохральского, непригодными для приготовления монокристаллических подложек GaN, что делает подложки GaN трудными для массового производства и дорогостоящими. Поэтому в качестве подложек, обычно используемых при эпитаксиальном выращивании GaN, в основном используются Si, SiC, сапфир и т. д. [3].
Таблица 3 GaN и параметры часто используемых материалов подложек
Эпитаксия GaN на сапфире
Сапфир имеет стабильные химические свойства, дешев и имеет высокую степень зрелости в крупномасштабном производстве. Таким образом, он стал одним из первых и наиболее широко используемых материалов подложки в технике полупроводниковых приборов. Поскольку сапфир является одной из часто используемых подложек для эпитаксии GaN, основными проблемами, которые необходимо решить для сапфировых подложек, являются:
✔ Из-за большого несоответствия решеток сапфира (Al2O3) и GaN (около 15%) плотность дефектов на границе эпитаксиального слоя и подложки очень высока. Чтобы уменьшить его неблагоприятное воздействие, перед началом процесса эпитаксии подложку необходимо подвергнуть комплексной предварительной обработке. Перед выращиванием эпитаксии GaN на сапфировых подложках поверхность подложки должна быть предварительно тщательно очищена от загрязнений, остаточных повреждений полировки и т. д., а также для изготовления ступеней и ступенчатых поверхностных структур. Затем поверхность подложки азотируется для изменения смачивающих свойств эпитаксиального слоя. Наконец, на поверхность подложки необходимо нанести тонкий буферный слой AlN (обычно толщиной 10–100 нм) и отжечь при низкой температуре, чтобы подготовиться к окончательному эпитаксиальному росту. Несмотря на это, плотность дислокаций в эпитаксиальных пленках GaN, выращенных на сапфировых подложках, все еще выше, чем в гомоэпитаксиальных пленках (около 1010 см-2 по сравнению с практически нулевой плотностью дислокаций в гомоэпитаксиальных пленках кремния или гомоэпитаксиальных пленках арсенида галлия, или между 102 и 104 см-2). 2). Более высокая плотность дефектов снижает подвижность носителей, тем самым сокращая срок службы неосновных носителей и снижая теплопроводность, что снижает производительность устройства [4];
✔ Коэффициент теплового расширения сапфира больше, чем у GaN, поэтому в процессе охлаждения от температуры осаждения до комнатной температуры в эпитаксиальном слое в эпитаксиальном слое будут возникать напряжения двухосного сжатия. Для более толстых эпитаксиальных пленок это напряжение может вызвать растрескивание пленки или даже подложки;
✔ По сравнению с другими подложками теплопроводность сапфировых подложек ниже (около 0,25 Вт*см-1*К-1 при 100 ℃), а эффективность рассеивания тепла плохая;
✔ Из-за плохой проводимости сапфировые подложки не подходят для их интеграции и применения с другими полупроводниковыми устройствами.
Хотя плотность дефектов эпитаксиальных слоев GaN, выращенных на сапфировых подложках, высока, она, по-видимому, не приводит к значительному снижению оптоэлектронных характеристик сине-зеленых светодиодов на основе GaN, поэтому сапфировые подложки по-прежнему широко используются в качестве подложек для светодиодов на основе GaN.
С развитием новых применений GaN-устройств, таких как лазеры или другие устройства с высокой плотностью мощности, присущие сапфировым подложкам дефекты все чаще становятся ограничением их применения. Кроме того, с развитием технологии выращивания подложек SiC, снижением затрат и развитием эпитаксиальной технологии GaN на подложках Si, все больше исследований по выращиванию эпитаксиальных слоев GaN на сапфировых подложках постепенно показали тенденцию к охлаждению.
Эпитаксия GaN на SiC
По сравнению с сапфиром подложки SiC (4H- и 6H-кристаллы) имеют меньшее рассогласование решеток с эпитаксиальными слоями GaN (3,1%, что эквивалентно эпитаксиальным пленкам с ориентацией [0001]), более высокую теплопроводность (около 3,8 Вт*см-1*К). -1) и т. д. Кроме того, проводимость подложек SiC позволяет также осуществлять электрические контакты на обратной стороне подложки, что способствует упрощению конструкции устройства. Существование этих преимуществ привлекает все больше исследователей к работе по эпитаксии GaN на подложках из карбида кремния.
Однако работа непосредственно с подложками SiC во избежание роста слоев GaN также сталкивается с рядом недостатков, включая следующие:
✔ Шероховатость поверхности подложек SiC намного выше, чем у подложек сапфира (шероховатость сапфира 0,1 нм RMS, шероховатость SiC 1 нм RMS), подложки SiC имеют высокую твердость и плохую производительность обработки, и эта шероховатость и остаточные повреждения при полировке также являются одними из источники дефектов в слоях GaN.
✔ Плотность винтовых дислокаций подложек SiC высока (плотность дислокаций 103-104см-2), винтовые дислокации могут распространяться на слой GaN и снижать производительность устройства;
✔ Расположение атомов на поверхности подложки приводит к образованию дефектов упаковки (BSF) в эпитаксиальном слое GaN. Для эпитаксиального GaN на подложках SiC существует несколько возможных порядков расположения атомов на подложке, что приводит к непостоянному начальному порядку укладки атомов эпитаксиального слоя GaN на ней, который склонен к дефектам упаковки. Дефекты упаковки (SF) создают встроенные электрические поля вдоль оси c, что приводит к таким проблемам, как утечка в устройствах разделения носителей в плоскости;
✔ Коэффициент теплового расширения подложки SiC меньше, чем у AlN и GaN, что приводит к накоплению термических напряжений между эпитаксиальным слоем и подложкой в процессе охлаждения. На основании результатов своих исследований Уолтерайт и Бранд предсказали, что эту проблему можно облегчить или решить путем выращивания эпитаксиальных слоев GaN на тонких, когерентно напряженных слоях зародышеобразования AlN;
✔ Проблема плохой смачиваемости атомов Ga. При выращивании эпитаксиальных слоев GaN непосредственно на поверхности SiC из-за плохой смачиваемости между двумя атомами GaN склонен к трехмерному росту островков на поверхности подложки. Введение буферного слоя является наиболее часто используемым решением для улучшения качества эпитаксиальных материалов при эпитаксии GaN. Введение буферного слоя AlN или AlxGa1-xN может эффективно улучшить смачиваемость поверхности SiC и заставить эпитаксиальный слой GaN расти в двух измерениях. Кроме того, он также может регулировать напряжение и предотвращать распространение дефектов подложки на эпитаксию GaN;
✔ Технология изготовления подложек SiC неразвита, стоимость подложек высока, поставщиков и поставок мало.
Исследования Торреса и др. показывают, что травление подложки SiC H2 при высокой температуре (1600°C) перед эпитаксии может создать более упорядоченную ступенчатую структуру на поверхности подложки, тем самым получая эпитаксиальную пленку AlN более высокого качества, чем при непосредственном нанесении. выращенных на исходной поверхности подложки. Исследования Се и его команды также показывают, что предварительная обработка подложки из карбида кремния травлением может значительно улучшить морфологию поверхности и качество кристаллов эпитаксиального слоя GaN. Смит и др. обнаружили, что пронизывающие дислокации, возникающие на границах раздела подложка/буферный слой и буферный слой/эпитаксиальный слой, связаны с плоскостностью подложки [5].
Рис. 4. Морфология ПЭМ образцов эпитаксиального слоя GaN, выращенных на подложке 6H-SiC (0001) при различных условиях обработки поверхности (а) химическая очистка; (б) химическая очистка + водородно-плазменная обработка; (c) химическая очистка + водородная плазменная обработка + водородная термообработка при 1300 ℃ в течение 30 минут.
Эпитаксия GaN на Si
По сравнению с карбидом кремния, сапфиром и другими подложками процесс подготовки кремниевых подложек является зрелым и может стабильно обеспечивать зрелые подложки большого размера с высокими затратами. В то же время теплопроводность и электропроводность хорошие, а процесс изготовления электронных устройств Si является зрелым. Возможность идеальной интеграции оптоэлектронных устройств GaN с электронными устройствами Si в будущем также делает выращивание эпитаксии GaN на кремнии очень привлекательным.
Однако из-за большой разницы в постоянных решетки между подложкой Si и материалом GaN гетерогенная эпитаксия GaN на подложке Si представляет собой типичную эпитаксию с большим несоответствием, и ей также приходится сталкиваться с рядом проблем:
✔ Проблема с энергией поверхности раздела. Когда GaN растет на подложке Si, поверхность подложки Si сначала азотируется с образованием слоя аморфного нитрида кремния, который не способствует зарождению и росту GaN высокой плотности. Кроме того, поверхность Si сначала контактирует с Ga, который вызывает коррозию поверхности подложки Si. При высоких температурах распад поверхности Si будет диффундировать в эпитаксиальный слой GaN с образованием черных пятен кремния.
✔ Несоответствие постоянной решетки GaN и Si велико (~17%), что приведет к образованию пронизывающих дислокаций высокой плотности и существенно снизит качество эпитаксиального слоя;
✔ По сравнению с Si, GaN имеет больший коэффициент теплового расширения (коэффициент теплового расширения GaN составляет около 5,6×10-6K-1, коэффициент теплового расширения Si составляет около 2,6×10-6K-1), и в GaN могут образовываться трещины. эпитаксиальный слой при охлаждении эпитаксиальной температуры до комнатной температуры;
✔ Si реагирует с NH3 при высоких температурах с образованием поликристаллического SiNx. AlN не может образовывать преимущественно ориентированный зародыш на поликристаллическом SiNx, что приводит к неупорядоченной ориентации выращенного впоследствии слоя GaN и большому количеству дефектов, что приводит к плохому кристаллическому качеству эпитаксиального слоя GaN и даже к трудностям в формировании монокристаллического слоя GaN. Эпитаксиальный слой GaN [6].
Чтобы решить проблему большого несоответствия решеток, исследователи попытались ввести такие материалы, как AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO и SiC, в качестве буферных слоев на подложках Si. Чтобы избежать образования поликристаллического SiNx и уменьшить его негативное влияние на качество кристаллов материалов GaN/AlN/Si (111), обычно требуется введение ТМАл на определенный период времени перед эпитаксиальным ростом буферного слоя AlN. для предотвращения реакции NH3 с открытой поверхностью Si с образованием SiNx. Кроме того, для улучшения качества эпитаксиального слоя можно использовать эпитаксиальные технологии, такие как технология узорчатой подложки. Развитие этих технологий помогает ингибировать образование SiNx на эпитаксиальной границе раздела, способствовать двумерному росту эпитаксиального слоя GaN и улучшать качество роста эпитаксиального слоя. Кроме того, введен буферный слой AlN для компенсации растягивающих напряжений, вызванных разницей коэффициентов теплового расширения, во избежание трещин в эпитаксиальном слое GaN на кремниевой подложке. Исследования Кроста показывают, что существует положительная корреляция между толщиной буферного слоя AlN и снижением деформации. Когда толщина буферного слоя достигает 12 нм, эпитаксиальный слой толщиной более 6 мкм можно вырастить на кремниевой подложке с помощью соответствующей схемы выращивания без растрескивания эпитаксиального слоя.
После многолетних усилий исследователей качество эпитаксиальных слоев GaN, выращенных на кремниевых подложках, было значительно улучшено, а такие устройства, как полевые транзисторы, ультрафиолетовые детекторы с барьером Шоттки, сине-зеленые светодиоды и ультрафиолетовые лазеры, добились значительного прогресса.
Таким образом, поскольку все обычно используемые эпитаксиальные подложки GaN представляют собой гетерогенную эпитаксию, все они сталкиваются с общими проблемами, такими как несоответствие решеток и большие различия в коэффициентах теплового расширения в разной степени. Однородные эпитаксиальные подложки GaN ограничены зрелостью технологии, и подложки еще не производятся серийно. Себестоимость производства высока, размер подложки мал, а качество подложки не идеально. Разработка новых эпитаксиальных подложек GaN и улучшение эпитаксиального качества по-прежнему остаются одним из важных факторов, ограничивающих дальнейшее развитие эпитаксиальной индустрии GaN.
IV. Общие методы эпитаксии GaN
MOCVD (химическое осаждение из паровой фазы)
Кажется, что гомогенная эпитаксия на подложках GaN является лучшим выбором для эпитаксии GaN. Однако, поскольку предшественниками химического осаждения из паровой фазы являются триметилгаллий и аммиак, а газом-носителем является водород, типичная температура роста MOCVD составляет около 1000-1100 ℃, а скорость роста MOCVD составляет около нескольких микрон в час. Он может создавать крутые границы раздела на атомном уровне, что очень подходит для выращивания гетеропереходов, квантовых ям, сверхрешеток и других структур. Его быстрая скорость роста, хорошая однородность и пригодность для выращивания на больших площадях и из нескольких частей часто используются в промышленном производстве.
МЛЭ (молекулярно-лучевая эпитаксия)
В молекулярно-лучевой эпитаксии Ga использует элементный источник, а активный азот получается из азота посредством радиочастотной плазмы. По сравнению с методом MOCVD температура роста MBE примерно на 350-400 ℃ ниже. Более низкая температура роста позволяет избежать определенного загрязнения, которое может быть вызвано высокой температурой окружающей среды. Система MBE работает в сверхвысоком вакууме, что позволяет интегрировать больше методов обнаружения на месте. В то же время его скорость роста и производственная мощность не могут сравниться с MOCVD, и он больше используется в научных исследованиях [7].
Рисунок 5 (a) Схема Eiko-MBE (b) Схема основной реакционной камеры MBE
Метод HVPE (гидридная парофазная эпитаксия)
Предшественниками метода газофазной эпитаксии гидридов являются GaCl3 и NH3. Детчпром и др. использовали этот метод для выращивания эпитаксиального слоя GaN толщиной в сотни микрон на поверхности сапфировой подложки. В их эксперименте между сапфировой подложкой и эпитаксиальным слоем выращивался слой ZnO в качестве буферного слоя, а эпитаксиальный слой отделялся от поверхности подложки. По сравнению с MOCVD и MBE, основной особенностью метода HVPE является его высокая скорость роста, что подходит для производства толстых слоев и сыпучих материалов. Однако когда толщина эпитаксиального слоя превышает 20 мкм, эпитаксиальный слой, полученный этим методом, склонен к растрескиванию.
Akira USUI представила технологию узорчатой подложки, основанную на этом методе. Сначала они вырастили тонкий эпитаксиальный слой GaN толщиной 1–1,5 мкм на сапфировой подложке методом MOCVD. Эпитаксиальный слой состоял из буферного слоя GaN толщиной 20 нм, выращенного в условиях низкой температуры, и слоя GaN, выращенного в условиях высокой температуры. Затем при 430℃ на поверхность эпитаксиального слоя наносился слой SiO2 и методом фотолитографии на пленке SiO2 изготавливались оконные полосы. Расстояние между полосками составляло 7 мкм, а ширина маски варьировалась от 1 до 4 мкм. После этого улучшения они получили эпитаксиальный слой GaN на сапфировой подложке диаметром 2 дюйма, который не имел трещин и был гладким, как зеркало, даже когда толщина увеличивалась до десятков или даже сотен микрон. Плотность дефектов снизилась со 109-1010 см-2 традиционного метода HVPE до примерно 6×107 см-2. В эксперименте они также отметили, что когда скорость роста превышает 75 мкм/ч, поверхность образца становится шероховатой[8].
Рисунок 6. Графическая схема подложки.
V. Резюме и перспективы
Материалы GaN начали появляться в 2014 году, когда светодиод синего света получил в том же году Нобелевскую премию по физике и вошел в сферу применения быстрой зарядки в области бытовой электроники. Фактически, также незаметно появились приложения в усилителях мощности и радиочастотных устройствах, используемых в базовых станциях 5G, которые большинство людей не видят. Ожидается, что в последние годы прорыв в автомобильных силовых устройствах на основе GaN откроет новые точки роста для рынка применения материалов GaN.
Огромный рыночный спрос, несомненно, будет способствовать развитию отраслей и технологий, связанных с GaN. По мере развития и совершенствования производственной цепочки, связанной с GaN, проблемы, с которыми сталкивается нынешняя эпитаксиальная технология GaN, в конечном итоге будут улучшены или преодолены. В будущем люди наверняка разработают новые эпитаксиальные технологии и более качественные варианты подложек. К тому времени люди смогут выбирать наиболее подходящую технологию внешних исследований и субстрат для различных сценариев применения в соответствии с характеристиками сценариев применения и производить наиболее конкурентоспособные индивидуальные продукты.
Время публикации: 28 июня 2024 г.