1. Polprevodniki tretje generacije
Polprevodniška tehnologija prve generacije je bila razvita na osnovi polprevodniških materialov, kot sta Si in Ge. Je materialna osnova za razvoj tranzistorjev in tehnologije integriranih vezij. Polprevodniški materiali prve generacije so postavili temelje za elektronsko industrijo v 20. stoletju in so osnovni materiali za tehnologijo integriranih vezij.
Polprevodniški materiali druge generacije vključujejo predvsem galijev arzenid, indijev fosfid, galijev fosfid, indijev arzenid, aluminijev arzenid in njihove ternarne spojine. Polprevodniški materiali druge generacije so temelj industrije optoelektronskih informacij. Na tej podlagi so se razvile sorodne industrije, kot so razsvetljava, zasloni, laser in fotovoltaika. Široko se uporabljajo v sodobni industriji informacijske tehnologije in optoelektronskih zaslonov.
Reprezentativni materiali polprevodniških materialov tretje generacije vključujejo galijev nitrid in silicijev karbid. Zaradi njihove široke vrzeli v pasu, visoke hitrosti nasičenosti z elektroni, visoke toplotne prevodnosti in visoke prebojne poljske jakosti so idealni materiali za pripravo elektronskih naprav z visoko gostoto moči, visoko frekvenco in nizkimi izgubami. Med njimi imajo napajalne naprave iz silicijevega karbida prednosti visoke energijske gostote, nizke porabe energije in majhnosti ter imajo široke možnosti uporabe v novih energetskih vozilih, fotovoltaiki, železniškem prometu, velikih podatkih in drugih področjih. Naprave RF iz galijevega nitrida imajo prednosti visoke frekvence, velike moči, široke pasovne širine, nizke porabe energije in majhnosti ter imajo široke možnosti uporabe v komunikacijah 5G, internetu stvari, vojaškem radarju in drugih področjih. Poleg tega se napajalne naprave na osnovi galijevega nitrida pogosto uporabljajo v nizkonapetostnem polju. Poleg tega se v zadnjih letih pričakuje, da bodo nastajajoči materiali galijevega oksida tvorili tehnično komplementarnost z obstoječimi tehnologijami SiC in GaN ter imeli potencialne možnosti uporabe v nizkofrekvenčnih in visokonapetostnih poljih.
V primerjavi s polprevodniškimi materiali druge generacije imajo polprevodniški materiali tretje generacije širšo pasovno širino (širina pasovne širine Si, tipičnega materiala polprevodniškega materiala prve generacije, je približno 1,1 eV, širina pasovne širine GaAs, značilna material polprevodniškega materiala druge generacije je približno 1,42 eV, širina pasovne širine GaN, tipičnega materiala polprevodniškega materiala tretje generacije, je nad 2,3 eV), močnejša odpornost proti sevanju, močnejša odpornost proti razpadu električnega polja in višja temperaturna odpornost. Polprevodniški materiali tretje generacije s širšo pasovno širino so še posebej primerni za proizvodnjo elektronskih naprav, odpornih na sevanje, visokofrekvenčnih, močnih in z visoko gostoto integracije. Njihove aplikacije v mikrovalovnih radiofrekvenčnih napravah, LED, laserjih, napajalnih napravah in na drugih področjih so pritegnile veliko pozornosti in pokazale so široke razvojne možnosti v mobilnih komunikacijah, pametnih omrežjih, železniškem prometu, novih energetskih vozilih, potrošniški elektroniki ter ultravijoličnem in modrem -naprave za zeleno luč [1].
Vir slike: CASA, Zheshang Securities Research Institute
Slika 1 Časovna lestvica in napoved napajalne naprave GaN
II Struktura in značilnosti materiala GaN
GaN je polprevodnik z neposrednim pasovnim presledkom. Širina pasovne širine wurtzitne strukture pri sobni temperaturi je približno 3,26 eV. Materiali GaN imajo tri glavne kristalne strukture, in sicer strukturo wurtzita, strukturo sfalerita in strukturo kamene soli. Med njimi je struktura wurtzita najbolj stabilna kristalna struktura. Slika 2 je diagram heksagonalne wurtzitne strukture GaN. Wurtzitna struktura materiala GaN pripada heksagonalni tesno pakirani strukturi. Vsaka enota celice ima 12 atomov, vključno s 6 atomi N in 6 atomi Ga. Vsak atom Ga (N) tvori vez s 4 najbližjimi atomi N (Ga) in je zložen v vrstnem redu ABABAB… vzdolž smeri [0001] [2].
Slika 2 Diagram kristalne celice GaN strukture Wurtzita
III Pogosto uporabljeni substrati za epitaksijo GaN
Zdi se, da je homogena epitaksija na substratih GaN najboljša izbira za epitaksijo GaN. Vendar pa je zaradi velike energije vezi GaN, ko temperatura doseže tališče 2500 ℃, njegov ustrezni tlak razgradnje približno 4,5 GPa. Ko je tlak razgradnje nižji od tega tlaka, se GaN ne tali, ampak neposredno razpade. Zaradi tega so zrele tehnologije priprave substratov, kot je metoda Czochralski, neprimerne za pripravo monokristalnih substratov GaN, zaradi česar je substrate GaN težko množično izdelovati in so dragi. Zato so substrati, ki se običajno uporabljajo pri epitaksialni rasti GaN, večinoma Si, SiC, safir itd. [3].
Graf 3 GaN in parametri pogosto uporabljenih substratnih materialov
GaN epitaksija na safirju
Safir ima stabilne kemične lastnosti, je poceni in ima visoko zrelost obsežne proizvodne industrije. Zato je postal eden najzgodnejših in najpogosteje uporabljenih substratnih materialov v inženirstvu polprevodniških naprav. Ker je eden izmed pogosto uporabljenih substratov za epitaksijo GaN, so glavni problemi, ki jih je treba rešiti za safirne substrate, naslednji:
✔ Zaradi velikega neskladja mreže med safirjem (Al2O3) in GaN (približno 15 %) je gostota napak na vmesniku med epitaksialno plastjo in substratom zelo visoka. Da bi zmanjšali njegove škodljive učinke, je treba substrat pred začetkom postopka epitaksije podvrči kompleksni predobdelavi. Pred gojenjem epitaksije GaN na safirnih substratih je treba površino substrata najprej temeljito očistiti, da odstranimo onesnaževalce, ostanke poškodb zaradi poliranja itd., ter ustvariti stopnice in strukturo površin stopnic. Nato se površina substrata nitrira, da se spremenijo vlažilne lastnosti epitaksialne plasti. Na koncu je treba na površino substrata nanesti tanko AlN vmesno plast (običajno debeline 10-100 nm) in jo žariti pri nizki temperaturi, da se pripravi na končno epitaksialno rast. Kljub temu je gostota dislokacij v epitaksialnih filmih GaN, gojenih na substratih iz safirja, še vedno višja kot pri homoepitaksialnih filmih (približno 1010 cm-2 v primerjavi z v bistvu ničelno gostoto dislokacij v homoepitaksialnih filmih silicija ali homoepitaksialnih filmih galijevega arzenida ali med 102 in 104 cm-2). 2). Večja gostota napak zmanjša mobilnost nosilca, s čimer skrajša življenjsko dobo manjšinskega nosilca in zmanjša toplotno prevodnost, kar bo vse zmanjšalo zmogljivost naprave [4];
✔ Koeficient toplotnega raztezanja safirja je večji od koeficienta GaN, zato bo med postopkom ohlajanja s temperature nanašanja na sobno temperaturo v epitaksialni plasti nastala dvoosna tlačna napetost. Pri debelejših epitaksialnih filmih lahko ta napetost povzroči pokanje filma ali celo podlage;
✔ V primerjavi z drugimi substrati je toplotna prevodnost safirnih substratov nižja (približno 0,25 W*cm-1*K-1 pri 100 ℃), učinkovitost odvajanja toplote pa je slaba;
✔ Zaradi slabe prevodnosti safirni substrati niso primerni za njihovo integracijo in uporabo z drugimi polprevodniškimi napravami.
Čeprav je gostota napak v epitaksialnih slojih GaN, gojenih na safirnih substratih, visoka, se zdi, da ne zmanjša bistveno optoelektronske zmogljivosti modro-zelenih LED na osnovi GaN, zato so safirni substrati še vedno pogosto uporabljeni substrati za LED na osnovi GaN.
Z razvojem več novih aplikacij GaN naprav, kot so laserji ali druge močnostne naprave z visoko gostoto, so inherentne napake safirnih substratov vse bolj postale omejitev njihove uporabe. Poleg tega je z razvojem tehnologije rasti substrata SiC, znižanjem stroškov in zrelostjo epitaksialne tehnologije GaN na substratih Si več raziskav o rasti epitaksialnih plasti GaN na substratih iz safirja postopoma pokazalo trend ohlajanja.
GaN epitaksija na SiC
V primerjavi s safirjem imajo substrati SiC (4H- in 6H-kristali) manjšo neusklajenost mreže z epitaksialnimi plastmi GaN (3,1 %, kar ustreza [0001] orientiranim epitaksialnim filmom), večjo toplotno prevodnost (približno 3,8 W*cm-1*K -1) itd. Poleg tega prevodnost substratov SiC omogoča tudi vzpostavitev električnih kontaktov na zadnji strani substrata, kar pomaga poenostaviti strukturo naprave. Obstoj teh prednosti je pritegnil vedno več raziskovalcev k delu na epitaksiji GaN na substratih iz silicijevega karbida.
Vendar pa se delo neposredno na podlagah SiC, da bi se izognili rasti slojev GaN, sooča tudi s številnimi pomanjkljivostmi, vključno z naslednjimi:
✔ Površinska hrapavost substratov SiC je veliko višja od hrapavosti substratov iz safirja (hrapavost safirja 0,1 nm RMS, hrapavost SiC 1 nm RMS), substrati SiC imajo visoko trdoto in slabo obdelavo, ta hrapavost in preostale poškodbe zaradi poliranja pa so tudi ena od viri napak v epiplastih GaN.
✔ Gostota vijačnih dislokacij substratov SiC je visoka (gostota dislokacij 103–104 cm-2), vijačne dislokacije se lahko razširijo na epiplast GaN in zmanjšajo zmogljivost naprave;
✔ Atomska razporeditev na površini substrata povzroči nastanek napak zlaganja (BSF) v epiplasti GaN. Pri epitaksialnem GaN na substratih SiC obstaja več možnih vrstnih redov atomske razporeditve na substratu, kar ima za posledico nedosleden začetni vrstni red zlaganja atomov epitaksialne plasti GaN na njem, ki je nagnjen k napakam v zlaganju. Napake zlaganja (SF) uvajajo vgrajena električna polja vzdolž osi c, kar vodi do težav, kot je puščanje naprav za ločevanje nosilcev v ravnini;
✔ Koeficient toplotnega raztezanja substrata SiC je manjši od koeficienta AlN in GaN, kar povzroča kopičenje toplotne napetosti med epitaksialno plastjo in substratom med procesom ohlajanja. Waltereit in Brand sta na podlagi svojih raziskovalnih rezultatov napovedala, da je to težavo mogoče omiliti ali rešiti z gojenjem epitaksialnih plasti GaN na tankih, koherentno napetih nukleacijskih slojih AlN;
✔ Problem slabe omočljivosti atomov Ga. Pri gojenju epitaksialnih plasti GaN neposredno na površini SiC je zaradi slabe omočljivosti med atomoma GaN nagnjen k rasti 3D otokov na površini substrata. Uvedba vmesne plasti je najpogosteje uporabljena rešitev za izboljšanje kakovosti epitaksialnih materialov v epitaksiji GaN. Uvedba vmesne plasti AlN ali AlxGa1-xN lahko učinkovito izboljša omočljivost površine SiC in povzroči, da epitaksialna plast GaN raste v dveh dimenzijah. Poleg tega lahko tudi uravnava napetost in preprečuje, da bi se napake substrata razširile na epitaksijo GaN;
✔ Tehnologija priprave substratov SiC je nezrela, stroški substratov so visoki, malo je dobaviteljev in malo ponudbe.
Raziskave Torresa in drugih kažejo, da lahko jedkanje substrata SiC s H2 pri visoki temperaturi (1600 °C) pred epitaksijo ustvari bolj urejeno stopničasto strukturo na površini substrata, s čimer dobimo epitaksialni film AlN višje kakovosti kot pri neposredni zrasla na prvotni površini substrata. Raziskava Xieja in njegove ekipe tudi kaže, da lahko predobdelava substrata iz silicijevega karbida z jedkanjem znatno izboljša morfologijo površine in kakovost kristalov epitaksialne plasti GaN. Smith et al. ugotovil, da so navojne dislokacije, ki izvirajo iz vmesnikov substrat/vmesna plast in vmesna plast/epitaksialna plast, povezane z ravnostjo substrata [5].
Slika 4 Morfologija TEM vzorcev epitaksialne plasti GaN, vzgojenih na substratu 6H-SiC (0001) pri različnih pogojih površinske obdelave (a) kemično čiščenje; (b) kemično čiščenje + obdelava z vodikovo plazmo; (c) kemično čiščenje + obdelava z vodikovo plazmo + toplotna obdelava z vodikom pri 1300 ℃ 30 minut
GaN epitaksija na Si
V primerjavi s substrati iz silicijevega karbida, safirja in drugimi substrati je postopek priprave silicijevega substrata zrel in lahko stabilno zagotavlja zrele substrate velikih velikosti z visoko stroškovno učinkovitostjo. Hkrati sta toplotna prevodnost in električna prevodnost dobri, postopek elektronske naprave Si pa je zrel. Možnost popolne integracije optoelektronskih GaN naprav s Si elektronskimi napravami v prihodnosti prav tako naredi rast GaN epitaksije na siliciju zelo privlačno.
Vendar pa je zaradi velike razlike v konstantah mreže med substratom Si in materialom GaN heterogena epitaksija GaN na substratu Si tipična epitaksija z velikim neujemanjem in se mora soočiti tudi z vrsto težav:
✔ Težava z energijo površinskega vmesnika. Ko GaN raste na substratu Si, bo površina substrata Si najprej nitrirana, da nastane plast amorfnega silicijevega nitrida, ki ni ugodna za nukleacijo in rast GaN z visoko gostoto. Poleg tega se bo površina Si najprej dotaknila Ga, kar bo korodiralo površino substrata Si. Pri visokih temperaturah bo razkroj površine Si difundiral v epitaksialno plast GaN in tvoril črne silicijeve lise.
✔ Neusklajenost konstante rešetke med GaN in Si je velika (~17 %), kar bo povzročilo nastanek navojnih dislokacij z visoko gostoto in znatno zmanjšalo kakovost epitaksialne plasti;
✔ V primerjavi s Si ima GaN večji koeficient toplotne razteznosti (koeficient toplotne razteznosti GaN je približno 5,6×10-6K-1, koeficient toplotne razteznosti Si je približno 2,6×10-6K-1), v GaN pa lahko nastanejo razpoke epitaksialni sloj med ohlajanjem epitaksialne temperature na sobno temperaturo;
✔ Si reagira z NH3 pri visokih temperaturah in tvori polikristalni SiNx. AlN ne more tvoriti prednostno usmerjenega jedra na polikristalnem SiNx, kar vodi do neurejene orientacije naknadno zrasle plasti GaN in velikega števila napak, kar ima za posledico slabo kristalno kakovost epitaksialne plasti GaN in celo težave pri oblikovanju enokristalnega sloja. Epitaksialna plast GaN [6].
Da bi rešili problem velike neusklajenosti rešetk, so raziskovalci poskušali uvesti materiale, kot so AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO in SiC, kot vmesne plasti na Si substrate. Da bi se izognili nastanku polikristalnega SiNx in zmanjšali njegove škodljive učinke na kristalno kakovost materialov GaN/AlN/Si (111), je treba običajno nekaj časa uvajati TMAl pred epitaksialno rastjo vmesne plasti AlN. da bi preprečili reakcijo NH3 z izpostavljeno Si površino, da nastane SiNx. Poleg tega se lahko za izboljšanje kakovosti epitaksialne plasti uporabijo epitaksialne tehnologije, kot je tehnologija vzorčastega substrata. Razvoj teh tehnologij pomaga zavirati nastajanje SiNx na epitaksialnem vmesniku, spodbuja dvodimenzionalno rast epitaksialne plasti GaN in izboljša kakovost rasti epitaksialne plasti. Poleg tega je uveden vmesni sloj AlN za kompenzacijo natezne napetosti, ki jo povzroča razlika v koeficientih toplotnega raztezanja, da bi se izognili razpokam v epitaksialni plasti GaN na silicijevem substratu. Krostove raziskave kažejo, da obstaja pozitivna korelacija med debelino vmesnega sloja AlN in zmanjšanjem napetosti. Ko debelina vmesnega sloja doseže 12 nm, je mogoče epitaksialno plast, debelejšo od 6 μm, gojiti na silicijevem substratu z ustrezno rastno shemo brez razpokanja epitaksialne plasti.
Po dolgotrajnih prizadevanjih raziskovalcev se je kakovost epitaksialnih plasti GaN, vzgojenih na silicijevih substratih, znatno izboljšala, naprave, kot so tranzistorji z učinkom polja, ultravijolični detektorji s Schottkyjevo pregrado, modro-zelene LED diode in ultravijolični laserji, pa so dosegle pomemben napredek.
Če povzamemo, ker so vsi običajno uporabljeni epitaksialni substrati GaN heterogene epitaksije, se vsi soočajo s skupnimi težavami, kot je neujemanje rešetke in velike razlike v koeficientih toplotnega raztezanja v različnih stopnjah. Homogene epitaksialne substrate GaN omejuje zrelost tehnologije, substrati pa še niso bili množično proizvedeni. Proizvodni stroški so visoki, velikost substrata je majhna in kakovost substrata ni idealna. Razvoj novih epitaksialnih substratov GaN in izboljšanje epitaksialne kakovosti sta še vedno eden od pomembnih dejavnikov, ki omejujeta nadaljnji razvoj epitaksialne industrije GaN.
IV. Običajne metode za epitaksijo GaN
MOCVD (kemično naparjevanje)
Zdi se, da je homogena epitaksija na substratih GaN najboljša izbira za epitaksijo GaN. Ker pa sta predhodnika kemičnega naparjevanja trimetilgalij in amoniak, nosilni plin pa je vodik, je tipična temperatura rasti MOCVD približno 1000-1100 ℃, hitrost rasti MOCVD pa približno nekaj mikronov na uro. Lahko proizvede strme vmesnike na atomski ravni, kar je zelo primerno za rast heterospojnic, kvantnih vrtin, supermrež in drugih struktur. Njegova hitra rast, dobra enakomernost in primernost za rast na velikih površinah in v več delih se pogosto uporabljajo v industrijski proizvodnji.
MBE (epitaksija z molekularnim žarkom)
Pri epitaksiji z molekularnim žarkom Ga uporablja elementarni vir, aktivni dušik pa se pridobiva iz dušika prek RF plazme. V primerjavi z metodo MOCVD je temperatura rasti MBE približno 350-400 ℃ nižja. Nižja temperatura rasti lahko prepreči določeno onesnaženje, ki ga lahko povzročijo okolja z visoko temperaturo. Sistem MBE deluje pod ultra visokim vakuumom, kar mu omogoča integracijo več metod zaznavanja in situ. Hkrati pa njegove stopnje rasti in proizvodne zmogljivosti ni mogoče primerjati z MOCVD in se bolj uporablja v znanstvenih raziskavah [7].
Slika 5 (a) Shema Eiko-MBE (b) Shema glavne reakcijske komore MBE
Metoda HVPE (hidridna parnofazna epitaksija)
Predhodnika metode epitaksije hidridne parne faze sta GaCl3 in NH3. Detchprohm et al. uporabil to metodo za gojenje več sto mikronov debele epitaksialne plasti GaN na površini safirnega substrata. V njihovem poskusu je med safirno podlago in epitaksialno plastjo zrasla plast ZnO kot vmesna plast, epitaksialna plast pa je bila odluščena s površine podlage. V primerjavi z MOCVD in MBE je glavna značilnost metode HVPE njena visoka stopnja rasti, ki je primerna za proizvodnjo debelih plasti in razsutih materialov. Ko pa debelina epitaksialne plasti preseže 20 μm, je epitaksialna plast, izdelana s to metodo, nagnjena k razpokam.
Akira USUI je predstavil tehnologijo vzorčastega substrata, ki temelji na tej metodi. Najprej so z metodo MOCVD vzgojili tanko 1-1,5 μm debelo GaN epitaksialno plast na safirnem substratu. Epitaksialna plast je bila sestavljena iz 20 nm debele vmesne plasti GaN, zrasle pri nizkih temperaturah, in plasti GaN, zrasle v pogojih visoke temperature. Nato je bila pri 430 ℃ na površino epitaksialne plasti nanesena plast SiO2 in s fotolitografijo na filmu SiO2 narejene okenske črte. Razmik med trakovi je bil 7 μm, širina maske pa je bila od 1 μm do 4 μm. Po tej izboljšavi so dobili epitaksialno plast GaN na safirni podlagi s premerom 2 palca, ki je bila brez razpok in gladka kot ogledalo, tudi ko se je debelina povečala na desetine ali celo stotine mikronov. Gostota napak se je zmanjšala s 109-1010 cm-2 tradicionalne metode HVPE na približno 6 × 107 cm-2. V poskusu so tudi poudarili, da bi površina vzorca postala hrapava, ko bi hitrost rasti presegla 75 μm/h [8].
Slika 6 Grafična shema substrata
V. Povzetek in obeti
Materiali GaN so se začeli pojavljati leta 2014, ko je modra svetloba LED tistega leta prejela Nobelovo nagrado za fiziko in vstopila na javno področje aplikacij za hitro polnjenje na področju potrošniške elektronike. Pravzaprav so se tiho pojavile tudi aplikacije v ojačevalnikih moči in napravah RF, ki se uporabljajo v baznih postajah 5G, ki jih večina ljudi ne vidi. V zadnjih letih naj bi preboj avtomobilskih napajalnih naprav na osnovi GaN odprl nove točke rasti za trg uporabe materialov GaN.
Veliko povpraševanje na trgu bo zagotovo spodbudilo razvoj industrij in tehnologij, povezanih z GaN. Z zrelostjo in izboljšanjem industrijske verige, povezane z GaN, bodo težave, s katerimi se sooča trenutna epitaksialna tehnologija GaN, sčasoma izboljšane ali premagane. V prihodnosti bodo ljudje zagotovo razvili več novih epitaksialnih tehnologij in več odličnih možnosti substrata. Do takrat bodo ljudje lahko izbrali najprimernejšo zunanjo raziskovalno tehnologijo in substrat za različne scenarije uporabe glede na značilnosti scenarijev uporabe ter izdelali najbolj konkurenčne izdelke po meri.
Čas objave: 28. junija 2024