1. Полупроводници треће генерације
Полупроводничка технологија прве генерације развијена је на основу полупроводничких материјала као што су Си и Ге. То је материјална основа за развој транзистора и технологије интегрисаних кола. Полупроводнички материјали прве генерације поставили су темеље електронске индустрије у 20. веку и основни су материјали за технологију интегрисаних кола.
Полупроводнички материјали друге генерације углавном укључују галијум-арсенид, индијум-фосфид, галијум-фосфид, индијум-арсенид, алуминијум-арсенид и њихова тернарна једињења. Полупроводнички материјали друге генерације су основа оптоелектронске информационе индустрије. На основу тога су развијене сродне индустрије као што су осветљење, дисплеј, ласер и фотонапон. Они се широко користе у савременој информационој технологији и индустрији оптоелектронских дисплеја.
Репрезентативни материјали полупроводничких материјала треће генерације укључују галијум нитрид и силицијум карбид. Због свог широког појаса, велике брзине дрифта засићења електрона, високе топлотне проводљивости и велике јачине поља пробоја, они су идеални материјали за припрему електронских уређаја велике густине, високе фреквенције и малих губитака. Међу њима, уређаји за напајање од силицијум карбида имају предности високе густине енергије, ниске потрошње енергије и мале величине и имају широке изгледе за примену у новим енергетским возилима, фотонапонским системима, железничком транспорту, великим подацима и другим пољима. РФ уређаји са галијум нитридом имају предности високе фреквенције, велике снаге, широког пропусног опсега, ниске потрошње енергије и мале величине и имају широке изгледе за примену у 5Г комуникацијама, Интернету ствари, војном радару и другим областима. Поред тога, уређаји за напајање засновани на галијум нитриду су широко коришћени у пољу ниског напона. Поред тога, последњих година се очекује да ће нови материјали галијум оксида формирати техничку комплементарност са постојећим СиЦ и ГаН технологијама и имати потенцијалне изгледе за примену у нискофреквентним и високонапонским пољима.
У поређењу са полупроводничким материјалима друге генерације, полупроводнички материјали треће генерације имају ширу ширину појасног размака (ширина појасног размака Си, типичног материјала полупроводничког материјала прве генерације, је око 1,1 еВ, ширина појасног размака ГаАс, типична материјал полупроводничког материјала друге генерације, је око 1,42еВ, а ширина појасног размака ГаН, типичног материјала полупроводничког материјала треће генерације, изнад 2,3еВ), јача отпорност на зрачење, јача отпорност на распад електричног поља и већа температурна отпорност. Полупроводнички материјали треће генерације са већом ширином појасног размака посебно су погодни за производњу електронских уређаја отпорних на зрачење, високе фреквенције, велике снаге и високе густине интеграције. Њихове примене у микроталасним радио фреквенцијским уређајима, ЛЕД диодама, ласерима, уређајима за напајање и другим областима привукле су велику пажњу, а показале су и широке развојне перспективе у мобилним комуникацијама, паметним мрежама, железничком транзиту, новим енергетским возилима, потрошачкој електроници и ултраљубичастом и плавом -уређаји зеленог светла [1].
Извор слике: ЦАСА, Зхесханг Сецуритиес Ресеарцх Институте
Слика 1 Временска скала и прогноза ГаН енергетског уређаја
ИИ ГаН структура и карактеристике материјала
ГаН је полупроводник са директним размаком. Ширина појасног размака структуре вурцита на собној температури је око 3,26еВ. ГаН материјали имају три главне кристалне структуре, наиме структуру вурцита, структуру сфалерита и структуру камене соли. Међу њима, структура вурцита је најстабилнија кристална структура. Слика 2 је дијаграм хексагоналне структуре вурцита ГаН. Структура вирцита ГаН материјала припада хексагоналној збијеној структури. Свака јединична ћелија има 12 атома, укључујући 6 атома Н и 6 атома Га. Сваки атом Га (Н) формира везу са 4 најближа Н (Га) атома и поређан је по редоследу АБАБАБ… дуж [0001] правца [2].
Слика 2 Структура вирцита ГаН дијаграм кристалне ћелије
ИИИ Често коришћене подлоге за ГаН епитаксију
Чини се да је хомогена епитаксија на ГаН подлогама најбољи избор за ГаН епитаксију. Међутим, због велике енергије везе ГаН, када температура достигне тачку топљења од 2500 ℃, његов одговарајући притисак распадања је око 4,5 ГПа. Када је притисак разлагања нижи од овог притиска, ГаН се не топи већ се директно разлаже. Ово чини технологије припреме зрелих супстрата, као што је Цзоцхралски метод, неприкладним за припрему монокристалних супстрата ГаН, што чини ГаН супстрате тешким за масовну производњу и скупим. Стога су супстрати који се обично користе у ГаН епитаксијалном расту углавном Си, СиЦ, сафир, итд. [3].
Графикон 3 ГаН и параметри најчешће коришћених материјала супстрата
ГаН епитаксија на сафиру
Сафир има стабилна хемијска својства, јефтин је и има високу зрелост у индустрији велике производње. Стога је постао један од најранијих и најчешће коришћених супстратних материјала у инжењерству полупроводничких уређаја. Као један од најчешће коришћених супстрата за ГаН епитаксију, главни проблеми које треба решити за сафирне супстрате су:
✔ Због велике неусклађености решетке између сафира (Ал2О3) и ГаН (око 15%), густина дефекта на интерфејсу између епитаксијалног слоја и супстрата је веома висока. Да би се смањили њени штетни ефекти, супстрат мора бити подвргнут комплексном претходном третману пре почетка процеса епитаксије. Пре узгоја ГаН епитаксије на сафирним подлогама, површина подлоге мора прво бити строго очишћена да би се уклонили загађивачи, заостала оштећења од полирања, итд., и да би се произвеле степенице и структуре степеница. Затим се површина супстрата нитрира да би се променила својства влажења епитаксијалног слоја. Коначно, танак АлН пуферски слој (обично дебљине 10-100 нм) треба да се нанесе на површину супстрата и жари на ниској температури да би се припремио за коначни епитаксијални раст. Чак и тако, густина дислокација у ГаН епитаксијалним филмовима узгојеним на сафирним подлогама је и даље већа од густине хомоепитаксијалних филмова (око 1010 цм-2, у поређењу са суштински нултом густином дислокација у силицијумским хомоепитаксијалним филмовима или хомоепитаксијалним филмовима галијум арсенида2, ор-10 10 цм). 2). Већа густина дефеката смањује покретљивост носача, чиме се скраћује животни век мањинских носача и смањује топлотна проводљивост, што ће све смањити перформансе уређаја [4];
✔ Коефицијент термичке експанзије сафира је већи од коефицијента ГаН, тако да ће се у епитаксијалном слоју створити двоосни компресиони напон током процеса хлађења од температуре таложења до собне температуре. За дебље епитаксијалне филмове, овај напон може изазвати пуцање филма или чак подлоге;
✔ У поређењу са другим подлогама, топлотна проводљивост сафирних подлога је нижа (око 0,25В*цм-1*К-1 на 100℃), а перформансе одвођења топлоте су лоше;
✔ Због своје слабе проводљивости, сафирне подлоге нису погодне за њихову интеграцију и примену са другим полупроводничким уређајима.
Иако је густина дефекта ГаН епитаксијалних слојева узгојених на сафирним супстратима висока, чини се да не смањује значајно оптоелектронске перформансе плаво-зелених ЛЕД диода на бази ГаН, тако да су сафирне подлоге и даље често коришћене подлоге за ЛЕД диоде на бази ГаН.
Са развојем нових примена ГаН уређаја као што су ласери или други уређаји високе густине енергије, инхерентни дефекти сафирних супстрата све више постају ограничење њихове примене. Поред тога, са развојем технологије раста СиЦ супстрата, смањењем трошкова и зрелошћу ГаН епитаксијалне технологије на Си супстратима, више истраживања раста ГаН епитаксијалних слојева на сафирним подлогама постепено је показало тренд хлађења.
ГаН епитаксија на СиЦ
У поређењу са сафиром, СиЦ супстрати (4Х- и 6Х-кристали) имају мању неусклађеност решетке са епитаксијалним слојевима ГаН (3,1%, што је еквивалентно [0001] оријентисаним епитаксијалним филмовима), већу топлотну проводљивост (око 3,8В*цм-1*К -1), итд. Поред тога, проводљивост СиЦ супстрата такође омогућава да електрични контакти бити направљен на полеђини подлоге, што помаже да се поједностави структура уређаја. Постојање ових предности привлачи све више истраживача да раде на ГаН епитаксији на подлогама од силицијум карбида.
Међутим, рад директно на СиЦ подлогама како би се избегао раст ГаН епилатера такође се суочава са низом недостатака, укључујући следеће:
✔ Површинска храпавост СиЦ подлога је много већа него код сафирних супстрата (храпавост сафира 0,1нм РМС, СиЦ храпавост 1нм РМС), СиЦ подлоге имају високу тврдоћу и лоше перформансе обраде, а ова храпавост и заостала оштећења од полирања су такође један од извори дефеката у ГаН епислојевима.
✔ Густина вијчане дислокације СиЦ супстрата је висока (густина дислокације 103-104цм-2), дислокације шрафова се могу ширити до ГаН епислоја и смањити перформансе уређаја;
✔ Распоред атома на површини супстрата изазива формирање грешака у слагању (БСФ) у ГаН епислоју. За епитаксијални ГаН на СиЦ супстратима, постоји више могућих редоследа атомског распореда на супстрату, што резултира недоследним почетним атомским редоследом слагања епитаксијалног ГаН слоја на њему, који је склон грешкама у слагању. Грешке у слагању (СФ) уводе уграђена електрична поља дуж ц-осе, што доводи до проблема као што је цурење уређаја за одвајање носача у равни;
✔ Коефицијент термичког ширења СиЦ супстрата је мањи од коефицијента АлН и ГаН, што узрокује акумулацију термичког напрезања између епитаксијалног слоја и подлоге током процеса хлађења. Валтереит и Бранд су предвидели на основу резултата својих истраживања да се овај проблем може ублажити или решити гајењем ГаН епитаксијалних слојева на танким, кохерентно напрегнутим слојевима АлН нуклеације;
✔ Проблем лоше влажености атома Га. Када се ГаН епитаксијални слојеви узгајају директно на површини СиЦ, због лоше квашења између два атома, ГаН је склон расту 3Д острва на површини супстрата. Увођење пуферског слоја је најчешће коришћено решење за побољшање квалитета епитаксијалних материјала у ГаН епитаксији. Увођење АлН или АлкГа1-кН пуферског слоја може ефикасно побољшати квашење површине СиЦ и учинити да епитаксијални слој ГаН расте у две димензије. Поред тога, такође може регулисати стрес и спречити да се дефекти супстрата прошире до ГаН епитаксије;
✔ Технологија припреме СиЦ супстрата је незрела, цена супстрата је висока, а има мало добављача и мало понуде.
Истраживање Тореса и сарадника показује да нагризање СиЦ супстрата са Х2 на високој температури (1600°Ц) пре епитаксије може произвести уређенију структуру корака на површини супстрата, чиме се добија квалитетнији АлН епитаксијални филм него када је директно узгаја на оригиналној површини супстрата. Истраживање Ксиеа и његовог тима такође показује да предтретман супстрата од силицијум карбида може значајно побољшати морфологију површине и квалитет кристала ГаН епитаксијалног слоја. Смитх ет ал. открили да су навојне дислокације које потичу из интерфејса супстрат/тампон слој и баферски слој/епитаксијални слој повезане са равношћу супстрата [5].
Слика 4 ТЕМ морфологија узорака епитаксијалног слоја ГаН узгојених на 6Х-СиЦ супстрату (0001) под различитим условима површинске обраде (а) хемијско чишћење; (б) хемијско чишћење + третман водоничном плазмом; (ц) хемијско чишћење + третман водоничном плазмом + топлотна обрада водоником на 1300 ℃ у трајању од 30 минута
ГаН епитаксија на Си
У поређењу са силицијум карбидом, сафиром и другим супстратима, процес припреме силицијумске подлоге је зрео и може стабилно да обезбеди зреле подлоге великих димензија са високим перформансама. Истовремено, топлотна проводљивост и електрична проводљивост су добре, а процес Си електронског уређаја је зрео. Могућност савршеног интегрисања оптоелектронских ГаН уређаја са Си електронским уређајима у будућности такође чини раст ГаН епитаксије на силицијуму веома атрактивним.
Међутим, због велике разлике у константама решетке између Си супстрата и ГаН материјала, хетерогена епитаксија ГаН на Си супстрату је типична епитаксија велике неусклађености, а такође треба да се суочи са низом проблема:
✔ Проблем са енергијом површинског интерфејса. Када ГаН расте на Си супстрату, површина Си супстрата ће прво бити нитрирана да би се формирао слој аморфног силицијум нитрида који не погодује нуклеацији и расту ГаН високе густине. Поред тога, површина Си ће прво контактирати Га, који ће кородирати површину Си супстрата. На високим температурама, разлагање површине Си ће дифундовати у епитаксијални слој ГаН и формирати црне силиконске мрље.
✔ Неусклађеност константе решетке између ГаН и Си је велика (~17%), што ће довести до формирања дислокација навоја високе густине и значајно смањити квалитет епитаксијалног слоја;
✔ У поређењу са Си, ГаН има већи коефицијент термичке експанзије (ГаН-ов коефицијент термичке експанзије је око 5,6×10-6К-1, Си-ов коефицијент топлотног ширења је око 2,6×10-6К-1), а пукотине се могу генерисати у ГаН епитаксијални слој током хлађења епитаксијалне температуре до собне температуре;
✔ Си реагује са НХ3 на високим температурама да би се формирао поликристални СиНк. АлН не може формирати преференцијално оријентисано језгро на поликристалном СиНк-у, што доводи до поремећене оријентације накнадно израслог слоја ГаН и великог броја дефеката, што резултира лошим кристалним квалитетом епитаксијалног слоја ГаН, па чак и потешкоћама у формирању монокристалног слоја. ГаН епитаксијални слој [6].
Да би решили проблем велике неусклађености решетке, истраживачи су покушали да уведу материјале као што су АлАс, ГаАс, АлН, ГаН, ЗнО и СиЦ као пуферске слојеве на Си супстратима. Да би се избегло формирање поликристалног СиНк-а и смањио његов штетни утицај на квалитет кристала ГаН/АлН/Си (111) материјала, ТМАл је обично потребно да се унесе одређени временски период пре епитаксијалног раста АлН пуферског слоја. како би се спречило да НХ3 реагује са изложеном површином Си и формира СиНк. Поред тога, епитаксијалне технологије као што је технологија супстрата са узорком могу се користити за побољшање квалитета епитаксијалног слоја. Развој ових технологија помаже да се инхибира формирање СиНк на епитаксијалном интерфејсу, промовише дводимензионални раст епитаксијалног слоја ГаН и побољша квалитет раста епитаксијалног слоја. Поред тога, уводи се АлН пуферски слој како би се компензовао затезни напон узрокован разликом у коефицијентима термичког ширења како би се избегле пукотине у епитаксијалном слоју ГаН на силицијумској подлози. Кростово истраживање показује да постоји позитивна корелација између дебљине АлН пуферског слоја и смањења напрезања. Када дебљина пуферског слоја достигне 12 нм, епитаксијални слој дебљи од 6 μм може се узгајати на силицијумској подлози кроз одговарајућу шему раста без пуцања епитаксијалног слоја.
Након дугорочних напора истраживача, квалитет ГаН епитаксијалних слојева узгојених на силицијумским подлогама је значајно побољшан, а уређаји као што су транзистори са ефектом поља, ултраљубичасти детектори Шоткијеве баријере, плаво-зелене ЛЕД диоде и ултраљубичасти ласери су постигли значајан напредак.
Укратко, пошто су најчешће коришћени ГаН епитаксијални супстрати хетерогена епитаксија, сви се суочавају са заједничким проблемима као што су неусклађеност решетке и велике разлике у коефицијентима топлотног ширења у различитим степенима. Хомогени епитаксијални ГаН супстрати су ограничени зрелошћу технологије, а супстрати још нису масовно произведени. Трошкови производње су високи, величина подлоге је мала, а квалитет подлоге није идеалан. Развој нових ГаН епитаксијалних супстрата и побољшање епитаксијалног квалитета и даље су један од важних фактора који ограничавају даљи развој ГаН епитаксијалне индустрије.
ИВ. Уобичајене методе за ГаН епитаксију
МОЦВД (хемијско таложење паре)
Чини се да је хомогена епитаксија на ГаН подлогама најбољи избор за ГаН епитаксију. Међутим, пошто су прекурсори хемијског таложења из паре триметилгалијум и амонијак, а гас носач је водоник, типична температура раста МОЦВД је око 1000-1100 ℃, а брзина раста МОЦВД је око неколико микрона на сат. Може да произведе стрме интерфејсе на атомском нивоу, што је веома погодно за растуће хетероспојнице, квантне бунаре, суперрешетке и друге структуре. Његова брза стопа раста, добра униформност и погодност за раст великих површина и више комада често се користе у индустријској производњи.
МБЕ (епитаксија молекулским снопом)
У епитаксији молекуларним снопом, Га користи елементарни извор, а активни азот се добија из азота преко РФ плазме. У поређењу са МОЦВД методом, температура раста МБЕ је око 350-400 ℃ нижа. Нижа температура раста може избећи одређено загађење које може бити узроковано високим температурама. МБЕ систем ради под ултра-високим вакуумом, што му омогућава да интегрише више метода детекције на лицу места. Истовремено, његова стопа раста и производни капацитет се не могу поредити са МОЦВД-ом, а више се користи у научним истраживањима [7].
Слика 5 (а) Шема Еико-МБЕ (б) Шема главне реакционе коморе МБЕ
ХВПЕ метода (епитаксија хидридне парне фазе)
Прекурсор методе епитаксије хидридне парне фазе су ГаЦл3 и НХ3. Детцхпрохм ет ал. користио ову методу за узгој ГаН епитаксијалног слоја дебљине стотине микрона на површини сафирне подлоге. У њиховом експерименту, слој ЗнО је узгајан између сафирне подлоге и епитаксијалног слоја као пуферског слоја, а епитаксијални слој је ољуштен са површине супстрата. У поређењу са МОЦВД и МБЕ, главна карактеристика ХВПЕ методе је његова висока стопа раста, која је погодна за производњу дебелих слојева и расутих материјала. Међутим, када дебљина епитаксијалног слоја прелази 20 μм, епитаксијални слој произведен овом методом је склон пуцању.
Акира УСУИ је представио технологију супстрата са узорком засновану на овој методи. Прво су узгајали танак ГаН епитаксијални слој дебљине 1-1,5 μм на сафирној подлози користећи МОЦВД методу. Епитаксијални слој се састојао од 20нм дебелог ГаН пуферског слоја узгајаног у условима ниске температуре и ГаН слоја узгајаног у условима високе температуре. Затим, на 430 ℃, слој СиО2 је нанесен на површину епитаксијалног слоја, а прозорске траке су направљене на СиО2 филму фотолитографијом. Размак између трака био је 7 μм, а ширина маске се кретала од 1 μм до 4 μм. Након овог побољшања, добили су ГаН епитаксијални слој на сафирној подлози пречника 2 инча која је била без пукотина и глатка као огледало чак и када се дебљина повећала на десетине или чак стотине микрона. Густина дефекта је смањена са 109-1010цм-2 традиционалном ХВПЕ методом на око 6×107цм-2. Такође су у експерименту истакли да када брзина раста пређе 75 μм/х, површина узорка постаје храпава[8].
Слика 6 Шема графичке подлоге
В. Резиме и изгледи
ГаН материјали су почели да се појављују 2014. године када је плава ЛЕД лампа добила Нобелову награду за физику те године и ушла у јавно поље апликација за брзо пуњење у пољу потрошачке електронике. У ствари, тихо су се појавиле и апликације у појачивачима снаге и РФ уређајима који се користе у 5Г базним станицама које већина људи не види. Последњих година, очекује се да ће пробој електричних уређаја за аутомобиле заснованих на ГаН-у отворити нове тачке раста за тржиште примене ГаН материјала.
Огромна потражња на тржишту ће сигурно промовисати развој индустрија и технологија повезаних са ГаН. Са зрелошћу и унапређењем индустријског ланца везаног за ГаН, проблеми са којима се суочава тренутна ГаН епитаксијална технологија ће на крају бити побољшани или превазиђени. У будућности ће људи сигурно развити више нових епитаксијалних технологија и више одличних опција супстрата. До тада ће људи моћи да изаберу најприкладнију технологију екстерног истраживања и супстрат за различите сценарије примене према карактеристикама сценарија примене и произведу најконкурентније производе по мери.
Време поста: 28.06.2024