1. Semikonduktor generasi katilu
Téknologi semikonduktor generasi kahiji dikembangkeun dumasar kana bahan semikonduktor sapertos Si sareng Ge. Éta mangrupikeun bahan dasar pikeun pangembangan transistor sareng téknologi sirkuit terpadu. Bahan semikonduktor generasi kahiji nempatkeun pondasi pikeun industri éléktronik dina abad ka-20 sareng mangrupikeun bahan dasar pikeun téknologi sirkuit terpadu.
Bahan semikonduktor generasi kadua utamana ngawengku gallium arsenide, indium phosphide, gallium phosphide, indium arsenide, aluminium arsenide jeung sanyawa ternary maranéhanana. Bahan semikonduktor generasi kadua mangrupikeun pondasi industri inpormasi optoeléktronik. Atas dasar ieu, industri anu aya hubunganana sapertos pencahayaan, tampilan, laser, sareng photovoltaics parantos dikembangkeun. Éta seueur dianggo dina téknologi inpormasi kontemporer sareng industri tampilan optoelectronic.
Bahan wawakil bahan semikonduktor generasi katilu kalebet galium nitrida sareng silikon karbida. Alatan gap pita maranéhanana lega, laju drift jenuh éléktron tinggi, konduktivitas termal tinggi, sarta kakuatan médan breakdown tinggi, aranjeunna bahan idéal pikeun Nyiapkeun dénsitas kakuatan tinggi, frékuénsi luhur, sarta low-rugi alat éléktronik. Di antarana, alat kakuatan silikon carbide boga kaunggulan dénsitas énérgi tinggi, konsumsi énergi low, sarta ukuran leutik, sarta boga prospek aplikasi lega dina kandaraan énergi anyar, photovoltaics, angkutan rail, data badag, sarta widang lianna. Alat RF Gallium nitride boga kaunggulan frékuénsi luhur, kakuatan tinggi, rubakpita lega, konsumsi kakuatan lemah sareng ukuran leutik, sarta boga prospek aplikasi lega dina komunikasi 5G, Internet of Things, radar militér jeung widang lianna. Sajaba ti éta, alat-alat kakuatan basis gallium nitride geus loba dipaké dina widang-tegangan low. Salaku tambahan, dina taun-taun ayeuna, bahan galium oksida anu munculna diperkirakeun ngabentuk komplementaritas téknis sareng téknologi SiC sareng GaN anu tos aya, sareng gaduh prospek aplikasi poténsial dina widang frekuensi rendah sareng tegangan tinggi.
Dibandingkeun jeung bahan semikonduktor generasi kadua, bahan semikonduktor generasi katilu boga lebar bandgap lega (lebar bandgap Si, bahan has tina bahan semikonduktor generasi kahiji, nyaeta ngeunaan 1.1eV, lebar bandgap of GaAs, a has. bahan tina bahan semikonduktor generasi kadua, nyaeta ngeunaan 1.42eV, sarta lebar bandgap of GaN, bahan has tina bahan semikonduktor generasi katilu, nyaeta di luhur 2.3eV), résistansi radiasi kuat, résistansi kuat kana ngarecahna médan listrik, jeung lalawanan suhu luhur. Bahan semikonduktor generasi katilu kalayan lebar bandgap anu langkung lega cocog pisan pikeun ngahasilkeun alat éléktronik anu tahan radiasi, frékuénsi luhur, kakuatan tinggi sareng integrasi anu luhur. Aplikasina dina alat frekuensi radio gelombang mikro, LED, laser, alat listrik sareng widang anu sanés parantos narik perhatian, sareng aranjeunna parantos nunjukkeun prospek pangembangan anu lega dina komunikasi sélulér, grid pinter, transit rél, kendaraan énergi énggal, éléktronika konsumen, sareng ultraviolét sareng biru. -alat lampu héjo [1].
Sumber gambar: CASA, Zheshang Securities Research Institute
Gambar 1 GaN skala waktos alat kakuatan jeung ramalan
II GaN struktur bahan jeung ciri
GaN nyaéta semikonduktor bandgap langsung. Lebar bandgap tina struktur wurtzite dina suhu kamar nyaéta ngeunaan 3.26eV. Bahan GaN mibanda tilu struktur kristal utama, nyaéta struktur wurtzite, struktur sphalerite jeung struktur uyah batu. Di antarana, struktur wurtzite mangrupa struktur kristal paling stabil. Gambar 2 mangrupa diagram struktur wurtzite héksagonal GaN. Struktur wurtzite bahan GaN milik struktur héksagonal nutup-dipak. Unggal sél unit boga 12 atom, kaasup 6 atom N jeung 6 atom Ga. Unggal atom Ga (N) ngabentuk beungkeutan jeung 4 atom N (Ga) pangdeukeutna sarta disusun dina urutan ABABAB… sapanjang arah [0001] [2].
Gambar 2 Struktur Wurtzite diagram sél kristal GaN
III Substrat anu biasa dianggo pikeun epitaksi GaN
Sigana mah epitaksi homogen dina substrat GaN mangrupikeun pilihan pangsaéna pikeun epitaksi GaN. Sanajan kitu, alatan énergi beungkeut badag GaN, nalika suhu ngahontal titik lebur 2500 ℃, tekanan dékomposisi pakait nyaeta ngeunaan 4.5GPa. Lamun tekanan dékomposisi leuwih handap tekanan ieu, GaN teu ngalembereh tapi decomposes langsung. Hal ieu ngajadikeun téknologi persiapan substrat dewasa sapertos metode Czochralski teu cocog pikeun persiapan substrat kristal tunggal GaN, ngajantenkeun substrat GaN hésé ngahasilkeun masal sareng mahal. Ku alatan éta, substrat ilahar dipaké dina tumuwuhna epitaxial GaN utamana Si, SiC, inten biru, jsb [3].
Bagan 3 GaN sareng parameter bahan substrat anu biasa dianggo
GaN epitaxy on sapir
Safir mibanda sipat kimia anu stabil, murah, sareng gaduh kematangan anu luhur dina industri produksi skala ageung. Ku alatan éta, éta geus jadi salah sahiji bahan substrat pangheubeulna sarta paling loba dipaké dina rékayasa alat semikonduktor. Salaku salah sahiji substrat anu biasa dianggo pikeun epitaxy GaN, masalah utama anu kedah direngsekeun pikeun substrat inten biru nyaéta:
✔ Alatan kisi badag mismatch antara inten biru (Al2O3) jeung GaN (kira 15%), dénsitas cacad dina panganteur antara lapisan epitaxial jeung substrat kacida luhurna. Dina raraga ngurangan efek ngarugikeun na, substrat kudu subjected kana pretreatment kompléks saméméh prosés epitaxy dimimitian. Sateuacan ngembang epitaxy GaN dina substrat inten biru, permukaan substrat kedah dibersihkeun heula pikeun ngaleungitkeun kontaminan, karusakan ngagosok sésa, sareng sajabana, sareng pikeun ngahasilkeun léngkah sareng struktur permukaan undak. Lajeng, permukaan substrat nitrided pikeun ngarobah sipat wetting tina lapisan epitaxial. Tungtungna, lapisan panyangga AlN ipis (biasana 10-100nm kandel) kedah disimpen dina permukaan substrat sareng dianil dina suhu anu handap pikeun nyiapkeun pertumbuhan epitaxial ahir. Sanajan kitu, kapadetan dislokasi dina film epitaxial GaN tumuwuh dina substrat inten biru masih leuwih luhur batan film homoepitaxial (kira-kira 1010cm-2, dibandingkeun jeung dénsitas dislokasi dasarna nol dina film homoepitaxial silikon atawa film homoepitaxial galium arsenide, atawa antara 102 jeung 104cm-. 2). Kapadetan cacad anu langkung luhur ngirangan mobilitas pamawa, ku kituna ngirangan umur pamawa minoritas sareng ngirangan konduktivitas termal, anu sadayana bakal ngirangan kinerja alat [4];
✔ Koéfisién ékspansi termal inten biru langkung ageung tibatan GaN, ku kituna setrés komprési biaxial bakal dibangkitkeun dina lapisan epitaxial salami prosés pendinginan tina suhu déposisi ka suhu kamar. Pikeun film epitaxial kandel, stress ieu bisa ngabalukarkeun cracking film atawa malah substrat;
✔ Dibandingkeun sareng substrat sanés, konduktivitas termal substrat inten biru langkung handap (kira-kira 0.25W * cm-1 * K-1 dina 100 ℃), sareng kinerja dissipation panas goréng;
✔ Kusabab konduktivitasna goréng, substrat inten biru henteu kondusif pikeun integrasi sareng aplikasina sareng alat semikonduktor anu sanés.
Sanajan dénsitas cacad tina lapisan epitaxial GaN tumuwuh dina substrat inten biru téh tinggi, teu sigana nyata ngurangan kinerja optoelektronik LEDs biru-héjo basis GaN, jadi substrat inten biru masih ilahar dipaké substrat pikeun LEDs basis GaN.
Kalayan ngembangkeun langkung seueur aplikasi anyar alat GaN sapertos laser atanapi alat kakuatan kapadetan luhur anu sanés, cacad alami tina substrat inten biru parantos janten watesan dina aplikasina. Salaku tambahan, kalayan pamekaran téknologi pertumbuhan substrat SiC, pangurangan biaya sareng kematangan téknologi epitaxial GaN dina substrat Si, langkung seueur panilitian ngeunaan tumuwuh lapisan epitaxial GaN dina substrat inten biru parantos nunjukkeun tren pendinginan.
GaN epitaxy on SiC
Dibandingkeun sareng inten biru, substrat SiC (4H- sareng 6H-kristal) gaduh teu cocog kisi anu langkung alit sareng lapisan epitaxial GaN (3.1%, sami sareng [0001] film epitaxial berorientasi), konduktivitas termal anu langkung luhur (sakitar 3.8W * cm-1 * K). -1), jsb Sajaba ti éta, konduktivitas substrat SiC ogé ngamungkinkeun kontak listrik dijieun dina tonggong substrat, nu mantuan pikeun simplify struktur alat. Ayana kaunggulan ieu geus narik beuki loba peneliti pikeun gawé dina GaN epitaxy on substrat silikon carbide.
Nanging, damel langsung dina substrat SiC pikeun ngahindarkeun epilayers GaN ngembang ogé nyanghareupan sababaraha kalemahan, kalebet ieu:
✔ Kakasaran permukaan substrat SiC jauh langkung luhur tibatan substrat inten biru (kasaran inten biru 0.1nm RMS, kakasaran SiC 1nm RMS), substrat SiC gaduh karasa tinggi sareng kinerja pamrosésan anu goréng, sareng kakasaran ieu sareng karusakan polishing residual ogé salah sahiji sumber defects dina epilayers GaN.
✔ Dénsitas dislokasi screw substrat SiC luhur (dénsitas dislokasi 103-104cm-2), dislokasi screw tiasa nyebarkeun kana epilayer GaN sareng ngirangan kinerja alat;
✔ Susunan atom dina permukaan substrat induces formasi stacking faults (BSFs) dina epilayer GaN. Pikeun GaN epitaxial dina substrat SiC, aya sababaraha kamungkinan susunan susunan atom dina substrat, hasilna urutan tumpukan atom mimiti inconsistent tina lapisan GaN epitaxial di dinya, nu rentan ka stacking faults. Stacking faults (SFs) ngawanohkeun médan listrik diwangun-di sapanjang sumbu c, ngarah kana masalah kayaning leakage alat separation pamawa di-pesawat;
✔ Koéfisién ékspansi termal substrat SiC leuwih leutik batan AlN jeung GaN, nu ngabalukarkeun akumulasi stress termal antara lapisan epitaxial jeung substrat salila prosés cooling. Waltereit jeung Brand diprediksi dumasar kana hasil panalungtikan maranéhanana yén masalah ieu bisa alleviated atawa direngsekeun ku tumuwuh lapisan epitaxial GaN dina ipis, coherently tapis lapisan nucleation AlN;
✔ Masalah wettability goréng atom Ga. Nalika tumuwuh lapisan epitaxial GaN langsung dina beungeut SiC, alatan wettability goréng antara dua atom, GaN rawan tumuwuhna pulo 3D dina beungeut substrat. Ngenalkeun lapisan panyangga mangrupikeun solusi anu paling sering dianggo pikeun ningkatkeun kualitas bahan epitaxial dina epitaksi GaN. Ngenalkeun lapisan panyangga AlN atanapi AlxGa1-xN sacara efektif tiasa ningkatkeun kabasaan permukaan SiC sareng ngajantenkeun lapisan epitaxial GaN tumbuh dina dua diménsi. Salaku tambahan, éta ogé tiasa ngatur setrés sareng nyegah defects substrat dugi ka epitaxy GaN;
✔ Téknologi persiapan substrat SiC henteu dewasa, biaya substrat tinggi, sareng aya sababaraha supplier sareng sakedik suplai.
Panaliti Torres et al. nunjukkeun yén etching substrat SiC sareng H2 dina suhu luhur (1600 ° C) sateuacan epitaksi tiasa ngahasilkeun struktur léngkah anu langkung teratur dina permukaan substrat, ku kituna kéngingkeun pilem epitaxial AlN anu langkung luhur tibatan nalika éta langsung. tumuwuh dina permukaan substrat aslina. Panaliti Xie sareng timnya ogé nunjukkeun yén pretreatment etching tina substrat silikon karbida tiasa sacara signifikan ningkatkeun morfologi permukaan sareng kualitas kristal tina lapisan epitaxial GaN. Smith et al. kapanggih yén threading dislocations asalna tina substrat / lapisan panyangga jeung panyangga lapisan / interfaces lapisan epitaxial patali jeung flatness tina substrat [5].
Gambar 4 TEM morfologi sampel lapisan epitaxial GaN tumuwuh dina substrat 6H-SiC (0001) dina kaayaan perlakuan permukaan béda (a) beberesih kimiawi; (b) beberesih kimia + perlakuan plasma hidrogén; (c) beberesih kimiawi + perlakuan plasma hidrogén + 1300 ℃ perlakuan panas hidrogén pikeun 30min
GaN epitaxy on Si
Dibandingkeun sareng silikon carbide, inten biru sareng substrat sanés, prosés persiapan substrat silikon parantos dewasa, sareng éta tiasa nyayogikeun substrat ukuran ageung dewasa kalayan kinerja biaya tinggi. Dina waktos anu sami, konduktivitas termal sareng konduktivitas listrik saé, sareng prosés alat éléktronik Si parantos dewasa. Kamungkinan sampurna ngahijikeun alat GaN optoelektronik sareng alat éléktronik Si di hareup ogé ngajantenkeun kamekaran epitaksi GaN dina silikon pikaresepeun pisan.
Nanging, kusabab bédana ageung konstanta kisi antara substrat Si sareng bahan GaN, epitaksi hétérogén GaN dina substrat Si mangrupikeun epitaksi anu henteu cocog anu ageung, sareng éta ogé kedah nyanghareupan sababaraha masalah:
✔ Masalah énergi antarmuka permukaan. Nalika GaN tumuwuh dina substrat Si, beungeut substrat Si munggaran bakal nitrided pikeun ngabentuk lapisan silikon nitride amorf nu teu kondusif pikeun nukleasi sarta tumuwuhna dénsitas luhur GaN. Sajaba ti éta, beungeut Si munggaran bakal kontak Ga, nu bakal corrode beungeut substrat Si. Dina suhu luhur, dékomposisi tina beungeut Si bakal diffuse kana lapisan epitaxial GaN pikeun ngabentuk bintik silikon hideung.
✔ Kisi konstan mismatch antara GaN jeung Si badag (~ 17%), nu bakal ngakibatkeun formasi high-dénsitas threading dislocations sarta nyata ngurangan kualitas lapisan epitaxial;
✔ Dibandingkeun sareng Si, GaN gaduh koefisien ékspansi termal anu langkung ageung (koéfisién ékspansi termal GaN sakitar 5,6 × 10-6K-1, koefisien ékspansi termal Si kira-kira 2,6 × 10-6K-1), sareng retakan tiasa dibangkitkeun dina GaN lapisan epitaxial salila cooling suhu epitaxial ka suhu kamar;
✔ Si meta jeung NH3 dina suhu luhur pikeun ngabentuk polycrystalline SiNx. AlN teu bisa ngabentuk inti preferentially berorientasi on polycrystalline SiNx, nu ngabalukarkeun hiji orientasi disordered tina lapisan GaN salajengna tumuwuh sarta jumlah tinggi defects, hasilna kualitas kristal goréng tina lapisan epitaxial GaN, komo kasusah dina ngabentuk single-kristal. Lapisan epitaxial GaN [6].
Dina raraga ngajawab masalah mismatch kisi badag, peneliti geus diusahakeun ngawanohkeun bahan kayaning AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, sarta SiC salaku lapisan panyangga dina substrat Si. Pikeun ngahindarkeun formasi polycrystalline SiNx sareng ngirangan épék ngarugikeun kana kualitas kristal bahan GaN / AlN / Si (111), TMAl biasana diperyogikeun pikeun diwanohkeun pikeun sababaraha waktos sateuacan kamekaran epitaxial lapisan panyangga AlN. pikeun nyegah NH3 ngaréaksikeun sareng permukaan Si anu kakeunaan ngabentuk SiNx. Salaku tambahan, téknologi epitaxial sapertos téknologi substrat berpola tiasa dianggo pikeun ningkatkeun kualitas lapisan epitaxial. Ngembangkeun téknologi ieu mantuan pikeun ngahambat formasi SiNx dina panganteur epitaxial, ngamajukeun tumuwuhna dua diménsi tina lapisan epitaxial GaN, sarta ngaronjatkeun kualitas tumuwuhna lapisan epitaxial. Sajaba ti éta, lapisan panyangga AlN diwanohkeun pikeun ngimbangan tegangan tensile disababkeun ku bédana koefisien ékspansi termal pikeun nyegah retakan dina lapisan epitaxial GaN dina substrat silikon. Panaliti Krost nunjukkeun yén aya korelasi anu positif antara ketebalan lapisan panyangga AlN sareng pangurangan galur. Nalika ketebalan lapisan panyangga ngahontal 12nm, hiji lapisan epitaxial kandel ti 6μm bisa tumuwuh dina substrat silikon ngaliwatan hiji skéma tumuwuhna luyu tanpa cracking lapisan epitaxial.
Saatos usaha jangka panjang ku panalungtik, kualitas lapisan epitaxial GaN tumuwuh dina substrat silikon geus nyata ningkat, sarta alat-alat kayaning transistor éfék sawah, Schottky panghalang detéktor ultraviolét, LEDs biru-héjo sarta lasers ultraviolét geus nyieun kamajuan signifikan.
Kasimpulanana, kumargi substrat epitaxial GaN anu biasa dianggo sadayana épitaksi hétérogén, aranjeunna sadayana nyanghareupan masalah umum sapertos mismatch kisi sareng bédana ageung dina koefisien ékspansi termal kana derajat anu béda-béda. Substrat GaN epitaxial homogen dibatesan ku kematangan téknologi, sareng substratna henteu acan diproduksi sacara masal. Biaya produksi luhur, ukuran substrat leutik, sareng kualitas substrat henteu idéal. Ngembangkeun substrat epitaxial GaN anyar sareng perbaikan kualitas epitaxial masih mangrupikeun salah sahiji faktor penting anu ngabatesan pamekaran salajengna industri epitaxial GaN.
IV. Métode umum pikeun GaN epitaxy
MOCVD (deposisi uap kimiawi)
Sigana mah epitaksi homogen dina substrat GaN mangrupikeun pilihan pangsaéna pikeun epitaksi GaN. Tapi, saprak prékursor déposisi uap kimia nyaéta trimethylgallium sareng amonia, sareng gas pembawa nyaéta hidrogén, suhu pertumbuhan MOCVD khas sakitar 1000-1100 ℃, sareng laju pertumbuhan MOCVD sakitar sababaraha microns per jam. Bisa ngahasilkeun interfaces lungkawing dina tingkat atom, nu cocog pisan pikeun tumuwuh heterojunctions, sumur kuantum, superlattices jeung struktur séjén. Laju pertumbuhan gancangna, kaseragaman anu saé, sareng cocog pikeun daérah ageung sareng pertumbuhan multi-sapotong sering dianggo dina produksi industri.
MBE (molecular beam epitaxy)
Dina molekular beam epitaxy, Ga ngagunakeun sumber unsur, sarta nitrogén aktif dicandak ti nitrogén ngaliwatan RF plasma. Dibandingkeun sareng metode MOCVD, suhu pertumbuhan MBE sakitar 350-400 ℃ langkung handap. Suhu pertumbuhan anu handap tiasa ngahindarkeun polusi anu tangtu anu disababkeun ku lingkungan suhu anu luhur. Sistem MBE beroperasi dina kaayaan vakum ultra-tinggi, anu ngamungkinkeun pikeun ngahijikeun langkung seueur metode deteksi di-situ. Dina waktos anu sami, laju pertumbuhan sareng kapasitas produksina henteu tiasa dibandingkeun sareng MOCVD, sareng langkung seueur dianggo dina panalungtikan ilmiah [7].
Gambar 5 (a) Skématik Eiko-MBE (b) Skématik chamber réaksi utama MBE
Métode HVPE (hydride vapor phase epitaxy)
Prékursor métode épitaksi fase uap hidrida nyaéta GaCl3 jeung NH3. Detchprohm et al. ngagunakeun métode ieu pikeun tumuwuh lapisan epitaxial GaN ratusan microns kandel dina beungeut substrat inten biru. Dina percobaan maranéhanana, lapisan ZnO tumuwuh antara substrat inten biru jeung lapisan epitaxial salaku lapisan panyangga, sarta lapisan epitaxial ieu peeled kaluar tina beungeut substrat. Dibandingkeun sareng MOCVD sareng MBE, fitur utama metode HVPE nyaéta tingkat pertumbuhan anu luhur, anu cocog pikeun produksi lapisan kandel sareng bahan bulk. Sanajan kitu, nalika ketebalan lapisan epitaxial ngaleuwihan 20μm, lapisan epitaxial dihasilkeun ku metoda ieu rawan retakan.
Akira USUI ngenalkeun téknologi substrat berpola dumasar kana metode ieu. Aranjeunna mimiti tumuwuh lapisan epitaxial GaN kandel 1-1.5μm ipis dina substrat inten biru nganggo metode MOCVD. Lapisan epitaxial diwangun ku lapisan panyangga GaN kandel 20nm anu tumbuh dina kaayaan suhu anu handap sareng lapisan GaN anu tumbuh dina kaayaan suhu anu luhur. Lajeng, dina 430 ℃, lapisan SiO2 ieu plated dina beungeut lapisan epitaxial, sarta stripes jandela dijieun dina pilem SiO2 ku photolithography. Jarak belang nyaéta 7μm sareng lebar topéng dibasajankeun 1μm dugi ka 4μm. Saatos perbaikan ieu, aranjeunna nampi lapisan epitaxial GaN dina substrat inten biru diaméterna 2 inci anu henteu rengat sareng mulus sapertos eunteung sanajan ketebalanna ningkat kana puluhan atanapi bahkan ratusan mikron. Kapadetan cacad diréduksi tina 109-1010cm-2 tina metode HVPE tradisional janten sakitar 6 × 107cm-2. Éta ogé nunjuk kaluar dina percobaan yén nalika laju tumuwuh ngaleuwihan 75μm / h, beungeut sampel bakal jadi kasar [8].
Gambar 6 Skématik Substrat Grafis
V. Ringkesan jeung Outlook
Bahan GaN mimiti muncul dina 2014 nalika lampu biru LED meunang Hadiah Nobel dina Fisika taun éta, sareng asup kana widang aplikasi ngecas gancang masarakat dina widang éléktronika konsumen. Nyatana, aplikasi dina amplifier kakuatan sareng alat RF anu dianggo dina stasiun pangkalan 5G anu teu tiasa ditingali ku kalolobaan jalma ogé muncul sacara tenang. Dina taun-taun ayeuna, terobosan alat listrik kelas otomotif berbasis GaN diperkirakeun muka titik pertumbuhan énggal pikeun pasar aplikasi bahan GaN.
Paménta pasar anu ageung pasti bakal ngamajukeun pangembangan industri sareng téknologi anu aya hubunganana sareng GaN. Kalayan kematangan sareng perbaikan ranté industri anu aya hubunganana sareng GaN, masalah anu disanghareupan ku téknologi epitaxial GaN ayeuna antukna bakal ningkat atanapi diatasi. Ka hareupna, jalma pasti bakal ngembangkeun téknologi epitaxial énggal sareng pilihan substrat anu langkung saé. Ku harita, jalma bakal tiasa milih téknologi panalungtikan éksternal anu paling cocog sareng substrat pikeun skénario aplikasi anu béda-béda dumasar kana karakteristik skenario aplikasi, sareng ngahasilkeun produk anu paling kompetitif.
waktos pos: Jun-28-2024