1. Tredje generationens halvledare
Den första generationens halvledarteknologi utvecklades baserat på halvledarmaterial som Si och Ge. Det är den materiella grunden för utvecklingen av transistorer och integrerad kretsteknik. Den första generationens halvledarmaterial lade grunden för den elektroniska industrin på 1900-talet och är grundmaterialet för integrerad kretsteknik.
Andra generationens halvledarmaterial inkluderar huvudsakligen galliumarsenid, indiumfosfid, galliumfosfid, indiumarsenid, aluminiumarsenid och deras ternära föreningar. Andra generationens halvledarmaterial är grunden för den optoelektroniska informationsindustrin. På grundval av detta har relaterade industrier som belysning, display, laser och solceller utvecklats. De används i stor utsträckning inom modern informationsteknologi och optoelektronisk displayindustri.
Representativa material i tredje generationens halvledarmaterial inkluderar galliumnitrid och kiselkarbid. På grund av deras breda bandgap, höga elektronmättnadsdrifthastighet, höga värmeledningsförmåga och höga genombrottsfältstyrka är de idealiska material för att förbereda elektroniska enheter med hög effekttäthet, hög frekvens och låg förlust. Bland dem har kraftenheter av kiselkarbid fördelarna med hög energitäthet, låg energiförbrukning och liten storlek, och har breda tillämpningsmöjligheter inom nya energifordon, solceller, järnvägstransporter, big data och andra områden. Galliumnitrid RF-enheter har fördelarna med hög frekvens, hög effekt, bred bandbredd, låg strömförbrukning och liten storlek, och har breda tillämpningsmöjligheter inom 5G-kommunikation, Internet of Things, militär radar och andra områden. Dessutom har galliumnitrid-baserade kraftenheter använts i stor utsträckning inom lågspänningsområdet. Dessutom, under de senaste åren, förväntas framväxande galliumoxidmaterial utgöra teknisk komplementaritet med befintliga SiC- och GaN-teknologier och ha potentiella tillämpningsmöjligheter inom lågfrekventa och högspänningsfält.
Jämfört med andra generationens halvledarmaterial har tredje generationens halvledarmaterial bredare bandgapbredd (bandgapbredden för Si, ett typiskt material i första generationens halvledarmaterial, är cirka 1,1 eV, bandgapbredden för GaAs, en typisk material i andra generationens halvledarmaterial är cirka 1,42 eV och bandgapets bredd av GaN, ett typiskt material i tredje generationens halvledarmaterial, är över 2,3 eV), starkare strålningsmotstånd, starkare motstånd mot elektriskt fältnedbrytning och högre temperaturmotstånd. Den tredje generationens halvledarmaterial med bredare bandgap är särskilt lämpliga för produktion av strålningsbeständiga, högfrekventa, högeffekts- och högintegrationsdensitetselektronikenheter. Deras applikationer inom mikrovågsradiofrekvensenheter, lysdioder, lasrar, kraftenheter och andra områden har väckt stor uppmärksamhet och de har visat breda utvecklingsmöjligheter inom mobil kommunikation, smarta nät, järnvägstransitering, nya energifordon, konsumentelektronik och ultraviolett och blått -grönt ljus enheter [1].
Bildkälla: CASA, Zheshang Securities Research Institute
Figur 1 GaN kraftenhet tidsskala och prognos
II GaN materialstruktur och egenskaper
GaN är en direkt bandgap-halvledare. Bandgapets bredd för wurtzitstrukturen vid rumstemperatur är cirka 3,26 eV. GaN-material har tre huvudsakliga kristallstrukturer, nämligen wurtzitstruktur, sfaleritstruktur och bergsaltstruktur. Bland dem är wurtzitestrukturen den mest stabila kristallstrukturen. Figur 2 är ett diagram över den hexagonala wurtzitstrukturen hos GaN. Wurtzite-strukturen av GaN-material tillhör en hexagonal tätpackad struktur. Varje enhetscell har 12 atomer, inklusive 6 N-atomer och 6 Ga-atomer. Varje Ga (N)-atom bildar en bindning med de 4 närmaste N (Ga)-atomerna och staplas i ordningen ABABAB... längs [0001]-riktningen [2].
Figur 2 Wurtzite struktur GaN kristallcelldiagram
III Vanligt använda substrat för GaN epitaxi
Det verkar som om homogen epitaxi på GaN-substrat är det bästa valet för GaN-epitaxi. Men på grund av den stora bindningsenergin hos GaN, när temperaturen når smältpunkten 2500 ℃, är dess motsvarande nedbrytningstryck cirka 4,5 GPa. När nedbrytningstrycket är lägre än detta tryck smälter GaN inte utan sönderdelas direkt. Detta gör mogna substratberedningstekniker såsom Czochralski-metoden olämpliga för beredning av GaN-enkristallsubstrat, vilket gör GaN-substrat svåra att massproducera och kostsamma. Därför är de substrat som vanligtvis används i GaN epitaxiell tillväxt huvudsakligen Si, SiC, safir, etc. [3].
Diagram 3 GaN och parametrar för vanliga substratmaterial
GaN epitaxi på safir
Safir har stabila kemiska egenskaper, är billig och har en hög mognad av storskalig produktionsindustri. Därför har det blivit ett av de tidigaste och mest använda substratmaterialen inom halvledarteknik. Som ett av de vanligaste substraten för GaN-epitaxi är de huvudsakliga problemen som måste lösas för safirsubstrat:
✔ På grund av den stora gallermissanpassningen mellan safir (Al2O3) och GaN (ca 15%), är defektdensiteten vid gränsytan mellan det epitaxiella lagret och substratet mycket hög. För att minska dess negativa effekter måste substratet utsättas för komplex förbehandling innan epitaxiprocessen börjar. Innan man odlar GaN-epitax på safirsubstrat måste substratytan först rengöras noggrant för att avlägsna föroreningar, kvarvarande poleringsskador etc., och för att producera steg- och stegytastrukturer. Sedan nitreras substratytan för att ändra vätningsegenskaperna hos det epitaxiella lagret. Slutligen måste ett tunt AlN-buffertskikt (vanligtvis 10-100 nm tjockt) avsättas på substratets yta och härdas vid låg temperatur för att förbereda för den slutliga epitaxiella tillväxten. Trots det är dislokationstätheten i GaN epitaxiella filmer odlade på safirsubstrat fortfarande högre än den för homoepitaxiala filmer (cirka 1010cm-2, jämfört med i huvudsak noll dislokationsdensitet i homoepitaxial kiselfilmer eller galliumarsenid homoepitaxialfilmer, eller mellan 11040cm2- och 2). Den högre defektdensiteten minskar bärarens rörlighet, och förkortar därigenom minoritetsbärarens livslängd och minskar värmeledningsförmågan, vilket allt kommer att minska enhetens prestanda [4];
✔ Den termiska expansionskoefficienten för safir är större än den för GaN, så biaxiell tryckspänning kommer att genereras i det epitaxiella lagret under kylningsprocessen från deponeringstemperaturen till rumstemperatur. För tjockare epitaxiella filmer kan denna spänning orsaka sprickbildning i filmen eller till och med substratet;
✔ Jämfört med andra substrat är värmeledningsförmågan hos safirsubstrat lägre (cirka 0,25W*cm-1*K-1 vid 100℃), och värmeavledningsprestandan är dålig;
✔ På grund av dess dåliga ledningsförmåga är safirsubstrat inte gynnsamma för deras integration och applicering med andra halvledarenheter.
Även om defektdensiteten hos GaN-epitaxialskikt som odlas på safirsubstrat är hög, verkar det inte avsevärt minska den optoelektroniska prestandan hos GaN-baserade blågröna lysdioder, så safirsubstrat är fortfarande vanliga substrat för GaN-baserade lysdioder.
Med utvecklingen av fler nya tillämpningar av GaN-enheter såsom lasrar eller andra högdensitetskraftenheter, har de inneboende defekterna hos safirsubstrat alltmer blivit en begränsning för deras tillämpning. Dessutom, med utvecklingen av SiC-substrattillväxtteknologi, kostnadsminskning och mognad av GaN-epitaxialteknologi på Si-substrat, har mer forskning om växande GaN-epitaxiallager på safirsubstrat gradvis visat en kylande trend.
GaN epitaxi på SiC
Jämfört med safir har SiC-substrat (4H- och 6H-kristaller) en mindre gittermissanpassning med GaN epitaxiella skikt (3,1 %, motsvarande [0001] orienterade epitaxiella filmer), högre värmeledningsförmåga (ca 3,8W*cm-1*K) -1), etc. Dessutom tillåter konduktiviteten hos SiC-substrat också elektriska kontakter gjord på baksidan av substratet, vilket hjälper till att förenkla enhetens struktur. Förekomsten av dessa fördelar har lockat fler och fler forskare att arbeta med GaN-epitaxi på kiselkarbidsubstrat.
Men att arbeta direkt på SiC-substrat för att undvika växande GaN-epilager möter också en rad nackdelar, inklusive följande:
✔ Ytråheten hos SiC-substrat är mycket högre än den för safirsubstrat (safirråhet 0,1nm RMS, SiC-råhet 1nm RMS), SiC-substrat har hög hårdhet och dålig bearbetningsprestanda, och denna grovhet och kvarvarande poleringsskador är också en av de källor till defekter i GaN epilager.
✔ Skruvdislokationstätheten för SiC-substrat är hög (dislokationsdensitet 103-104cm-2), skruvdislokationer kan fortplanta sig till GaN-epilaget och minska enhetens prestanda;
✔ Atomarrangemanget på substratytan inducerar bildandet av staplingsfel (BSF) i GaN epilagret. För epitaxiell GaN på SiC-substrat finns det flera möjliga atomarrangemangsordningar på substratet, vilket resulterar i inkonsekvent initial atomstaplingsordning för det epitaxiella GaN-skiktet på det, vilket är benäget att stapla fel. Staplingsfel (SF) introducerar inbyggda elektriska fält längs c-axeln, vilket leder till problem såsom läckage av in-plane bärare separationsanordningar;
✔ Den termiska expansionskoefficienten för SiC-substrat är mindre än den för AlN och GaN, vilket orsakar termisk spänningsackumulering mellan det epitaxiella skiktet och substratet under kylningsprocessen. Waltereit och Brand förutspådde baserat på sina forskningsresultat att detta problem kan lindras eller lösas genom att odla GaN-epitaxiallager på tunna, sammanhängande ansträngda AlN-kärnbildande lager;
✔ Problemet med dålig vätbarhet av Ga-atomer. När man odlar GaN-epitaxiallager direkt på SiC-ytan, på grund av den dåliga vätbarheten mellan de två atomerna, är GaN benägen för 3D-ötillväxt på substratytan. Att införa ett buffertskikt är den vanligaste lösningen för att förbättra kvaliteten på epitaximaterial i GaN-epitax. Införande av ett AlN- eller AlxGa1-xN-buffertskikt kan effektivt förbättra vätbarheten hos SiC-ytan och få GaN-epitaxialskiktet att växa i två dimensioner. Dessutom kan den också reglera stress och förhindra substratdefekter från att sträcka sig till GaN-epitax;
✔ Beredningstekniken för SiC-substrat är omogen, substratkostnaden är hög och det finns få leverantörer och lite utbud.
Torres et al.s forskning visar att etsning av SiC-substratet med H2 vid hög temperatur (1600°C) före epitaxi kan ge en mer ordnad stegstruktur på substratytan, och därigenom erhålla en epitaxiell AlN-film av högre kvalitet än när den är direkt odlas på den ursprungliga substratytan. Xie och hans teams forskning visar också att etsningsförbehandling av kiselkarbidsubstratet avsevärt kan förbättra ytmorfologin och kristallkvaliteten hos GaN-epitaxialskiktet. Smith et al. fann att gängdislokationer som härrör från gränssnitten mellan substrat/buffertskikt och buffertskikt/epitaxialskikt är relaterade till substratets planhet [5].
Figur 4 TEM-morfologi för GaN epitaxiallagerprover odlade på 6H-SiC-substrat (0001) under olika ytbehandlingsförhållanden (a) kemisk rengöring; (b) Kemisk rengöring + väteplasmabehandling; (c) kemisk rengöring + väteplasmabehandling + 1300℃ vätevärmebehandling i 30 min
GaN epitaxi på Si
Jämfört med kiselkarbid, safir och andra substrat är beredningsprocessen för kiselsubstrat mogen, och den kan stabilt ge mogna substrat i stor storlek med hög kostnadsprestanda. Samtidigt är den termiska ledningsförmågan och den elektriska ledningsförmågan bra, och processen för elektroniska Si-enheter är mogen. Möjligheten att perfekt integrera optoelektroniska GaN-enheter med Si elektroniska enheter i framtiden gör också tillväxten av GaN-epitaxi på kisel mycket attraktiv.
Men på grund av den stora skillnaden i gitterkonstanter mellan Si-substrat och GaN-material, är heterogen epitaxi av GaN på Si-substrat en typisk stor missanpassningsepitaxi, och den måste också möta en rad problem:
✔ Energiproblem med ytgränssnitt. När GaN växer på ett Si-substrat, kommer ytan av Si-substratet först att nitreras för att bilda ett amorft kiselnitridskikt som inte bidrar till kärnbildning och tillväxt av GaN med hög densitet. Dessutom kommer Si-ytan först i kontakt med Ga, vilket kommer att korrodera ytan på Si-substratet. Vid höga temperaturer kommer nedbrytningen av Si-ytan att diffundera in i GaN-epitaxialskiktet för att bilda svarta kiselfläckar.
✔ Gitterkonstant oöverensstämmelse mellan GaN och Si är stor (~17%), vilket kommer att leda till bildandet av gängförskjutningar med hög densitet och avsevärt minska kvaliteten på det epitaxiella lagret;
✔ Jämfört med Si har GaN en större värmeutvidgningskoefficient (GaN:s värmeutvidgningskoefficient är cirka 5,6×10-6K-1, Sis termiska expansionskoefficient är cirka 2,6×10-6K-1), och sprickor kan genereras i GaN. epitaxiellt skikt under kylningen av den epitaxiella temperaturen till rumstemperatur;
✔ Si reagerar med NH3 vid höga temperaturer för att bilda polykristallint SiNx. AlN kan inte bilda en preferentiellt orienterad kärna på polykristallin SiNx, vilket leder till en oordnad orientering av det efterföljande odlade GaN-skiktet och ett stort antal defekter, vilket resulterar i dålig kristallkvalitet hos GaN-epitaxialskiktet och till och med svårighet att bilda en enkristallin GaN epitaxiellt skikt [6].
För att lösa problemet med stor gallermissanpassning har forskare försökt introducera material som AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO och SiC som buffertlager på Si-substrat. För att undvika bildandet av polykristallint SiNx och minska dess negativa effekter på kristallkvaliteten hos GaN/AlN/Si (111)-material, krävs vanligtvis att TMAl introduceras under en viss tid innan epitaxiell tillväxt av AlN-buffertskiktet för att förhindra NH3 från att reagera med den exponerade Si-ytan för att bilda SiNx. Dessutom kan epitaxiella teknologier såsom mönstrad substratteknologi användas för att förbättra kvaliteten på det epitaxiella lagret. Utvecklingen av dessa teknologier hjälper till att hämma bildandet av SiNx vid det epitaxiella gränssnittet, främja den tvådimensionella tillväxten av GaN-epitaxialskiktet och förbättra tillväxtkvaliteten hos det epitaxiella lagret. Dessutom införs ett AlN-buffertskikt för att kompensera för dragspänningen som orsakas av skillnaden i termiska expansionskoefficienter för att undvika sprickor i GaN-epitaxialskiktet på kiselsubstratet. Krosts forskning visar att det finns en positiv korrelation mellan tjockleken på AlN-buffertskiktet och minskningen av töjningen. När buffertskiktets tjocklek når 12nm kan ett epitaxiellt skikt tjockare än 6μm odlas på ett kiselsubstrat genom ett lämpligt tillväxtschema utan att epitaxialskiktet spricker.
Efter långvariga ansträngningar från forskare har kvaliteten på GaN epitaxiella lager som odlats på kiselsubstrat förbättrats avsevärt, och enheter som fälteffekttransistorer, Schottky barriär ultravioletta detektorer, blågröna lysdioder och ultravioletta lasrar har gjort betydande framsteg.
Sammanfattningsvis, eftersom de vanligen använda GaN-epitaxialsubstraten alla är heterogen epitaxi, möter de alla vanliga problem som gallermissanpassning och stora skillnader i termiska expansionskoefficienter i varierande grad. Homogena epitaxiella GaN-substrat begränsas av teknologins mognad, och substraten har ännu inte massproducerats. Produktionskostnaden är hög, substratstorleken är liten och substratkvaliteten är inte idealisk. Utvecklingen av nya GaN-epitaxialsubstrat och förbättringen av epitaxialkvaliteten är fortfarande en av de viktiga faktorerna som begränsar den fortsatta utvecklingen av GaN-epitaxialindustrin.
IV. Vanliga metoder för GaN epitaxi
MOCVD (kemisk ångavsättning)
Det verkar som om homogen epitaxi på GaN-substrat är det bästa valet för GaN-epitaxi. Eftersom prekursorerna för kemisk ångavsättning är trimetylgallium och ammoniak, och bärargasen är väte, är den typiska MOCVD-tillväxttemperaturen cirka 1000-1100 ℃ och tillväxthastigheten för MOCVD är cirka några mikrometer per timme. Den kan producera branta gränssnitt på atomnivå, vilket är mycket lämpligt för odling av heterojunctions, kvantbrunnar, supergitter och andra strukturer. Dess snabba tillväxthastighet, goda enhetlighet och lämplighet för tillväxt med stora ytor och flera delar används ofta i industriell produktion.
MBE (molekylär strålepitaxi)
I molekylär strålepitaxi använder Ga en elementär källa, och aktivt kväve erhålls från kväve genom RF-plasma. Jämfört med MOCVD-metoden är MBE-tillväxttemperaturen cirka 350-400 ℃ lägre. Den lägre tillväxttemperaturen kan undvika vissa föroreningar som kan orsakas av högtemperaturmiljöer. MBE-systemet arbetar under ultrahögt vakuum, vilket gör att det kan integrera fler in-situ-detektionsmetoder. Samtidigt kan dess tillväxttakt och produktionskapacitet inte jämföras med MOCVD, och den används mer i vetenskaplig forskning [7].
Figur 5 (a) Schematisk Eiko-MBE (b) Schematisk MBE-huvudreaktionskammare
HVPE-metod (hydridångfasepitaxi)
Prekursorerna för hydridångfasepitaximetoden är GaCl3 och NH3. Detchprohm et al. använde denna metod för att odla ett GaN epitaxiellt lager hundratals mikron tjockt på ytan av ett safirsubstrat. I deras experiment odlades ett lager av ZnO mellan safirsubstratet och det epitaxiella lagret som ett buffertlager, och det epitaxiella lagret skalades av från underlagets yta. Jämfört med MOCVD och MBE är HVPE-metodens huvuddrag dess höga tillväxthastighet, som är lämplig för produktion av tjocka lager och bulkmaterial. Men när tjockleken på det epitaxiella lagret överstiger 20μm är det epitaxiella lagret som produceras med denna metod benäget att spricka.
Akira USUI introducerade mönstrad substratteknologi baserad på denna metod. De odlade först ett tunt 1-1,5 μm tjockt GaN epitaxiellt lager på ett safirsubstrat med hjälp av MOCVD-metoden. Det epitaxiella skiktet bestod av ett 20 nm tjockt GaN-buffertskikt odlat under lågtemperaturbetingelser och ett GaN-skikt odlat under högtemperaturförhållanden. Sedan, vid 430 ℃, pläterades ett lager av SiO2 på ytan av det epitaxiella lagret, och fönsterränder gjordes på SiO2-filmen genom fotolitografi. Randavståndet var 7μm och maskens bredd varierade från 1μm till 4μm. Efter denna förbättring erhöll de ett GaN epitaxiellt skikt på ett safirsubstrat med en diameter på 2 tum som var sprickfritt och jämnt som en spegel även när tjockleken ökade till tiotals eller till och med hundratals mikron. Defektdensiteten reducerades från 109-1010cm-2 av den traditionella HVPE-metoden till cirka 6×107cm-2. De påpekade också i experimentet att när tillväxthastigheten översteg 75μm/h skulle provytan bli grov[8].
Figur 6 Grafisk substratschema
V. Sammanfattning och Outlook
GaN-material började dyka upp 2014 när LED med blått ljus vann Nobelpriset i fysik det året och kom in på allmänhetens område för snabbladdningstillämpningar inom hemelektronikområdet. Faktum är att applikationer i effektförstärkare och RF-enheter som används i 5G-basstationer som de flesta inte kan se har också dykt upp i tysthet. Under de senaste åren förväntas genombrottet för GaN-baserade kraftenheter av fordonskvalitet öppna upp nya tillväxtpunkter för marknaden för GaN-materialapplikationer.
Den enorma efterfrågan på marknaden kommer säkerligen att främja utvecklingen av GaN-relaterade industrier och teknologier. Med mognad och förbättring av den GaN-relaterade industrikedjan kommer problemen som den nuvarande GaN-epitaxialteknologin står inför så småningom att förbättras eller övervinnas. I framtiden kommer människor säkert att utveckla fler nya epitaxiella teknologier och fler utmärkta substratalternativ. Då kommer människor att kunna välja den mest lämpliga externa forskningsteknologin och substratet för olika applikationsscenarier i enlighet med applikationsscenariernas egenskaper, och producera de mest konkurrenskraftiga kundanpassade produkterna.
Posttid: 2024-jun-28