Zakaj epitaksija glijevega nitrida (GaN) ne raste na substratu GaN?

RastGaN epitaksijana substratu GaN predstavlja edinstven izziv, kljub boljšim lastnostim materiala v primerjavi s silicijem.GaN epitaksijaponuja znatne prednosti v smislu širine pasovne vrzeli, toplotne prevodnosti in električnega polja preboja pred materiali na osnovi silicija. Zaradi tega je sprejem GaN kot hrbtenice za tretjo generacijo polprevodnikov, ki zagotavljajo izboljšano hlajenje, manjšo izgubo prevodnosti in izboljšano delovanje pri visokih temperaturah in frekvencah, obetaven in ključen napredek za fotonsko in mikroelektronsko industrijo.

GaN kot primarni polprevodniški material tretje generacije še posebej blesti zaradi svoje široke uporabnosti in velja za enega najpomembnejših materialov takoj za silicijem. Napajalne naprave GaN izkazujejo boljše lastnosti v primerjavi s trenutnimi napravami na osnovi silicija, kot so višja kritična električna poljska jakost, nižji upor pri vklopu in hitrejše preklopne frekvence, kar vodi do izboljšane učinkovitosti sistema in delovanja pri visokih delovnih temperaturah.

V vrednostni verigi GaN polprevodnikov, ki vključuje substrat,GaN epitaksija, načrtovanju naprave in izdelavi, substrat služi kot temeljna komponenta. GaN je seveda najprimernejši material, ki služi kot podlaga, na kateriGaN epitaksijase goji zaradi svoje intrinzične združljivosti s homogenim procesom rasti. To zagotavlja minimalno stopnjo stresa zaradi razlik v lastnostih materiala, kar ima za posledico ustvarjanje epitaksialnih plasti vrhunske kakovosti v primerjavi s tistimi, ki rastejo na heterogenih substratih. Z uporabo GaN kot substrata je mogoče izdelati visokokakovostno epistemologijo GaN z notranjo zmanjšano gostoto napak za faktor tisoč v primerjavi s substrati, kot je safir. To prispeva k občutnemu znižanju temperature spoja LED in omogoča desetkratno povečanje lumnov na enoto površine.

Vendar pa konvencionalni substrat naprav GaN niso monokristali GaN zaradi težav, povezanih z njihovo rastjo. Napredek pri rasti monokristala GaN je napredoval precej počasneje kot pri običajnih polprevodniških materialih. Izziv je v gojenju kristalov GaN, ki so podolgovati in stroškovno učinkoviti. Prva sinteza GaN se je zgodila leta 1932 z uporabo amoniaka in čistega kovinskega galija za gojenje materiala. Od takrat potekajo obsežne raziskave monokristalnih materialov GaN, vendar izzivi ostajajo. Nezmožnost GaN, da se tali pod normalnim tlakom, njegova razgradnja na Ga in dušik (N2) pri povišanih temperaturah ter njegov dekompresijski tlak, ki doseže 6 gigapaskalov (GPa) pri tališču 2300 stopinj Celzija, otežujejo obstoječo opremo za rast, da sprejme sintezo monokristalov GaN pri tako visokih tlakih. Tradicionalnih metod rasti taline ni mogoče uporabiti za rast monokristala GaN, zato je za epitaksijo potrebna uporaba heterogenih substratov. V trenutnem stanju naprav, ki temeljijo na GaN, se rast običajno izvaja na substratih, kot so silicij, silicijev karbid in safir, namesto na uporabi homogenega substrata GaN, kar ovira razvoj epitaksialnih naprav GaN in ovira aplikacije, ki zahtevajo homogen substrat. zrasla naprava.

V epitaksiji GaN se uporablja več vrst substratov:

1. Safir:Safir ali α-Al2O3 je najbolj razširjen komercialni substrat za LED, ki zajema znaten del trga LED. Njegova uporaba je bila napovedana zaradi njegovih edinstvenih prednosti, zlasti v kontekstu epitaksialne rasti GaN, ki proizvaja filme z enako nizko gostoto dislokacij kot tisti, ki rastejo na substratih iz silicijevega karbida. Sapphirejeva proizvodnja vključuje rast taline, zrel proces, ki omogoča proizvodnjo visokokakovostnih monokristalov z nižjimi stroški in večjimi velikostmi, primernimi za industrijsko uporabo. Posledično je safir eden najzgodnejših in najbolj razširjenih substratov v industriji LED.

2. Silicijev karbid:Silicijev karbid (SiC) je polprevodniški material četrte generacije, ki je na drugem mestu po tržnem deležu podlag za LED, takoj za safirjem. Za SiC so značilne raznolike kristalne oblike, ki so v glavnem razvrščene v tri kategorije: kubične (3C-SiC), heksagonalne (4H-SiC) in romboedrične (15R-SiC). Večina kristalov SiC je 3C, 4H in 6H, pri čemer se tipa 4H in 6H-SiC uporabljata kot substrat za naprave GaN.

Silicijev karbid je odlična izbira kot podlaga za LED. Kljub temu je proizvodnja visokokakovostnih, precejšnjih monokristalov SiC še vedno izziv, plastna struktura materiala pa je nagnjena k cepljenju, kar vpliva na njegovo mehansko celovitost, kar lahko povzroči površinske napake, ki vplivajo na kakovost epitaksialne plasti. Cena enokristalnega substrata SiC je približno nekajkrat višja od cene safirnega substrata enake velikosti, kar omejuje njegovo široko uporabo zaradi visoke cene.

Semicorex  850 V High Power GaN-on-Si Epi Wafer

3. Enokristalni silicij:Silicij, ki je najbolj razširjen in industrijsko uveljavljen polprevodniški material, zagotavlja trdno podlago za proizvodnjo epitaksialnih substratov GaN. Razpoložljivost naprednih tehnik rasti monokristalnega silicija zagotavlja stroškovno učinkovito obsežno proizvodnjo visokokakovostnih 6 do 12-palčnih substratov. To znatno zniža stroške LED in utira pot integraciji LED čipov in integriranih vezij z uporabo monokristalnih silicijevih substratov, kar spodbuja napredek v miniaturizaciji. Poleg tega v primerjavi s safirjem, ki je trenutno najpogostejši substrat LED, naprave na osnovi silicija ponujajo prednosti v smislu toplotne prevodnosti, električne prevodnosti, zmožnosti izdelave navpičnih struktur in boljšega prileganja za izdelavo LED z visoko močjo.**