Bevezetés a harmadik generációs félvezetőkbe: GaN és a kapcsolódó epitaxiális technológiák

1. Harmadik generációs félvezetők

(1) Első generációs félvezetők

Az első generációs félvezető technológia olyan anyagokon alapul, mint a szilícium (Si) és a germánium (Ge). Ezek az anyagok alapozták meg a tranzisztor- és integrált áramköri (IC) technológiát, amely pedig megteremtette a 20. századi elektronikai ipar alapjait.

(2) Második generációs félvezetők
A második generációs félvezető anyagok közé elsősorban a gallium-arzenid (GaAs), az indium-foszfid (InP), a gallium-foszfid (GaP), az indium-arzenid (InAs), az alumínium-arzenid (AlAs) és ezek háromkomponensű vegyületei tartoznak. Ezek az anyagok alkotják az optoelektronikai információs ipar gerincét, amely a világítás, a kijelző, a lézer, a fotovoltaikus és más kapcsolódó iparágak fejlődéséhez vezetett. Széles körben használják a kortárs információtechnológiában és az optoelektronikai kijelzőiparban.

(3) Harmadik generációs félvezetők
A harmadik generációs félvezetők jellemző anyagai a gallium-nitrid (GaN) és a szilícium-karbid (SiC). Széles sávszélességük, nagy elektrontelítési sodródási sebességük, nagy hővezető képességük és nagy letörési elektromos mezőik miatt ezek az anyagok ideálisak nagy teljesítménysűrűségű, nagyfrekvenciás és alacsony veszteségű elektronikus eszközökhöz. A SiC tápegységek nagy energiasűrűséggel, alacsony energiafogyasztással és kis mérettel rendelkeznek, így alkalmasak az elektromos járművek, a fotovoltaikus, a vasúti szállítás és a big data szektorokban való alkalmazásokhoz. A GaN rádiófrekvenciás eszközök nagy frekvenciájú, nagy teljesítményű, széles sávszélességű, alacsony fogyasztású és kis méretűek, amelyek előnyösek az 5G-kommunikáció, a tárgyak internete (IoT) és a katonai radar alkalmazások számára. Ezenkívül a GaN-alapú tápegységeket ma már széles körben használják alacsony feszültségű alkalmazásokban. A feltörekvő gallium-oxid (Ga2O3) anyagok is potenciált mutatnak a meglévő SiC és GaN technológiák kiegészítésére, különösen az alacsony frekvenciájú, nagyfeszültségű alkalmazásokban.

A második generációs félvezető anyagokhoz képest a harmadik generációs anyagok szélesebb sávszélességgel rendelkeznek (a tipikus Si sávszélessége körülbelül 1,1 eV, a GaAs körülbelül 1,42 eV, míg a GaN meghaladja a 2,3 eV-ot), erősebb a sugárzásállóság, nagyobb az elektromos tér letörési teljesítménye és jobb. magas hőmérsékleti kitartás. Ezek a jellemzők a harmadik generációs félvezető anyagokat különösen alkalmassá teszik sugárzásálló, nagyfrekvenciás, nagy teljesítményű és nagy integrációs sűrűségű elektronikai eszközökhöz. Jelentős előrelépéseket tesznek a mikrohullámú rádiófrekvenciás eszközök, LED-ek, lézerek és energiaellátó eszközök terén, és ígéretes kilátásokat mutatnak a mobilkommunikáció, az intelligens hálózatok, a vasúti közlekedés, az elektromos járművek, a fogyasztói elektronika, valamint az ultraibolya és kék-zöld fényű eszközök terén[1].

1. ábra: A GaN Power Devices piac mérete és előrejelzése

2. A GaN felépítése és jellemzői

A gallium-nitrid (GaN) egy közvetlen sávszélességű félvezető, amelynek wurtzit szerkezete szobahőmérsékleten körülbelül 3,26 eV sávszélességű. A GaN elsősorban három kristályos szerkezetben létezik: wurtzitban, cinkkeverékben és kősóban. Ezek közül a wurtzit szerkezet a legstabilabb.A 2. ábra a GaN hexagonális wurtzit szerkezetét mutatja. A wurtzit szerkezetben a GaN a hatszögletű, szorosan csomagolt konfigurációhoz tartozik. Minden cella 12 atomot tartalmaz, köztük 6 nitrogén (N) atomot és 6 gallium (Ga) atomot. Minden Ga (N) atom 4 legközelebbi N (Ga) atomhoz kapcsolódik, és egy halmozott szekvenciát alkot [0001] irányban ABABAB… mintázat szerint[2].

2. ábra: A GaN egységcella wurtzit szerkezete

3. Közös szubsztrátok a GaN epitaxiához

Első pillantásra a GaN szubsztrátokon végzett homoepitaxia az optimális választás a GaN epitaxiához. A GaN nagy kötési energiája miatt azonban olvadáspontján (2500 °C) a megfelelő bomlási nyomás körülbelül 4,5 GPa. Ez alatt a nyomás alatt a GaN nem olvad meg, hanem közvetlenül lebomlik. Ez alkalmatlanná teszi a hagyományos szubsztrátum-előkészítési technikákat, például a Czochralski-módszert a GaN egykristály szubsztrátumok előállítására. Következésképpen a GaN szubsztrátokat nehéz tömegesen előállítani, és költségesek. Ezért a GaN epitaxiához általában használt szubsztrátumok közé tartozik a Si, a SiC és a zafír [3].

3. ábra: GaN és Common Substrate Materials paraméterei

(1) GaN Epitaxy on Sapphire

A zafír kémiailag stabil, olcsó, és a tömeggyártásban magas fokú érettséggel rendelkezik, így az egyik legkorábbi és legszélesebb körben használt hordozóanyag a félvezető eszközök gyártásában. A GaN epitaxia általános szubsztrátumaként a zafír szubsztrátumoknak a következő kulcsfontosságú problémákat kell megoldaniuk:

✔ High Lattice Mismatch: A zafír (Al2O3) és a GaN közötti rács eltérés jelentős (körülbelül 15%), ami nagy hibasűrűséget eredményez az epitaxiális réteg és a szubsztrát határfelületén. Ennek a káros hatásnak a mérséklése érdekében a szubsztrátumot összetett előfeldolgozásnak kell alávetni az epitaxiális folyamat megkezdése előtt. Ez magában foglalja az alapos tisztítást a szennyeződések és a maradék polírozási sérülések eltávolítására, lépcsők és lépcsős felületi struktúrák létrehozását, felületi nitridálást az epitaxiális réteg nedvesítő tulajdonságainak megváltoztatására, végül vékony AlN pufferréteg felvitelét (jellemzően 10-100 nm vastag), majd alacsony -hőmérsékletű lágyítás a végső epitaxiális növekedés előkészítése érdekében. Ezen intézkedések ellenére a zafír szubsztrátumon termesztett GaN epitaxiális filmekben a diszlokációs sűrűség továbbra is magas (~10^10 cm^-2) a szilícium vagy GaAs homoepitaxiához képest (0-102-104 cm^-2 diszlokációs sűrűség). A nagy hibasűrűség csökkenti a hordozók mobilitását, lerövidíti a kisebb hordozók élettartamát és csökkenti a hővezető képességet, mindez rontja az eszköz teljesítményét[4].

✔ A hőtágulási együttható eltérése: A zafírnak nagyobb a hőtágulási együtthatója, mint a GaN-nak, ami biaxiális nyomófeszültséget eredményez az epitaxiális rétegben, amikor a lerakódási hőmérsékletről szobahőmérsékletre hűl. Vastagabb epitaxiális fóliák esetén ez a feszültség a film vagy akár a hordozó megrepedéséhez vezethet.

✔ Rossz hővezető képesség: Más hordozókhoz képest a zafír alacsonyabb hővezető képességgel rendelkezik (~0,25 Wcm^-1K^-1 100°C-on), ami hátrányos a hőelvezetés szempontjából.

✔ Alacsony elektromos vezetőképesség: A zafír gyenge elektromos vezetőképessége akadályozza a más félvezető eszközökkel való integrációját és alkalmazását.

A zafíron termesztett GaN epitaxiális rétegek nagy hibasűrűsége ellenére a GaN-alapú kék-zöld LED-ek optikai és elektronikus teljesítménye nem tűnik jelentősen csökkenőnek. Ezért a zafír hordozók továbbra is gyakoriak a GaN-alapú LED-eknél. Azonban ahogy egyre több GaN-eszköz, például lézer és más nagy sűrűségű áramforrás fejlődik ki, a zafír szubsztrátumok eredendő korlátai egyre nyilvánvalóbbá válnak.

(2) GaN epitaxia SiC-n

A zafírhoz képest a SiC hordozók (4H- és 6H-politípusok) kisebb rácsos eltérést mutatnak a GaN epitaxiális rétegekkel (3,1% [0001] irányban), nagyobb hővezető képességgel (körülbelül 3,8 Wcm^-1K^-1) és elektromos vezetőképesség, amely lehetővé teszi a hátsó elektromos érintkezőket, egyszerűsítve az eszközök szerkezetét. Ezek az előnyök egyre több kutatót vonzanak a SiC szubsztrátok GaN epitaxiájának feltárására. A GaN epitaxiális rétegek SiC szubsztrátokon történő közvetlen növekedése azonban számos kihívással is szembesül:

✔ Felületi érdesség: A SiC hordozók felületi érdessége sokkal nagyobb, mint a zafír hordozóké (0,1 nm RMS zafírnál, 1 nm RMS a SiC esetében). A SiC nagy keménysége és rossz megmunkálhatósága hozzájárul ehhez az érdességhez és a maradék polírozási károsodáshoz, amelyek a GaN epitaxiális rétegek hibáinak forrásai.

✔ Magas menetes diszlokációs sűrűség: A SiC szubsztrátumok nagy menetes diszlokációs sűrűséggel rendelkeznek (103-104 cm^-2), ami a GaN epitaxiális rétegbe terjedhet, és ronthatja az eszköz teljesítményét.

✔ Halmozási hibák: A hordozó felületén lévő atomos elrendezés halmozási hibákat (BSF) idézhet elő a GaN epitaxiális rétegekben. A SiC hordozón több lehetséges atomi elrendezés a GaN réteg kezdeti atomi halmozási sorrendjének egyenetlenségéhez vezet, ami növeli a halmozási hibák valószínűségét. A c-tengely mentén lévő BSF-ek beépített elektromos mezőket vezetnek be, ami hordozók elválasztását és szivárgási problémákat okoz az eszközökben.

✔ A hőtágulási együttható eltérése: A SiC hőtágulási együtthatója kisebb, mint az AlN-é és a GaN-é, ami az epitaxiális réteg és a szubsztrátum közötti hőfeszültség-felhalmozódáshoz vezet a hűtés során. Waltereit és Brand kutatásai azt sugallják, hogy ez a probléma enyhíthető a GaN epitaxiális réteg vékony, koherensen feszült AlN nukleációs rétegen történő növesztésével.

✔ A Ga atomok gyenge nedvesítése: A GaN közvetlen növekedése a SiC felületeken nehéz a Ga atomok rossz nedvesítése miatt. A GaN 3D-s sziget módban növekszik, a pufferrétegek bevezetése gyakori megoldás az epitaxiális anyagok minőségének javítására. Az AlN vagy AlxGa1-xN pufferrétegek bevezetése javíthatja a SiC felület nedvesítését, elősegítve a GaN epitaxiális réteg 2D növekedését, és modulálja a feszültséget, és blokkolja a szubsztrát hibákat a GaN rétegbe való továbbterjedésében.

✔ Magas költségek és korlátozott kínálat: A szilícium-karbid szubsztrátum-előkészítési technológia még kiforratlan, ami magas szubsztrátumköltségekhez és kevés szállító korlátozott kínálatához vezet.

Torres és munkatársai kutatása. azt jelzi, hogy a SiC szubsztrátumok H2-vel történő előmaratása magas hőmérsékleten (1600 °C) rendezettebb lépésstruktúrákat hoz létre, ami jobb minőségű AlN epitaxiális filmeket eredményez, mint a közvetlenül kezeletlen szubsztrátumokon. Xie és csapata azt is bebizonyította, hogy a SiC szubsztrátok maratási előkezelése jelentősen javítja a GaN epitaxiális rétegek felületi morfológiáját és kristályminőségét. Smith és mtsai. azt találta, hogy a szubsztrát/pufferréteg és a pufferréteg/epitaxiális réteg interfészeinek menetes diszlokációi a szubsztrátum síkságával kapcsolatosak [5].

4. ábra: A (0001) 6H-SiC szubsztrátok felületén termesztett GaN epitaxiális rétegek TEM morfológiája különböző felületkezelések mellett: (a) Kémiai tisztítás; (b) vegyi tisztítás + hidrogén-plazmakezelés; © Kémiai Tisztítás + Hidrogén Plazma Kezelés + 1300°C Hidrogénes Hőkezelés 30 percig

(3) GaN epitaxia Si-n

A SiC és zafír hordozókhoz képest a szilícium hordozók kiforrott előkészítési folyamatokkal, stabil nagyméretű hordozóellátással, költséghatékonysággal, valamint kiváló hő- és elektromos vezetőképességgel büszkélkedhetnek. Ezenkívül a kiforrott szilícium elektronikus eszköztechnológia lehetőséget kínál az optoelektronikus GaN eszközök és a szilícium elektronikai eszközök tökéletes integrációjára, ami rendkívül vonzóvá teszi a szilíciumon lévő GaN epitaxiát. A Si szubsztrátok és a GaN anyagok közötti jelentős rácsállandó eltérés azonban számos kihívást jelent.

✔ Interfész energiaproblémák: Amikor a GaN-t Si szubsztrátumokon termesztik, a Si felület először egy amorf SiNx réteget képez, ami káros a nagy sűrűségű GaN nukleációra. Ezenkívül a Si felületek kezdetben reagálnak Ga-val, felületi korróziót okozva, és magas hőmérsékleten a Si felületi bomlás bediffundálhat a GaN epitaxiális rétegbe, fekete szilíciumfoltokat képezve.

✔ Rács eltérés: A GaN és Si közötti nagy rácskonstans eltérés (~17%) nagy sűrűségű menetes diszlokációkat eredményez, jelentősen csökkentve az epitaxiális réteg minőségét.

✔ A hőtágulási együttható eltérése: GaN nagyobb hőtágulási együtthatóval rendelkezik, mint Si (GaN ~5,6×10^-6 K^-1, Si ~2,6×10^-6 K^-1), ami repedéseket okozhat a GaN-ben epitaxiális réteg az epitaxiális növekedési hőmérsékletről szobahőmérsékletre történő hűtés során.

✔ Magas hőmérsékletű reakciók: A Si magas hőmérsékleten reagál az NH3-mal, polikristályos SiNx-et képezve. Az AlN nem tud előnyösen magot képződni polikristályos SiNx-en, ami erősen dezorientált GaN növekedéshez vezet, nagyon nagy hibasűrűséggel, ami kihívást jelent az egykristályos GaN epitaxiális rétegek kialakítása [6].

A nagy rácsos eltérések megoldása érdekében a kutatók olyan anyagokat próbáltak bevezetni, mint az AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO és SiC pufferrétegként Si szubsztrátumokon. A polikristályos SiNx képződésének megakadályozása és a GaN/AlN/Si (111) kristályminőségére gyakorolt ​​káros hatásainak csökkentése érdekében a TMAl-t általában az AlN pufferréteg epitaxiális növekedése előtt vezetik be, hogy megakadályozzák az NH3 reakcióját a szabaddá tett Si felülettel. Ezenkívül az epitaxiális réteg minőségének javítására olyan technikákat alkalmaznak, mint a mintás szubsztrátok. Ezek a fejlesztések segítenek elnyomni a SiNx képződését az epitaxiális felületen, elősegítik a GaN epitaxiális réteg 2D növekedését és javítják a növekedés minőségét. Az AlN pufferrétegek bevezetése kompenzálja a hőtágulási együtthatók különbségei által okozott húzófeszültséget, megakadályozva a repedéseket a GaN rétegben a szilícium hordozókon. Krost kutatásai pozitív korrelációt jeleznek az AlN pufferréteg vastagsága és a csökkent feszültség között, ami lehetővé teszi több mint 6 μm vastag epitaxiális rétegek növekedését szilícium hordozókon repedés nélkül, megfelelő növekedési sémák segítségével.

A kiterjedt kutatási erőfeszítéseknek köszönhetően a szilícium szubsztrátumokon termesztett GaN epitaxiális rétegek minősége jelentősen javult. A térhatású tranzisztorok, a Schottky-gátú ultraibolya detektorok, a kék-zöld LED-ek és az ultraibolya lézerek mind jelentős előrehaladást értek el.

Összefoglalva, a közös GaN epitaxiális szubsztrátumok mindegyike heteroepitaxiális, és különböző fokú rácsos eltérésekkel és hőtágulási együttható különbségekkel szembesül. A homoepitaxiális GaN szubsztrátumokat a kiforratlan technológia, a magas gyártási költségek, a kis szubsztrátumméret és a szuboptimális minőség korlátozza, így az új GaN epitaxiális szubsztrátok fejlesztése és az epitaxiális minőség javítása kritikus tényező az ipar további fejlődése szempontjából.

4. A GaN-epitaxia általános módszerei

(1) MOCVD (fém-szerves kémiai gőzleválasztás)

Míg a GaN szubsztrátumokon végzett homoepitaxia az optimális választás a GaN epitaxiához, a fém-szerves kémiai gőzleválasztás (MOCVD) jelentős előnyöket kínál. Trimetilgalliumot és ammóniát prekurzorként, hidrogént vivőgázként használva a MOCVD jellemzően 1000-1100 °C körüli növekedési hőmérsékleten működik. A MOCVD növekedési sebessége óránként több mikrométer tartományba esik. Ezzel a módszerrel atomi éles határfelületek hozhatók létre, így ideális heterojunkciók, kvantumkutak és szuperrácsok termesztésére. Viszonylag nagy növekedési sebessége, kiváló egyöntetűsége, valamint nagy felületű és több szeletű növesztésre való alkalmassága az ipari termelés standard módszerévé teszik.

(2) MBE (Molecular Beam Epitaxy)

A Molecular Beam Epitaxy (MBE) során a galliumhoz elemi forrásokat használnak, az aktív nitrogént pedig rádiófrekvenciás plazmán keresztül állítják elő nitrogéngázból. A MOCVD-hez képest az MBE lényegesen alacsonyabb növekedési hőmérsékleten, 350-400°C körül működik. Ez az alacsonyabb hőmérséklet elkerülheti a magas hőmérsékletű környezetben esetlegesen felmerülő szennyeződési problémákat. Az MBE rendszerek ultramagas vákuumkörülmények között működnek, lehetővé téve több in situ megfigyelési technikák integrálását. Az MBE növekedési üteme és termelési kapacitása azonban nem egyezik meg a MOCVD-éval, így alkalmasabb kutatási alkalmazásokra[7].

5. ábra: (a) Az Eiko-MBE vázlata (b) Az MBE fő reakciókamra vázlata

(3) HVPE (hidrid gőzfázisú epitaxia)

A hidrid gőzfázisú epitaxia (HVPE) GaCl3-t és NH3-at használ prekurzorként. Detchprohm et al. Ezzel a módszerrel több száz mikrométer vastag GaN epitaxiális réteget növesztettek zafír szubsztrátumokon. Kísérleteik során a zafír szubsztrátum és az epitaxiális réteg közé ZnO pufferréteget növesztettek, ami lehetővé tette az epitaxiális réteg leválasztását a szubsztrátum felületéről. A MOCVD-vel és az MBE-vel szemben a HVPE elsődleges előnye a nagy növekedési ráta, így alkalmas vastag rétegek és ömlesztett anyagok előállítására. Ha azonban az epitaxiális réteg vastagsága meghaladja a 20 μm-t, a HVPE által növesztett rétegek hajlamosak a repedésre.

Az Akira USUI bevezette a HVPE módszeren alapuló mintás szubsztrátum technológiát. Kezdetben egy vékony, 1-1,5 μm vastag GaN epitaxiális réteget növesztettek zafír szubsztrátumon MOCVD segítségével. Ez a réteg egy 20 nm vastag, alacsony hőmérsékletű GaN pufferrétegből és egy magas hőmérsékletű GaN rétegből állt. Ezt követően 430 °C-on SiO2 réteget raktak le az epitaxiális réteg felületére, és fotolitográfiával ablakcsíkokat hoztak létre a SiO2 filmen. A csíkok távolsága 7 μm volt, a maszk szélessége 1 μm és 4 μm között volt. Ezzel a módosítással GaN epitaxiális rétegeket tudtak előállítani 2 hüvelyk átmérőjű zafír szubsztrátumokon, amelyek repedésmentesek és tükörsimaak maradtak még akkor is, ha a vastagság több tíz vagy akár több száz mikrométerre nőtt. A hibasűrűséget a hagyományos HVPE módszer 109-1010 cm^-2-ről körülbelül 6 × 10^7 cm^-2-re csökkentették. Azt is megjegyezték, hogy a minta felülete érdessé vált, amikor a növekedési sebesség meghaladta a 75 μm/h-t[8]. 

                                                                                                                   

                                                                                                                                     6. ábra: Mintás szubsztrátum vázlata

5. Összegzés és kitekintés

A hatalmas piaci kereslet kétségtelenül jelentős előrelépéseket fog eredményezni a GaN-hez kapcsolódó iparágakban és technológiákban. Ahogy a GaN ipari lánca érik és fejlődik, a GaN epitaxiával kapcsolatos jelenlegi kihívások végül mérséklődnek vagy legyőzhetők. A jövőbeli fejlesztések valószínűleg új epitaxiális technikákat és kiváló szubsztrátum-lehetőségeket vezetnek be. Ez a fejlődés lehetővé teszi a legmegfelelőbb epitaxiális technológia és szubsztrátum kiválasztását a különböző alkalmazási forgatókönyvek jellemzői alapján, ami rendkívül versenyképes, testreszabott termékek előállításához vezet.**

Referenciák:

[1] "Figyelem" félvezető anyag - gallium-nitrid (baidu.com)

[2] Tang Linjiang, Wan Chengan, Zhang Minghua, Li Ying, Széles sávszélességű félvezető anyagok SiC és GaN kutatási státusza, Katonai és polgári kettős felhasználású technológia és termékek, 2020. március, 437. szám, 21–28.

[3] Wang Huan, Tian Ye, Kutatás a gallium-nitrid szilícium-szubsztrátumon történő nagy eltérésű feszültségszabályozási módszeréről, Tudományos és technológiai innováció és alkalmazás, 3. szám, 2023

[4]L.Liu, J.H.Edgar, Substrates for gallium nitride epitaxy, Materialss Science and Engineering R, 37(2002) 61-127.

[5]P.Ruterana, Philippe Vermaut, G.Nouet, A.Salvador, H.Morkoc, Felületkezelés és rétegszerkezet 2H-GaN növekedésben a (0001)Si felületén 6H-SiC by MBE, MRS Internet J. Nitrid Semicond. Res.2(1997)42.

[6]M.A.Sanchez-Garcia, F.B. Naranjo, J. L. Pau, A. Jimenez, E. Calleja, E. Munoz, Ultraviolet elektrolumineszcencia GaN/AlGaN single-heterojunction light-emitting diodes on grown on Si(111), Journal of Applied Physics 87,1569(2000).

[7] Xinqiang Wang, Akihiko Yoshikawa, GaN, AlN és InN molekuláris nyaláb epitaxiás növekedése, Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials 48/49 (2004) 42-103.

[8] Akira Usui, Haruo Sunakawa, Akira Sakai és A. atsushi Yamaguchi, Thick GaN epitaxiális növekedés alacsony diszlokációs sűrűséggel hidrid gőzfázisú epitaxiával, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 36 (1997) 899-902.