Miért nem nő a Gllium-nitrid (GaN) epitaxia GaN szubsztrátumon?

A növekedéseGaN epitaxiaA GaN szubsztrátumon egyedülálló kihívást jelent, annak ellenére, hogy az anyag a szilíciummal összehasonlítva kiváló tulajdonságokkal rendelkezik.GaN epitaxiaA szilícium alapú anyagokhoz képest jelentős előnyöket kínál a sávszélesség, a hővezetőképesség és a lebontó elektromos tér tekintetében. Ez ígéretes és kulcsfontosságú előrelépést jelent a fotonikai és mikroelektronikai ipar számára, hogy a GaN-t a harmadik generációs félvezetők gerinceként alkalmazzák, amelyek fokozott hűtést, alacsonyabb vezetési veszteséget és jobb teljesítményt biztosítanak magas hőmérsékleten és frekvencián.

A GaN, mint az elsődleges harmadik generációs félvezető anyag, széleskörű alkalmazhatóságának köszönhetően különösen ragyog, és a szilícium után az egyik legfontosabb anyagként tartják számon. A GaN tápegységek a jelenlegi szilícium alapú eszközökhöz képest kiváló tulajdonságokat mutatnak, például nagyobb kritikus elektromos térerősséget, alacsonyabb bekapcsolási ellenállást és gyorsabb kapcsolási frekvenciákat, ami a rendszer hatékonyságának és teljesítményének javulását eredményezi magas üzemi hőmérsékleten.

A GaN félvezető értékláncban, amely magában foglalja a szubsztrátot,GaN epitaxia, az eszköz tervezése és gyártása, a hordozó szolgál alapelemként. A GaN természetesen a legalkalmasabb anyag arra, hogy hordozóként szolgáljonGaN epitaxiaA homogén növekedési folyamattal való belső kompatibilitása miatt termesztik. Ez minimális feszültséget biztosít az anyagtulajdonságok eltérései miatt, ami jobb minőségű epitaxiális rétegeket eredményez, mint a heterogén aljzatokon. GaN szubsztrátként való felhasználásával kiváló minőségű GaN ismeretelmélet állítható elő, a belső hibasűrűség ezerszeresére csökken az olyan szubsztrátumokhoz képest, mint a zafír. Ez hozzájárul a LED-ek csatlakozási hőmérsékletének jelentős csökkenéséhez, és lehetővé teszi a területegységenkénti lumen tízszeres növekedését.

A GaN eszközök hagyományos szubsztrátuma azonban nem GaN egykristály, a növekedésük nehézségei miatt. A GaN egykristály növekedése lényegesen lassabban haladt, mint a hagyományos félvezető anyagokban. A kihívás a hosszúkás és költséghatékony GaN kristályok termesztésében rejlik. A GaN első szintézisére 1932-ben került sor, ammónia és tiszta fémgallium felhasználásával az anyag termesztésére. Azóta kiterjedt kutatások folytak a GaN egykristályos anyagokkal kapcsolatban, de továbbra is vannak kihívások. A GaN nem tud normál nyomáson megolvadni, GaN-ra és nitrogénre (N2) bomlik magas hőmérsékleten, valamint a 2300 Celsius fokos olvadáspontján 6 gigapascalt (GPa) elérő dekompressziós nyomása megnehezíti a meglévő növesztőberendezések befogadását. GaN egykristályok szintézise ilyen magas nyomáson. A hagyományos olvadéknövesztési módszerek nem alkalmazhatók GaN egykristály növesztésére, ezért heterogén szubsztrátok alkalmazására van szükség az epitaxiához. A GaN-alapú eszközök jelenlegi állapotában a növekedést jellemzően olyan szubsztrátumokon hajtják végre, mint a szilícium, a szilícium-karbid és a zafír, ahelyett, hogy homogén GaN szubsztrátot használnának, ami hátráltatja a GaN epitaxiális eszközök fejlesztését és akadályozza a homogén hordozót igénylő alkalmazásokat. termesztett készülék.

A GaN epitaxiában többféle szubsztrátot alkalmaznak:

1. Zafír:A zafír vagy az α-Al2O3 a LED-ek legelterjedtebb kereskedelmi hordozója, amely a LED-piac jelentős részét elfoglalja. Használatát egyedülálló előnyeiről hirdették, különösen a GaN epitaxiális növekedéssel összefüggésben, amely ugyanolyan alacsony diszlokációs sűrűségű filmeket állít elő, mint a szilícium-karbid szubsztrátumokon. A Sapphire gyártása magában foglalja az olvadéknövekedést, egy kiforrott eljárást, amely lehetővé teszi a kiváló minőségű egykristályok előállítását alacsonyabb költségek mellett és nagyobb méretben, amely alkalmas ipari felhasználásra. Ennek eredményeként a zafír az egyik legkorábbi és legelterjedtebb hordozó a LED-iparban.

2. Szilícium-karbid:A szilícium-karbid (SiC) egy negyedik generációs félvezető anyag, amely a második helyen áll a LED-hordozók piaci részesedésében a zafír után. A SiC-t változatos kristályformái jellemzik, elsősorban három kategóriába sorolhatók: köbös (3C-SiC), hatszögletű (4H-SiC) és romboéder (15R-SiC). A SiC kristályok többsége 3C, 4H és 6H, a 4H és 6H-SiC típusokat GaN eszközök szubsztrátumaként használják.

A szilícium-karbid kiváló választás LED hordozóként. Mindazonáltal a jó minőségű, méretes SiC egykristályok előállítása továbbra is kihívást jelent, és az anyag réteges szerkezete hajlamossá teszi a hasadásra, ami befolyásolja a mechanikai integritását, és potenciálisan olyan felületi hibákat okozhat, amelyek befolyásolják az epitaxiális réteg minőségét. Az egykristályos SiC szubsztrátum költsége megközelítőleg többszöröse az azonos méretű zafír hordozóénak, ami a prémium árai miatt korlátozza széles körű alkalmazását.

Semicorex  850 V nagy teljesítményű GaN-on-Si Epi Wafer

3. Egykristályos szilícium:A szilícium, mint a legszélesebb körben használt és iparilag bevált félvezető anyag, szilárd alapot biztosít a GaN epitaxiális hordozók előállításához. A fejlett egykristályos szilícium növesztési technikák elérhetősége biztosítja a kiváló minőségű, 6-12 hüvelykes hordozók költséghatékony, nagyüzemi gyártását. Ez jelentősen csökkenti a LED-ek költségét, és megnyitja az utat a LED-chipek és integrált áramkörök integrációja előtt az egykristályos szilíciumhordozók használatával, ami előrelépést jelent a miniatürizálás terén. Ezenkívül a zafírhoz képest, amely jelenleg a legelterjedtebb LED-hordozó, a szilícium alapú eszközök előnyöket kínálnak a hővezető képesség, az elektromos vezetőképesség, a függőleges szerkezetek készítésére való képesség, valamint a nagy teljesítményű LED-ek gyártásához való jobb illeszkedés tekintetében.**