Prečo epitaxia nitridu gllia (GaN) nerastie na substráte GaN?

RastGaN epitaxiana substráte GaN predstavuje jedinečnú výzvu, napriek vynikajúcim vlastnostiam materiálu v porovnaní s kremíkom.GaN epitaxiaponúka významné výhody, pokiaľ ide o šírku pásma, tepelnú vodivosť a prierazné elektrické pole v porovnaní s materiálmi na báze kremíka. Vďaka tomu je prijatie GaN ako chrbtica pre tretiu generáciu polovodičov, ktoré poskytujú vylepšené chladenie, nižšie straty vedenia a zlepšený výkon pri vysokých teplotách a frekvenciách, sľubným a rozhodujúcim pokrokom pre fotonický a mikroelektronický priemysel.

GaN, ako primárny polovodičový materiál tretej generácie, obzvlášť žiari vďaka svojej širokej použiteľnosti a je považovaný za jeden z najdôležitejších materiálov po kremíku. Napájacie zariadenia GaN vykazujú vynikajúce vlastnosti v porovnaní so súčasnými zariadeniami na báze kremíka, ako je vyššia kritická intenzita elektrického poľa, nižší odpor pri zapnutí a rýchlejšie spínacie frekvencie, čo vedie k zlepšeniu účinnosti a výkonu systému pri vysokých prevádzkových teplotách.

V polovodičovom hodnotovom reťazci GaN, ktorý zahŕňa substrát,GaN epitaxia, dizajn zariadenia a výroba, substrát slúži ako základný komponent. GaN je prirodzene najvhodnejším materiálom, ktorý slúži ako substrát, na ktoromGaN epitaxiasa pestuje vďaka svojej vnútornej kompatibilite s homogénnym rastovým procesom. To zaisťuje minimálny stupeň napätia v dôsledku rozdielov vo vlastnostiach materiálu, čo vedie k vytvoreniu epitaxných vrstiev vynikajúcej kvality v porovnaní s vrstvami pestovanými na heterogénnych substrátoch. Použitím GaN ako substrátu je možné vytvoriť vysokokvalitnú GaN epistemológiu s vnútorne zníženou hustotou defektov o faktor tisíc v porovnaní so substrátmi, ako je zafír. To prispieva k výraznému zníženiu teploty prechodu LED diód a umožňuje desaťnásobné zvýšenie lúmenov na jednotku plochy.

Konvenčným substrátom zariadení GaN však nie sú monokryštály GaN kvôli ťažkostiam spojeným s ich rastom. Pokrok v raste monokryštálov GaN napredoval výrazne pomalšie ako v konvenčných polovodičových materiáloch. Výzva spočíva v kultivácii kryštálov GaN, ktoré sú predĺžené a nákladovo efektívne. Prvá syntéza GaN sa uskutočnila v roku 1932 s použitím amoniaku a čistého kovového gália na pestovanie materiálu. Odvtedy sa uskutočnil rozsiahly výskum monokryštálových materiálov GaN, no výzvy zostávajú. Neschopnosť GaN sa topiť pri normálnom tlaku, jeho rozklad na Ga a dusík (N2) pri zvýšených teplotách a jeho dekompresný tlak, ktorý dosahuje 6 gigapascalov (GPa) pri teplote topenia 2 300 stupňov Celzia, sťažuje existujúcim rastovým zariadeniam prispôsobiť sa syntéza monokryštálov GaN pri takýchto vysokých tlakoch. Tradičné metódy rastu taveniny nemožno použiť na rast monokryštálov GaN, čo si vyžaduje použitie heterogénnych substrátov na epitaxiu. V súčasnom stave zariadení na báze GaN sa rast zvyčajne uskutočňuje na substrátoch, ako je kremík, karbid kremíka a zafír, a nie na homogénnom substráte GaN, čo bráni vývoju epitaxných zariadení GaN a bráni aplikáciám, ktoré vyžadujú homogénny substrát. pestované zariadenie.

Pri GaN epitaxii sa používa niekoľko typov substrátov:

1. zafír:Zafír alebo α-Al2O3 je najrozšírenejším komerčným substrátom pre LED diódy, ktorý zaberá významnú časť trhu s LED diódami. Jeho použitie bolo ohlasované pre svoje jedinečné výhody, najmä v kontexte epitaxného rastu GaN, ktorý produkuje filmy s rovnako nízkou hustotou dislokácií ako filmy pestované na substrátoch z karbidu kremíka. Výroba Sapphire zahŕňa rast taveniny, zrelý proces, ktorý umožňuje výrobu vysokokvalitných monokryštálov pri nižších nákladoch a väčších veľkostiach, vhodných na priemyselné použitie. Výsledkom je, že zafír je jedným z prvých a najrozšírenejších substrátov v priemysle LED.

2. Karbid kremíka:Karbid kremíka (SiC) je polovodičový materiál štvrtej generácie, ktorý je po zafíre na druhom mieste v podiele na trhu s LED substrátmi. SiC sa vyznačuje rôznymi kryštálovými formami, primárne klasifikovanými do troch kategórií: kubický (3C-SiC), šesťuholníkový (4H-SiC) a romboedrický (15R-SiC). Väčšina kryštálov SiC sú 3C, 4H a 6H, pričom typy 4H a 6H-SiC sa používajú ako substráty pre zariadenia GaN.

Karbid kremíka je vynikajúcou voľbou ako substrát LED. Výroba vysokokvalitných, rozmerných monokryštálov SiC však zostáva náročná a vrstvená štruktúra materiálu ho robí náchylným na štiepenie, čo ovplyvňuje jeho mechanickú integritu, čo môže spôsobiť povrchové defekty, ktoré ovplyvňujú kvalitu epitaxnej vrstvy. Cena monokryštálového SiC substrátu je približne niekoľkonásobne vyššia ako cena zafírového substrátu rovnakej veľkosti, čo obmedzuje jeho široké použitie vďaka jeho prémiovým cenám.

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

3. Jednokryštálový kremík:Kremík, ktorý je najrozšírenejším a priemyselne etablovaným polovodičovým materiálom, poskytuje pevný základ pre výrobu epitaxných substrátov GaN. Dostupnosť pokročilých techník rastu monokryštálov kremíka zaisťuje nákladovo efektívnu výrobu vo veľkom meradle vysokokvalitných 6 až 12 palcových substrátov. To výrazne znižuje náklady na LED a pripravuje pôdu pre integráciu LED čipov a integrovaných obvodov pomocou monokryštálových kremíkových substrátov, čo poháňa pokrok v miniaturizácii. Okrem toho v porovnaní so zafírom, ktorý je v súčasnosti najbežnejším substrátom LED, zariadenia na báze kremíka ponúkajú výhody z hľadiska tepelnej vodivosti, elektrickej vodivosti, schopnosti vyrábať vertikálne štruktúry a lepšie sa hodia na výrobu vysokovýkonných LED.**