1. Derde-generasie halfgeleiers
Die eerste-generasie halfgeleiertegnologie is ontwikkel op grond van halfgeleiermateriale soos Si en Ge. Dit is die materiaalbasis vir die ontwikkeling van transistors en geïntegreerde stroombaantegnologie. Die eerste-generasie halfgeleiermateriale het die grondslag gelê vir die elektroniese industrie in die 20ste eeu en is die basiese materiale vir geïntegreerde stroombaantegnologie.
Die tweede-generasie halfgeleiermateriale sluit hoofsaaklik galliumarsenied, indiumfosfied, galliumfosfied, indiumarsenied, aluminiumarsenied en hul ternêre verbindings in. Die tweede-generasie halfgeleiermateriale vorm die fondament van die opto-elektroniese inligtingsbedryf. Op grond hiervan is verwante nywerhede soos beligting, skerms, lasers en fotovoltaïese eenhede ontwikkel. Hulle word wyd gebruik in kontemporêre inligtingstegnologie- en opto-elektroniese skermnywerhede.
Verteenwoordigende materiale van die derde generasie halfgeleiermateriale sluit in galliumnitried en silikonkarbied. As gevolg van hul wye bandgaping, hoë elektronversadigingsdryfsnelheid, hoë termiese geleidingsvermoë en hoë deurslagveldsterkte, is hulle ideale materiale vir die voorbereiding van hoë-kragdigtheid, hoëfrekwensie en lae-verlies elektroniese toestelle. Onder hulle het silikonkarbied-kragtoestelle die voordele van hoë energiedigtheid, lae energieverbruik en klein grootte, en het breë toepassingsvooruitsigte in nuwe energievoertuie, fotovoltaïese, spoorvervoer, groot data en ander velde. Galliumnitried RF-toestelle het die voordele van hoë frekwensie, hoë krag, wye bandwydte, lae kragverbruik en klein grootte, en het breë toepassingsvooruitsigte in 5G-kommunikasie, die Internet van Dinge, militêre radar en ander velde. Daarbenewens is galliumnitried-gebaseerde kragtoestelle wyd gebruik in die laespanningsveld. Daarbenewens word verwag dat opkomende galliumoksiedmateriale in onlangse jare tegniese komplementariteit met bestaande SiC- en GaN-tegnologieë sal vorm, en potensiële toepassingsvooruitsigte in die laefrekwensie- en hoëspanningsvelde sal hê.
In vergelyking met die tweede-generasie halfgeleiermateriale, het die derde-generasie halfgeleiermateriale 'n wyer bandgapingwydte (die bandgapingwydte van Si, 'n tipiese materiaal van die eerste-generasie halfgeleiermateriaal, is ongeveer 1.1 eV, die bandgapingwydte van GaAs, 'n tipiese materiaal van die tweede-generasie halfgeleiermateriaal, is ongeveer 1.42 eV, en die bandgapingwydte van GaN, 'n tipiese materiaal van die derde-generasie halfgeleiermateriaal, is bo 2.3 eV), sterker stralingsweerstand, sterker weerstand teen elektriese veldonderbreking, en hoër temperatuurweerstand. Die derde-generasie halfgeleiermateriale met 'n wyer bandgapingwydte is veral geskik vir die produksie van stralingsbestande, hoëfrekwensie-, hoëkrag- en hoë-integrasiedigtheid elektroniese toestelle. Hul toepassings in mikrogolf-radiofrekwensietoestelle, LED's, lasers, kragtoestelle en ander velde het baie aandag getrek, en hulle het breë ontwikkelingsvooruitsigte getoon in mobiele kommunikasie, slimnetwerke, spoorvervoer, nuwe energievoertuie, verbruikerselektronika, en ultraviolet- en blougroen ligtoestelle [1].
Beeldbron: CASA, Zheshang Sekuriteite Navorsingsinstituut
Figuur 1 GaN-kragtoestel tydskaal en voorspelling
II GaN-materiaalstruktuur en -eienskappe
GaN is 'n direkte bandgaping-halfgeleier. Die bandgapingwydte van die wurtzite-struktuur by kamertemperatuur is ongeveer 3.26 eV. GaN-materiale het drie hoofkristalstrukture, naamlik die wurtzite-struktuur, sfalerietstruktuur en rotsoutstruktuur. Onder hulle is die wurtzite-struktuur die mees stabiele kristalstruktuur. Figuur 2 is 'n diagram van die seshoekige wurtzite-struktuur van GaN. Die wurtzite-struktuur van GaN-materiaal behoort aan 'n seshoekige diggepakte struktuur. Elke eenheidsel het 12 atome, insluitend 6 N-atome en 6 Ga-atome. Elke Ga(N)-atoom vorm 'n binding met die 4 naaste N(Ga)-atome en is gestapel in die volgorde van ABABAB… langs die [0001]-rigting [2].
Figuur 2 Wurtzite struktuur GaN kristal seldiagram
III Algemeen gebruikte substrate vir GaN-epitaksie
Dit blyk dat homogene epitaksie op GaN-substrate die beste keuse vir GaN-epitaksie is. As gevolg van die hoë bindingsenergie van GaN, is die ooreenstemmende ontbindingsdruk egter ongeveer 4.5 GPa wanneer die temperatuur die smeltpunt van 2500 ℃ bereik. Wanneer die ontbindingsdruk laer as hierdie druk is, smelt GaN nie, maar ontbind direk. Dit maak volwasse substraatvoorbereidingstegnologieë soos die Czochralski-metode ongeskik vir die voorbereiding van GaN-enkelkristalsubstrate, wat GaN-substrate moeilik maak om massa te produseer en duur is. Daarom is die substrate wat algemeen in GaN-epitaksiale groei gebruik word, hoofsaaklik Si, SiC, saffier, ens. [3].
Grafiek 3 GaN en parameters van algemeen gebruikte substraatmateriale
GaN-epitaksie op saffier
Saffier het stabiele chemiese eienskappe, is goedkoop en het 'n hoë volwassenheid van grootskaalse produksiebedryf. Daarom het dit een van die vroegste en mees gebruikte substraatmateriale in halfgeleiertoestel-ingenieurswese geword. As een van die algemeen gebruikte substrate vir GaN-epitaksie, is die hoofprobleme wat vir saffiersubstrate opgelos moet word:
✔ As gevolg van die groot roosterwanverhouding tussen saffier (Al2O3) en GaN (ongeveer 15%), is die defekdigtheid by die koppelvlak tussen die epitaksiale laag en die substraat baie hoog. Om die nadelige effekte daarvan te verminder, moet die substraat aan komplekse voorbehandeling onderwerp word voordat die epitaksiale proses begin. Voordat GaN-epitaksie op saffiersubstrate gekweek word, moet die substraatoppervlak eers streng skoongemaak word om kontaminante, oorblywende poleerskade, ens. te verwyder, en om trappe en trapoppervlakstrukture te produseer. Dan word die substraatoppervlak genitried om die benattingseienskappe van die epitaksiale laag te verander. Laastens moet 'n dun AlN-bufferlaag (gewoonlik 10-100 nm dik) op die substraatoppervlak neergelê en by lae temperatuur gegloei word om voor te berei vir die finale epitaksiale groei. Tog is die ontwrigtingsdigtheid in GaN-epitaksiale films wat op saffiersubstrate gekweek word, steeds hoër as dié van homoepitaksiale films (ongeveer 1010 cm⁻², in vergelyking met 'n wesenlike nul ontwrigtingsdigtheid in silikon homoepitaksiale films of galliumarsenied homoepitaksiale films, of tussen 102 en 104 cm⁻²). Die hoër defekdigtheid verminder die mobiliteit van draers, waardeur die leeftyd van minderheidsdraers verkort word en die termiese geleidingsvermoë verminder word, wat alles die toestel se werkverrigting sal verminder [4];
✔ Die termiese uitbreidingskoëffisiënt van saffier is groter as dié van GaN, dus sal biaxiale drukspanning in die epitaksiale laag gegenereer word tydens die proses van afkoeling van die afsettingstemperatuur na kamertemperatuur. Vir dikker epitaksiale films kan hierdie spanning krake van die film of selfs die substraat veroorsaak;
✔ In vergelyking met ander substrate, is die termiese geleidingsvermoë van saffiersubstrate laer (ongeveer 0.25W*cm-1*K-1 teen 100 ℃), en die hitte-afvoerprestasie is swak;
✔ As gevolg van sy swak geleidingsvermoë, is saffiersubstrate nie bevorderlik vir hul integrasie en toepassing met ander halfgeleiertoestelle nie.
Alhoewel die defekdigtheid van GaN-epitaksiale lae wat op saffiersubstrate gekweek word, hoog is, blyk dit nie die opto-elektroniese werkverrigting van GaN-gebaseerde blougroen LED's beduidend te verminder nie, dus is saffiersubstrate steeds algemeen gebruikte substrate vir GaN-gebaseerde LED's.
Met die ontwikkeling van meer nuwe toepassings van GaN-toestelle soos lasers of ander hoëdigtheid-kragtoestelle, het die inherente defekte van saffiersubstrate toenemend 'n beperking op hul toepassing geword. Boonop, met die ontwikkeling van SiC-substraatgroeitegnologie, kostevermindering en die volwassenheid van GaN-epitaksiale tegnologie op Si-substrate, het meer navorsing oor die groei van GaN-epitaksiale lae op saffiersubstrate geleidelik 'n afkoelingstendens getoon.
GaN-epitaksie op SiC
In vergelyking met saffier, het SiC-substrate (4H- en 6H-kristalle) 'n kleiner roosterwanpassing met GaN-epitaksiale lae (3.1%, gelykstaande aan [0001]-georiënteerde epitaksiale films), hoër termiese geleidingsvermoë (ongeveer 3.8W*cm-1*K-1), ens. Daarbenewens laat die geleidingsvermoë van SiC-substrate ook toe dat elektriese kontakte op die agterkant van die substraat gemaak word, wat help om die toestelstruktuur te vereenvoudig. Die bestaan van hierdie voordele het al hoe meer navorsers gelok om aan GaN-epitaksie op silikonkarbiedsubstrate te werk.
Om direk op SiC-substrate te werk om groeiende GaN-epilae te vermy, hou egter ook 'n reeks nadele in, insluitend die volgende:
✔ Die oppervlakruheid van SiC-substrate is baie hoër as dié van saffiersubstrate (saffierruheid 0.1nm RMS, SiC-ruheid 1nm RMS), SiC-substrate het hoë hardheid en swak verwerkingsprestasie, en hierdie ruheid en oorblywende poleerskade is ook een van die bronne van defekte in GaN-epilae.
✔ Die skroefontwrigtingsdigtheid van SiC-substrate is hoog (ontwrigtingsdigtheid 103-104cm-2), skroefontwrigtings kan na die GaN-epilaag versprei en die toestel se werkverrigting verminder;
✔ Die atoomrangskikking op die substraatoppervlak veroorsaak die vorming van stapelfoute (BSF's) in die GaN-epilaag. Vir epitaksiale GaN op SiC-substrate is daar verskeie moontlike atoomrangskikkingsordes op die substraat, wat lei tot 'n inkonsekwente aanvanklike atoomstapelorde van die epitaksiale GaN-laag daarop, wat geneig is tot stapelfoute. Stapelfoute (SF's) stel ingeboude elektriese velde langs die c-as bekend, wat lei tot probleme soos lekkasie van in-vlak draer-skeidingstoestelle;
✔ Die termiese uitbreidingskoëffisiënt van SiC-substraat is kleiner as dié van AlN en GaN, wat termiese spanningsophoping tussen die epitaksiale laag en die substraat tydens die afkoelproses veroorsaak. Waltereit en Brand het op grond van hul navorsingsresultate voorspel dat hierdie probleem verlig of opgelos kan word deur GaN-epitaksiale lae op dun, koherent gespande AlN-nukleasielae te laat groei;
✔ Die probleem van swak benatbaarheid van Ga-atome. Wanneer GaN-epitaksiale lae direk op die SiC-oppervlak groei, is GaN geneig tot 3D-eilandgroei op die substraatoppervlak as gevolg van die swak benatbaarheid tussen die twee atome. Die bekendstelling van 'n bufferlaag is die mees gebruikte oplossing om die kwaliteit van epitaksiale materiale in GaN-epitaksie te verbeter. Die bekendstelling van 'n AlN- of AlxGa1-xN-bufferlaag kan die benatbaarheid van die SiC-oppervlak effektief verbeter en die GaN-epitaksiale laag in twee dimensies laat groei. Daarbenewens kan dit ook spanning reguleer en voorkom dat substraatdefekte na GaN-epitaksie uitbrei;
✔ Die voorbereidingstegnologie van SiC-substrate is onvolwasse, die substraatkoste is hoog, en daar is min verskaffers en min aanbod.
Torres et al. se navorsing toon dat die etsing van die SiC-substraat met H2 by hoë temperatuur (1600°C) voor epitaksie 'n meer geordende stapstruktuur op die substraatoppervlak kan produseer, waardeur 'n hoër kwaliteit AlN-epitaksiale film verkry word as wanneer dit direk op die oorspronklike substraatoppervlak gekweek word. Xie en sy span se navorsing toon ook dat etsvoorbehandeling van die silikonkarbied-substraat die oppervlakmorfologie en kristalkwaliteit van die GaN-epitaksiale laag aansienlik kan verbeter. Smith et al. het bevind dat draadontwrigtings wat ontstaan uit die substraat/bufferlaag en bufferlaag/epitaksiale laag-koppelvlakke, verband hou met die platheid van die substraat [5].
Figuur 4 TEM-morfologie van GaN-epitaksiale laagmonsters gekweek op 6H-SiC-substraat (0001) onder verskillende oppervlakbehandelingstoestande (a) chemiese skoonmaak; (b) chemiese skoonmaak + waterstofplasmabehandeling; (c) chemiese skoonmaak + waterstofplasmabehandeling + 1300℃ waterstofhittebehandeling vir 30 min.
GaN-epitaksie op Si
In vergelyking met silikonkarbied, saffier en ander substrate, is die silikonsubstraatvoorbereidingsproses volwasse, en dit kan stabiel volwasse groot substrate met hoë kosteprestasie lewer. Terselfdertyd is die termiese geleidingsvermoë en elektriese geleidingsvermoë goed, en die Si elektroniese toestelproses is volwasse. Die moontlikheid om opto-elektroniese GaN-toestelle perfek met Si elektroniese toestelle in die toekoms te integreer, maak die groei van GaN-epitaksie op silikon ook baie aantreklik.
As gevolg van die groot verskil in roosterkonstantes tussen Si-substraat en GaN-materiaal, is heterogene epitaksie van GaN op Si-substraat egter 'n tipiese groot wanpassingsepitaksie, en dit moet ook 'n reeks probleme ondervind:
✔ Oppervlak-koppelvlak energieprobleem. Wanneer GaN op 'n Si-substraat groei, sal die oppervlak van die Si-substraat eers genitried word om 'n amorfe silikonnitriedlaag te vorm wat nie bevorderlik is vir die nukleasie en groei van hoë-digtheid GaN nie. Daarbenewens sal die Si-oppervlak eers met Ga in aanraking kom, wat die oppervlak van die Si-substraat sal korrodeer. By hoë temperature sal die ontbinding van die Si-oppervlak in die GaN-epitaksiale laag diffundeer om swart silikonkolle te vorm.
✔ Die roosterkonstante-wanverhouding tussen GaN en Si is groot (~17%), wat sal lei tot die vorming van hoëdigtheid-skroefdraadontwrigtings en die kwaliteit van die epitaksiale laag aansienlik verminder;
✔ In vergelyking met Si, het GaN 'n groter termiese uitbreidingskoëffisiënt (GaN se termiese uitbreidingskoëffisiënt is ongeveer 5.6 × 10-6K-1, Si se termiese uitbreidingskoëffisiënt is ongeveer 2.6 × 10-6K-1), en krake kan in die GaN-epitaksiale laag ontstaan tydens die afkoeling van die epitaksiale temperatuur tot kamertemperatuur;
✔ Si reageer met NH3 by hoë temperature om polikristallyne SiNx te vorm. AlN kan nie 'n voorkeur-georiënteerde kern op polikristallyne SiNx vorm nie, wat lei tot 'n wanordelike oriëntasie van die daaropvolgende gegroeide GaN-laag en 'n hoë aantal defekte, wat lei tot swak kristalkwaliteit van die GaN-epitaksiale laag, en selfs probleme met die vorming van 'n enkelkristallyne GaN-epitaksiale laag [6].
Om die probleem van groot roosterwanpassing op te los, het navorsers probeer om materiale soos AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO en SiC as bufferlae op Si-substrate in te voer. Om die vorming van polikristallyne SiNx te vermy en die nadelige effekte daarvan op die kristalkwaliteit van GaN/AlN/Si (111)-materiale te verminder, word dit gewoonlik vereis dat TMAl vir 'n sekere tydperk voor epitaksiale groei van die AlN-bufferlaag ingebring word om te verhoed dat NH3 met die blootgestelde Si-oppervlak reageer om SiNx te vorm. Daarbenewens kan epitaksiale tegnologieë soos patroonsubstraattegnologie gebruik word om die kwaliteit van die epitaksiale laag te verbeter. Die ontwikkeling van hierdie tegnologieë help om die vorming van SiNx by die epitaksiale koppelvlak te inhibeer, die tweedimensionele groei van die GaN-epitaksiale laag te bevorder en die groeikwaliteit van die epitaksiale laag te verbeter. Daarbenewens word 'n AlN-bufferlaag ingebring om te kompenseer vir die trekspanning wat veroorsaak word deur die verskil in termiese uitbreidingskoëffisiënte om krake in die GaN-epitaksiale laag op die silikonsubstraat te vermy. Krost se navorsing toon dat daar 'n positiewe korrelasie is tussen die dikte van die AlN-bufferlaag en die vermindering in spanning. Wanneer die bufferlaagdikte 12 nm bereik, kan 'n epitaksiale laag dikker as 6 μm op 'n silikonsubstraat gekweek word deur 'n gepaste groeiskema sonder dat die epitaksiale laag kraak.
Na langtermynpogings deur navorsers is die gehalte van GaN-epitaksiale lae wat op silikonsubstrate gekweek word, aansienlik verbeter, en toestelle soos veldeffektransistors, Schottky-versperrings-ultravioletdetektors, blougroen LED's en ultravioletlasers het beduidende vordering gemaak.
Kortliks, aangesien die algemeen gebruikte GaN-epitaksiale substrate almal heterogene epitakse is, staar hulle almal algemene probleme in die gesig soos roosterwanpassing en groot verskille in termiese uitbreidingskoëffisiënte in verskillende grade. Homogene epitaksiale GaN-substrate word beperk deur die volwassenheid van tegnologie, en die substrate is nog nie massa-geproduseer nie. Die produksiekoste is hoog, die substraatgrootte is klein, en die substraatkwaliteit is nie ideaal nie. Die ontwikkeling van nuwe GaN-epitaksiale substrate en die verbetering van epitaksiale kwaliteit is steeds een van die belangrike faktore wat die verdere ontwikkeling van die GaN-epitaksiale industrie beperk.
IV. Algemene metodes vir GaN-epitaksie
MOCVD (chemiese dampafsetting)
Dit lyk asof homogene epitaksie op GaN-substrate die beste keuse vir GaN-epitaksie is. Aangesien die voorlopers van chemiese dampafsetting egter trimetielgallium en ammoniak is, en die draergas waterstof is, is die tipiese MOCVD-groeitemperatuur ongeveer 1000-1100 ℃, en die groeikoers van MOCVD is ongeveer 'n paar mikron per uur. Dit kan steil koppelvlakke op atoomvlak produseer, wat baie geskik is vir die groei van heterojunksies, kwantumputte, superroosters en ander strukture. Die vinnige groeikoers, goeie eenvormigheid en geskiktheid vir grootskaalse en veelvuldige groei word dikwels in industriële produksie gebruik.
MBE (molekulêre bundel-epitaksie)
In molekulêre bundel-epitaksie gebruik Ga 'n elementêre bron, en aktiewe stikstof word verkry uit stikstof deur RF-plasma. In vergelyking met die MOCVD-metode is die MBE-groeitemperatuur ongeveer 350-400 ℃ laer. Die laer groeitemperatuur kan sekere besoedeling vermy wat deur hoëtemperatuuromgewings veroorsaak kan word. Die MBE-stelsel werk onder ultrahoë vakuum, wat dit toelaat om meer in-situ-opsporingsmetodes te integreer. Terselfdertyd kan die groeikoers en produksiekapasiteit nie met MOCVD vergelyk word nie, en dit word meer in wetenskaplike navorsing gebruik [7].
Figuur 5 (a) Eiko-MBE skematiese (b) MBE hoofreaksie kamer skematies
HVPE-metode (hidrieddampfase-epitaksie)
Die voorlopers van die hidrieddampfase-epitaksiemetode is GaCl3 en NH3. Detchprohm et al. het hierdie metode gebruik om 'n GaN-epitaksiale laag van honderde mikron dik op die oppervlak van 'n saffiersubstraat te laat groei. In hul eksperiment is 'n laag ZnO tussen die saffiersubstraat en die epitaksiale laag as 'n bufferlaag gekweek, en die epitaksiale laag is van die substraatoppervlak afgeskil. In vergelyking met MOCVD en MBE, is die hoofkenmerk van die HVPE-metode die hoë groeikoers, wat geskik is vir die produksie van dik lae en grootmaatmateriale. Wanneer die dikte van die epitaksiale laag egter 20 μm oorskry, is die epitaksiale laag wat deur hierdie metode geproduseer word, geneig tot krake.
Akira USUI het patroonsubstraattegnologie bekendgestel wat op hierdie metode gebaseer is. Hulle het eers 'n dun 1-1.5μm dik GaN epitaksiale laag op 'n saffiersubstraat gekweek met behulp van die MOCVD-metode. Die epitaksiale laag het bestaan uit 'n 20nm dik GaN-bufferlaag wat onder lae temperatuurtoestande gekweek is en 'n GaN-laag wat onder hoë temperatuurtoestande gekweek is. Daarna, by 430℃, is 'n laag SiO2 op die oppervlak van die epitaksiale laag geplateer, en vensterstrepe is deur fotolitografie op die SiO2-film gemaak. Die streepafstand was 7μm en die maskerwydte het gewissel van 1μm tot 4μm. Na hierdie verbetering het hulle 'n GaN epitaksiale laag op 'n 2-duim deursnee saffiersubstraat verkry wat kraakvry en so glad soos 'n spieël was, selfs toe die dikte tot tiene of selfs honderde mikrone toegeneem het. Die defekdigtheid is verminder van 109-1010cm-2 van die tradisionele HVPE-metode tot ongeveer 6×107cm-2. Hulle het ook in die eksperiment daarop gewys dat wanneer die groeikoers 75 μm/h oorskry, die monsteroppervlak grof sou word[8].
Figuur 6 Grafiese Substraatskema
V. Opsomming en Vooruitsigte
GaN-materiale het in 2014 begin verskyn toe die blou lig-LED daardie jaar die Nobelprys vir Fisika gewen het, en die publiek se veld van vinnige laai-toepassings in die verbruikerselektronika-veld betree het. Trouens, toepassings in die kragversterkers en RF-toestelle wat in 5G-basisstasies gebruik word wat die meeste mense nie kan sien nie, het ook stilweg na vore gekom. In onlangse jare word verwag dat die deurbraak van GaN-gebaseerde motorgraad-kragtoestelle nuwe groeipunte vir die GaN-materiaaltoepassingsmark sal oopmaak.
Die groot markvraag sal sekerlik die ontwikkeling van GaN-verwante nywerhede en tegnologieë bevorder. Met die volwassenheid en verbetering van die GaN-verwante nywerheidsketting, sal die probleme waarmee die huidige GaN-epitaksiale tegnologie te kampe het uiteindelik verbeter of oorkom word. In die toekoms sal mense sekerlik meer nuwe epitaksiale tegnologieë en meer uitstekende substraatopsies ontwikkel. Teen daardie tyd sal mense die mees geskikte eksterne navorsingstegnologie en substraat vir verskillende toepassingscenario's kan kies volgens die eienskappe van die toepassingscenario's, en die mees mededingende pasgemaakte produkte kan produseer.
Plasingstyd: 28 Junie 2024