1. Tredje generations halvledere
Første generations halvlederteknologi blev udviklet baseret på halvledermaterialer som Si og Ge. Det er det materielle grundlag for udviklingen af transistorer og integreret kredsløbsteknologi. Første generations halvledermaterialer lagde grundlaget for elektronikindustrien i det 20. århundrede og er de grundlæggende materialer til integreret kredsløbsteknologi.
Andengenerations halvledermaterialer omfatter hovedsageligt galliumarsenid, indiumphosphid, galliumphosphid, indiumarsenid, aluminiumarsenid og deres ternære forbindelser. Andengenerations halvledermaterialer er fundamentet for den optoelektroniske informationsindustri. På dette grundlag er relaterede industrier som belysning, display, laser og solceller blevet udviklet. De er meget udbredt i moderne informationsteknologi og optoelektroniske displayindustrier.
Repræsentative materialer til tredjegenerations halvledermaterialer omfatter galliumnitrid og siliciumcarbid. På grund af deres brede båndgab, høje elektronmætningsdrifthastighed, høje termiske ledningsevne og høje gennembrudsfeltstyrke er de ideelle materialer til fremstilling af elektroniske enheder med høj effekttæthed, højfrekvente og lavt tab. Blandt dem har siliciumcarbid-strømforsyningskomponenter fordelene ved høj energitæthed, lavt energiforbrug og lille størrelse og har brede anvendelsesmuligheder inden for nye energikøretøjer, solceller, jernbanetransport, big data og andre områder. Galliumnitrid RF-komponenter har fordelene ved høj frekvens, høj effekt, bred båndbredde, lavt strømforbrug og lille størrelse og har brede anvendelsesmuligheder inden for 5G-kommunikation, Tingenes Internet, militærradar og andre områder. Derudover er galliumnitridbaserede strømforsyningskomponenter blevet meget anvendt inden for lavspændingsområdet. Derudover forventes nye galliumoxidmaterialer i de senere år at danne teknisk komplementaritet med eksisterende SiC- og GaN-teknologier og have potentielle anvendelsesmuligheder inden for lavfrekvens- og højspændingsområder.
Sammenlignet med anden generations halvledermaterialer har tredje generations halvledermaterialer en bredere båndgabsbredde (båndgabsbredden for Si, et typisk materiale i første generations halvledermateriale, er omkring 1,1 eV, båndgabsbredden for GaAs, et typisk materiale i anden generations halvledermateriale, er omkring 1,42 eV, og båndgabsbredden for GaN, et typisk materiale i tredje generations halvledermateriale, er over 2,3 eV), stærkere strålingsmodstand, stærkere modstand mod elektrisk feltnedbrud og højere temperaturmodstand. Tredje generations halvledermaterialer med bredere båndgabsbredde er særligt velegnede til produktion af strålingsresistente, højfrekvente, højeffekts- og højintegrationstætheds elektroniske enheder. Deres anvendelser i mikrobølge-radiofrekvensenheder, LED'er, lasere, strømforsyninger og andre felter har tiltrukket sig stor opmærksomhed, og de har vist brede udviklingsmuligheder inden for mobilkommunikation, smart grids, jernbanetransport, nye energikøretøjer, forbrugerelektronik og ultraviolette og blågrønne lysenheder [1].
Billedkilde: CASA, Zheshang Securities Research Institute
Figur 1 Tidsskala og prognose for GaN-strømforsyningsenheder
II GaN-materialestruktur og -karakteristika
GaN er en halvleder med direkte båndgab. Båndgabsbredden for wurtzitstrukturen ved stuetemperatur er omkring 3,26 eV. GaN-materialer har tre primære krystalstrukturer, nemlig wurtzitstruktur, sfaleritstruktur og stensaltstruktur. Blandt dem er wurtzitstrukturen den mest stabile krystalstruktur. Figur 2 er et diagram over den hexagonale wurtzitstruktur af GaN. Wurtzitstrukturen i GaN-materiale tilhører en hexagonal tætpakket struktur. Hver enhedscelle har 12 atomer, herunder 6 N-atomer og 6 Ga-atomer. Hvert Ga (N)-atom danner en binding med de 4 nærmeste N (Ga)-atomer og er stablet i rækkefølgen ABABAB… langs [0001]-retningen [2].
Figur 2 Wurtzite-struktur GaN-krystalcellediagram
III Almindeligt anvendte substrater til GaN-epitaksi
Det ser ud til, at homogen epitaksi på GaN-substrater er det bedste valg til GaN-epitaksi. På grund af GaNs store bindingsenergi er det tilsvarende dekomponeringstryk dog omkring 4,5 GPa, når temperaturen når smeltepunktet på 2500 ℃. Når dekomponeringstrykket er lavere end dette tryk, smelter GaN ikke, men nedbrydes direkte. Dette gør modne substratforberedelsesteknologier, såsom Czochralski-metoden, uegnede til fremstilling af GaN-enkeltkrystalsubstrater, hvilket gør GaN-substrater vanskelige at masseproducere og dyre. Derfor er de substrater, der almindeligvis anvendes i GaN-epitaksial vækst, hovedsageligt Si, SiC, safir osv. [3].
Diagram 3 GaN og parametre for almindeligt anvendte substratmaterialer
GaN-epitaksi på safir
Safir har stabile kemiske egenskaber, er billig og har en høj modenhed i storskalaproduktionsindustrien. Derfor er det blevet et af de tidligste og mest anvendte substratmaterialer inden for halvlederkomponentteknik. Som et af de almindeligt anvendte substrater til GaN-epitaksi er de vigtigste problemer, der skal løses for safirsubstrater:
✔ På grund af den store gitterforskel mellem safir (Al2O3) og GaN (ca. 15%) er defektdensiteten ved grænsefladen mellem det epitaksiale lag og substratet meget høj. For at reducere dets negative virkninger skal substratet underkastes en kompleks forbehandling, før epitaksiprocessen begynder. Før GaN-epitaksi kan dyrkes på safirsubstrater, skal substratoverfladen først rengøres grundigt for at fjerne forurenende stoffer, resterende poleringsskader osv. og for at producere trin og trinoverfladestrukturer. Derefter nitreres substratoverfladen for at ændre det epitaksiale lags befugtningsegenskaber. Endelig skal et tyndt AlN-bufferlag (normalt 10-100 nm tykt) aflejres på substratoverfladen og udglødes ved lav temperatur for at forberede den endelige epitaksiale vækst. Alligevel er dislokationsdensiteten i GaN-epitaksiale film dyrket på safirsubstrater stadig højere end for homoepitaksiale film (ca. 1010 cm⁻², sammenlignet med en stort set nul dislokationsdensitet i silicium-homoepitaksiale film eller galliumarsenid-homoepitaksiale film, eller mellem 102 og 104 cm⁻²). Den højere defektdensitet reducerer mobiliteten af bærerne, hvorved levetiden for mindre bærere forkortes og den termiske ledningsevne reduceres, hvilket alt sammen vil reducere enhedens ydeevne [4];
✔ Safirens termiske udvidelseskoefficient er større end GaN's, så der vil blive genereret biaxial trykspænding i det epitaksiale lag under afkølingsprocessen fra aflejringstemperaturen til stuetemperatur. For tykkere epitaksiale film kan denne spænding forårsage revner i filmen eller endda substratet;
✔ Sammenlignet med andre substrater er safirsubstraternes varmeledningsevne lavere (ca. 0,25 W*cm-1*K-1 ved 100 ℃), og varmeafledningsevnen er dårlig;
✔ På grund af sin dårlige ledningsevne er safirsubstrater ikke egnede til integration og anvendelse med andre halvlederkomponenter.
Selvom defektdensiteten af GaN-epitaksiale lag dyrket på safirsubstrater er høj, synes det ikke at reducere den optoelektroniske ydeevne af GaN-baserede blågrønne LED'er signifikant, så safirsubstrater er stadig almindeligt anvendte substrater til GaN-baserede LED'er.
Med udviklingen af flere nye anvendelser af GaN-enheder, såsom lasere eller andre højdensitets-effektenheder, er de iboende defekter ved safirsubstrater i stigende grad blevet en begrænsning for deres anvendelse. Derudover har mere forskning i dyrkning af GaN-epitaksiale lag på safirsubstrater gradvist vist en afkølingstendens med udviklingen af SiC-substratvækstteknologi, omkostningsreduktion og modningen af GaN-epitaksialteknologi på Si-substrater.
GaN-epitaksi på SiC
Sammenlignet med safir har SiC-substrater (4H- og 6H-krystaller) en mindre gitterafvigelse med GaN-epitaksiale lag (3,1 %, svarende til [0001]-orienterede epitaksiale film), højere termisk ledningsevne (ca. 3,8 W*cm-1*K-1) osv. Derudover tillader SiC-substraternes ledningsevne også elektriske kontakter på bagsiden af substratet, hvilket hjælper med at forenkle enhedens struktur. Eksistensen af disse fordele har tiltrukket flere og flere forskere til at arbejde med GaN-epitaksi på siliciumcarbidsubstrater.
Det er dog også forbundet med en række ulemper at arbejde direkte på SiC-substrater for at undgå voksende GaN-epilag, herunder følgende:
✔ Overfladeruheden af SiC-substrater er meget højere end for safirsubstrater (safirruhed 0,1 nm RMS, SiC-ruhed 1 nm RMS). SiC-substrater har høj hårdhed og dårlig forarbejdningsevne, og denne ruhed og resterende poleringsskader er også en af kilderne til defekter i GaN-epilager.
✔ Skrueforskydningstætheden for SiC-substrater er høj (forskydningstæthed 103-104 cm-2), skrueforskydninger kan sprede sig til GaN-epilaget og reducere enhedens ydeevne;
✔ Den atomare ordning på substratoverfladen inducerer dannelsen af stablingsfejl (BSF'er) i GaN-epilaget. For epitaksial GaN på SiC-substrater er der flere mulige atomare ordninger på substratet, hvilket resulterer i en inkonsistent initial atomar stablingsrækkefølge af det epitaksiale GaN-lag på det, som er tilbøjeligt til stablingsfejl. Stablingsfejl (SF'er) introducerer indbyggede elektriske felter langs c-aksen, hvilket fører til problemer såsom lækage fra planare separationsenheder;
✔ Den termiske udvidelseskoefficient for SiC-substrat er mindre end for AlN og GaN, hvilket forårsager akkumulering af termisk spænding mellem det epitaksiale lag og substratet under afkølingsprocessen. Waltereit og Brand forudsagde baseret på deres forskningsresultater, at dette problem kan afhjælpes eller løses ved at dyrke GaN-epitaksiale lag på tynde, kohærent anspændte AlN-nukleationslag;
✔ Problemet med dårlig befugtningsevne af Ga-atomer. Når GaN-epitaksiale lag dyrkes direkte på SiC-overfladen, er GaN på grund af den dårlige befugtningsevne mellem de to atomer tilbøjelig til 3D-øvækst på substratoverfladen. Introduktion af et bufferlag er den mest almindeligt anvendte løsning til at forbedre kvaliteten af epitaksiale materialer i GaN-epitaksi. Introduktion af et AlN- eller AlxGa1-xN bufferlag kan effektivt forbedre SiC-overfladens befugtningsevne og få GaN-epitaksiale laget til at vokse i to dimensioner. Derudover kan det også regulere stress og forhindre substratdefekter i at strække sig til GaN-epitaksi.
✔ Fremstillingsteknologien for SiC-substrater er umoden, substratomkostningerne er høje, og der er få leverandører og begrænset udbud.
Torres et al.s forskning viser, at ætsning af SiC-substratet med H2 ved høj temperatur (1600 °C) før epitaksi kan producere en mere ordnet trinstruktur på substratoverfladen og derved opnå en AlN-epitaksialfilm af højere kvalitet end når den dyrkes direkte på den oprindelige substratoverflade. Xie og hans teams forskning viser også, at ætsningsforbehandling af siliciumcarbidsubstratet kan forbedre overflademorfologien og krystalkvaliteten af GaN-epitaksiallaget betydeligt. Smith et al. fandt, at gevindforskydninger, der stammer fra substrat/bufferlag og bufferlag/epitaksiallag-grænsefladerne, er relateret til substratets fladhed [5].
Figur 4 TEM-morfologi af GaN-epitaksiale lagprøver dyrket på 6H-SiC-substrat (0001) under forskellige overfladebehandlingsbetingelser (a) kemisk rengøring; (b) kemisk rengøring + hydrogenplasmabehandling; (c) kemisk rengøring + hydrogenplasmabehandling + 1300℃ hydrogenvarmebehandling i 30 min.
GaN-epitaksi på Si
Sammenlignet med siliciumcarbid, safir og andre substrater er fremstillingsprocessen for siliciumsubstrater moden, og den kan stabilt levere modne, store substrater med høj omkostningseffektivitet. Samtidig er den termiske og elektriske ledningsevne god, og processen med elektroniske Si-enheder er moden. Muligheden for perfekt at integrere optoelektroniske GaN-enheder med elektroniske Si-enheder i fremtiden gør også væksten af GaN-epitaksi på silicium meget attraktiv.
På grund af den store forskel i gitterkonstanter mellem Si-substrat og GaN-materiale er heterogen epitaksi af GaN på Si-substrat imidlertid en typisk epitaksi med stor mismatch, og den skal også stå over for en række problemer:
✔ Problem med overfladegrænsefladeenergi. Når GaN vokser på et Si-substrat, vil overfladen af Si-substratet først nitreres for at danne et amorft siliciumnitridlag, der ikke er befordrende for kimdannelse og vækst af GaN med høj densitet. Derudover vil Si-overfladen først komme i kontakt med Ga, hvilket vil korrodere overfladen af Si-substratet. Ved høje temperaturer vil nedbrydningen af Si-overfladen diffundere ind i GaN's epitaksiale lag og danne sorte siliciumpletter.
✔ Forskellen i gitterkonstanten mellem GaN og Si er stor (~17%), hvilket vil føre til dannelse af gevindforskydninger med høj densitet og reducere kvaliteten af det epitaksiale lag betydeligt;
✔ Sammenlignet med Si har GaN en større termisk udvidelseskoefficient (GaNs termiske udvidelseskoefficient er ca. 5,6 × 10⁻⁶K⁻¹, Sis termiske udvidelseskoefficient er ca. 2,6 × 10⁻⁶K⁻¹), og der kan dannes revner i GaN's epitaksiale lag under afkøling af den epitaksiale temperatur til stuetemperatur;
✔ Si reagerer med NH3 ved høje temperaturer og danner polykrystallinsk SiNx. AlN kan ikke danne en præferentiel orienteret kerne på polykrystallinsk SiNx, hvilket fører til en uordnet orientering af det efterfølgende dyrkede GaN-lag og et stort antal defekter, hvilket resulterer i dårlig krystalkvalitet af GaN-epitaksiale lag og endda vanskeligheder med at danne et enkeltkrystallinsk GaN-epitaksiale lag [6].
For at løse problemet med store gitterforskelle har forskere forsøgt at introducere materialer som AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO og SiC som bufferlag på Si-substrater. For at undgå dannelsen af polykrystallinsk SiNx og reducere dens negative virkninger på krystalkvaliteten af GaN/AlN/Si (111)-materialer, kræves det normalt, at TMAl introduceres i en vis periode før epitaksial vækst af AlN-bufferlaget for at forhindre NH3 i at reagere med den eksponerede Si-overflade og danne SiNx. Derudover kan epitaksiale teknologier såsom mønstret substratteknologi bruges til at forbedre kvaliteten af det epitaksiale lag. Udviklingen af disse teknologier hjælper med at hæmme dannelsen af SiNx ved den epitaksiale grænseflade, fremme den todimensionelle vækst af GaN-epitaksiale laget og forbedre vækstkvaliteten af det epitaksiale lag. Derudover introduceres et AlN-bufferlag for at kompensere for trækspændingen forårsaget af forskellen i termiske udvidelseskoefficienter for at undgå revner i GaN-epitaksiale laget på siliciumsubstratet. Krosts forskning viser, at der er en positiv korrelation mellem tykkelsen af AlN-bufferlaget og reduktionen i tøjning. Når bufferlagets tykkelse når 12 nm, kan et epitaksialt lag tykkere end 6 μm dyrkes på et siliciumsubstrat gennem et passende vækstskema uden revner i det epitaksiale lag.
Efter langvarige bestræbelser fra forskere er kvaliteten af GaN-epitaksiale lag dyrket på siliciumsubstrater blevet betydeligt forbedret, og enheder som felteffekttransistorer, Schottky-barriere-ultraviolette detektorer, blågrønne LED'er og ultraviolette lasere har gjort betydelige fremskridt.
Kort sagt, da de almindeligt anvendte GaN epitaksiale substrater alle er heterogene epitakser, står de alle over for fælles problemer såsom gittermismatch og store forskelle i termiske udvidelseskoefficienter i varierende grad. Homogene epitaksiale GaN-substrater er begrænset af teknologiens modenhed, og substraterne er endnu ikke blevet masseproduceret. Produktionsomkostningerne er høje, substratstørrelsen er lille, og substratkvaliteten er ikke ideel. Udviklingen af nye GaN epitaksiale substrater og forbedringen af epitaksialkvaliteten er stadig en af de vigtige faktorer, der begrænser den videre udvikling af GaN epitaksiale industrien.
IV. Almindelige metoder til GaN-epitaksi
MOCVD (kemisk dampaflejring)
Det ser ud til, at homogen epitaksi på GaN-substrater er det bedste valg til GaN-epitaksi. Da forstadierne til kemisk dampaflejring er trimethylgallium og ammoniak, og bærergassen er hydrogen, er den typiske MOCVD-væksttemperatur imidlertid omkring 1000-1100 ℃, og væksthastigheden for MOCVD er omkring et par mikrometer i timen. Det kan producere stejle grænseflader på atomniveau, hvilket er meget velegnet til dyrkning af heterojunktioner, kvantebrønde, supergittere og andre strukturer. Dens hurtige væksthastighed, gode ensartethed og egnethed til vækst i store områder og i flere dele anvendes ofte i industriel produktion.
MBE (molekylær stråleepitaksi)
I molekylærstråleepitaksi bruger Ga en elementær kilde, og aktivt nitrogen udvindes fra nitrogen gennem RF-plasma. Sammenlignet med MOCVD-metoden er MBE-væksttemperaturen omkring 350-400 ℃ lavere. Den lavere væksttemperatur kan undgå en vis forurening, der kan være forårsaget af miljøer med høj temperatur. MBE-systemet fungerer under ultrahøjt vakuum, hvilket gør det muligt at integrere flere in situ-detektionsmetoder. Samtidig kan dets vækstrate og produktionskapacitet ikke sammenlignes med MOCVD, og det anvendes mere i videnskabelig forskning [7].
Figur 5 (a) Eiko-MBE skematisk (b) MBE hovedreaktionskammer skematisk
HVPE-metode (hydriddampfaseepitaksi)
Forløberne for hydriddampfaseepitaksimetoden er GaCl3 og NH3. Detchprohm et al. brugte denne metode til at dyrke et GaN-epitaksialt lag hundredvis af mikrometer tykt på overfladen af et safirsubstrat. I deres eksperiment blev et lag ZnO dyrket mellem safirsubstratet og det epitaksiale lag som et bufferlag, og det epitaksiale lag blev skrællet af fra substratoverfladen. Sammenlignet med MOCVD og MBE er hovedtræk ved HVPE-metoden dens høje væksthastighed, som er egnet til produktion af tykke lag og bulkmaterialer. Men når tykkelsen af det epitaksiale lag overstiger 20 μm, er det epitaksiale lag, der produceres ved denne metode, tilbøjeligt til revner.
Akira USUI introducerede mønstret substratteknologi baseret på denne metode. De dyrkede først et tyndt 1-1,5 μm tykt GaN epitaksialt lag på et safirsubstrat ved hjælp af MOCVD-metoden. Det epitaksiale lag bestod af et 20 nm tykt GaN-bufferlag dyrket under lave temperaturforhold og et GaN-lag dyrket under høje temperaturforhold. Derefter, ved 430 ℃, blev et lag SiO2 belagt på overfladen af det epitaksiale lag, og vinduesstriber blev lavet på SiO2-filmen ved hjælp af fotolitografi. Stribeafstanden var 7 μm, og maskebredden varierede fra 1 μm til 4 μm. Efter denne forbedring opnåede de et GaN epitaksialt lag på et safirsubstrat med en diameter på 2 tommer, der var revnefrit og glat som et spejl, selv når tykkelsen steg til ti eller endda hundredvis af mikroner. Defektdensiteten blev reduceret fra 109-1010 cm-2 med den traditionelle HVPE-metode til ca. 6×107 cm-2. De påpegede også i eksperimentet, at når vækstraten oversteg 75 μm/t, ville prøveoverfladen blive ru[8].
Figur 6 Grafisk substratdiagram
V. Resumé og fremtidsudsigter
GaN-materialer begyndte at dukke op i 2014, da den blå LED-lys vandt Nobelprisen i fysik det år, og trådte ind i offentlighedens felt af hurtigopladningsapplikationer inden for forbrugerelektronik. Faktisk er applikationer i effektforstærkere og RF-enheder, der bruges i 5G-basestationer, og som de fleste mennesker ikke kan se, også stille og roligt dukket op. I de senere år forventes gennembruddet af GaN-baserede strømforsyninger til biler at åbne nye vækstpunkter for markedet for GaN-materialeapplikationer.
Den enorme markedsefterspørgsel vil helt sikkert fremme udviklingen af GaN-relaterede industrier og teknologier. Med modningen og forbedringen af den GaN-relaterede industrikæde vil de problemer, som den nuværende GaN-epitaksiale teknologi står over for, i sidste ende blive forbedret eller overvundet. I fremtiden vil folk helt sikkert udvikle flere nye epitaksiale teknologier og mere fremragende substratmuligheder. På det tidspunkt vil folk være i stand til at vælge den mest passende eksterne forskningsteknologi og substrat til forskellige anvendelsesscenarier i henhold til anvendelsesscenariernes karakteristika og producere de mest konkurrencedygtige, tilpassede produkter.
Opslagstidspunkt: 28. juni 2024