1. Ημιαγωγοί τρίτης γενιάς
Η τεχνολογία ημιαγωγών πρώτης γενιάς αναπτύχθηκε με βάση ημιαγωγικά υλικά όπως το Si και το Ge. Αποτελεί την υλική βάση για την ανάπτυξη τρανζίστορ και τεχνολογίας ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Τα ημιαγωγικά υλικά πρώτης γενιάς έθεσαν τα θεμέλια για την ηλεκτρονική βιομηχανία τον 20ό αιώνα και αποτελούν τα βασικά υλικά για την τεχνολογία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.
Τα ημιαγωγικά υλικά δεύτερης γενιάς περιλαμβάνουν κυρίως αρσενικούχο γάλλιο, φωσφίδιο ινδίου, φωσφίδιο γαλλίου, αρσενικούχο ινδίου, αρσενικούχο αργίλιο και τις τριαδικές τους ενώσεις. Τα ημιαγωγικά υλικά δεύτερης γενιάς αποτελούν τη βάση της οπτοηλεκτρονικής βιομηχανίας πληροφοριών. Σε αυτή τη βάση, έχουν αναπτυχθεί συναφείς βιομηχανίες όπως ο φωτισμός, οι οθόνες, τα λέιζερ και τα φωτοβολταϊκά. Χρησιμοποιούνται ευρέως στις σύγχρονες βιομηχανίες τεχνολογίας πληροφοριών και οπτοηλεκτρονικών οθονών.
Αντιπροσωπευτικά υλικά των ημιαγωγών τρίτης γενιάς περιλαμβάνουν το νιτρίδιο του γαλλίου και το καρβίδιο του πυριτίου. Λόγω του μεγάλου ενεργειακού χάσματος, της υψηλής ταχύτητας ολίσθησης κορεσμού ηλεκτρονίων, της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας και της υψηλής έντασης πεδίου διάσπασης, είναι ιδανικά υλικά για την κατασκευή ηλεκτρονικών συσκευών υψηλής πυκνότητας ισχύος, υψηλής συχνότητας και χαμηλών απωλειών. Μεταξύ αυτών, οι συσκευές ισχύος από καρβίδιο του πυριτίου έχουν τα πλεονεκτήματα της υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας και του μικρού μεγέθους, και έχουν ευρείες προοπτικές εφαρμογής σε οχήματα νέας ενέργειας, φωτοβολταϊκά, σιδηροδρομικές μεταφορές, μεγάλα δεδομένα και άλλους τομείς. Οι συσκευές RF από νιτρίδιο του γαλλίου έχουν τα πλεονεκτήματα της υψηλής συχνότητας, της υψηλής ισχύος, του ευρέος εύρους ζώνης, της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας και του μικρού μεγέθους, και έχουν ευρείες προοπτικές εφαρμογής στις επικοινωνίες 5G, το Διαδίκτυο των Πραγμάτων, τα στρατιωτικά ραντάρ και άλλους τομείς. Επιπλέον, οι συσκευές ισχύος που βασίζονται στο νιτρίδιο του γαλλίου έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στον τομέα της χαμηλής τάσης. Επιπλέον, τα τελευταία χρόνια, τα αναδυόμενα υλικά οξειδίου του γαλλίου αναμένεται να αποτελέσουν τεχνική συμπληρωματικότητα με τις υπάρχουσες τεχνολογίες SiC και GaN, και έχουν πιθανές προοπτικές εφαρμογής στους τομείς χαμηλής συχνότητας και υψηλής τάσης.
Σε σύγκριση με τα ημιαγωγικά υλικά δεύτερης γενιάς, τα ημιαγωγικά υλικά τρίτης γενιάς έχουν μεγαλύτερο εύρος ενεργειακού χάσματος (το εύρος ενεργειακού χάσματος του Si, ενός τυπικού υλικού του ημιαγωγικού υλικού πρώτης γενιάς, είναι περίπου 1,1 eV, το εύρος ενεργειακού χάσματος του GaAs, ενός τυπικού υλικού του ημιαγωγικού υλικού δεύτερης γενιάς, είναι περίπου 1,42 eV και το εύρος ενεργειακού χάσματος του GaN, ενός τυπικού υλικού του ημιαγωγικού υλικού τρίτης γενιάς, είναι πάνω από 2,3 eV), ισχυρότερη αντίσταση στην ακτινοβολία, ισχυρότερη αντίσταση στη διάσπαση του ηλεκτρικού πεδίου και υψηλότερη αντοχή στη θερμοκρασία. Τα ημιαγωγικά υλικά τρίτης γενιάς με μεγαλύτερο εύρος ενεργειακού χάσματος είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για την παραγωγή ηλεκτρονικών συσκευών ανθεκτικών στην ακτινοβολία, υψηλής συχνότητας, υψηλής ισχύος και υψηλής πυκνότητας ολοκλήρωσης. Οι εφαρμογές τους σε συσκευές ραδιοσυχνοτήτων μικροκυμάτων, LED, λέιζερ, συσκευές ισχύος και άλλους τομείς έχουν προσελκύσει μεγάλη προσοχή και έχουν δείξει ευρείες προοπτικές ανάπτυξης στις κινητές επικοινωνίες, τα έξυπνα δίκτυα, τις σιδηροδρομικές μεταφορές, τα νέα ενεργειακά οχήματα, τα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης και τις συσκευές υπεριώδους και μπλε-πράσινου φωτός [1].
Πηγή εικόνας: CASA, Ινστιτούτο Έρευνας Κεφαλαιαγοράς Zheshang
Σχήμα 1 Χρονική κλίμακα και πρόβλεψη συσκευής ισχύος GaN
II Δομή και χαρακτηριστικά υλικού GaN
Το GaN είναι ένας ημιαγωγός άμεσου ενεργειακού χάσματος. Το πλάτος ενεργειακού χάσματος της δομής του βουρτσιτίου σε θερμοκρασία δωματίου είναι περίπου 3,26eV. Τα υλικά GaN έχουν τρεις κύριες κρυσταλλικές δομές, συγκεκριμένα τη δομή του βουρτσιτίου, τη δομή του σφαλερίτη και τη δομή του ορυκτού άλατος. Μεταξύ αυτών, η δομή του βουρτσιτίου είναι η πιο σταθερή κρυσταλλική δομή. Το Σχήμα 2 είναι ένα διάγραμμα της εξαγωνικής δομής του βουρτσιτίου του GaN. Η δομή του βουρτσιτίου του υλικού GaN ανήκει σε μια εξαγωνική κλειστά συσκευασμένη δομή. Κάθε κελί μονάδας έχει 12 άτομα, συμπεριλαμβανομένων 6 ατόμων Ν και 6 ατόμων Ga. Κάθε άτομο Ga (N) σχηματίζει έναν δεσμό με τα 4 πλησιέστερα άτομα Ν (Ga) και στοιβάζεται με τη σειρά ABABAB… κατά μήκος της κατεύθυνσης [0001] [2].
Σχήμα 2 Δομή Wurtzite Διάγραμμα κρυσταλλικού κελιού GaN
III Συνήθως χρησιμοποιούμενα υποστρώματα για επιταξία GaN
Φαίνεται ότι η ομογενής επιταξία σε υποστρώματα GaN είναι η καλύτερη επιλογή για την επιταξία GaN. Ωστόσο, λόγω της μεγάλης ενέργειας δεσμού του GaN, όταν η θερμοκρασία φτάσει στο σημείο τήξης των 2500℃, η αντίστοιχη πίεση αποσύνθεσης είναι περίπου 4,5GPa. Όταν η πίεση αποσύνθεσης είναι χαμηλότερη από αυτήν την πίεση, το GaN δεν τήκεται αλλά αποσυντίθεται άμεσα. Αυτό καθιστά τις ώριμες τεχνολογίες προετοιμασίας υποστρωμάτων, όπως η μέθοδος Czochralski, ακατάλληλες για την παρασκευή μονοκρυσταλλικών υποστρωμάτων GaN, καθιστώντας τα υποστρώματα GaN δύσκολα στη μαζική παραγωγή και δαπανηρά. Επομένως, τα υποστρώματα που χρησιμοποιούνται συνήθως στην επιταξιακή ανάπτυξη GaN είναι κυρίως Si, SiC, ζαφείρι, κ.λπ. [3].
Διάγραμμα 3 GaN και παράμετροι των συνήθως χρησιμοποιούμενων υλικών υποστρώματος
Επιταξία GaN σε ζαφείρι
Το ζαφείρι έχει σταθερές χημικές ιδιότητες, είναι φθηνό και έχει υψηλή ωριμότητα στη βιομηχανία παραγωγής μεγάλης κλίμακας. Ως εκ τούτου, έχει γίνει ένα από τα πρώτα και πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα υλικά υποστρώματος στη μηχανική ημιαγωγών. Ως ένα από τα συνήθως χρησιμοποιούμενα υποστρώματα για επιταξία GaN, τα κύρια προβλήματα που πρέπει να επιλυθούν για τα υποστρώματα ζαφειριού είναι:
✔ Λόγω της μεγάλης αναντιστοιχίας πλέγματος μεταξύ του ζαφειριού (Al2O3) και του GaN (περίπου 15%), η πυκνότητα ελαττωμάτων στη διεπαφή μεταξύ του επιταξιακού στρώματος και του υποστρώματος είναι πολύ υψηλή. Προκειμένου να μειωθούν οι δυσμενείς επιπτώσεις, το υπόστρωμα πρέπει να υποβληθεί σε σύνθετη προεπεξεργασία πριν ξεκινήσει η διαδικασία επιταξίας. Πριν από την ανάπτυξη επιταξίας GaN σε υποστρώματα ζαφειριού, η επιφάνεια του υποστρώματος πρέπει πρώτα να καθαριστεί αυστηρά για να απομακρυνθούν οι ρύποι, οι υπολειμματικές ζημιές από το γυάλισμα κ.λπ., και για να παραχθούν βήματα και δομές επιφάνειας βημάτων. Στη συνέχεια, η επιφάνεια του υποστρώματος νιτριδώνεται για να αλλάξουν οι ιδιότητες διαβροχής του επιταξιακού στρώματος. Τέλος, ένα λεπτό στρώμα ρυθμιστικού διαλύματος AlN (συνήθως πάχους 10-100nm) πρέπει να εναποτεθεί στην επιφάνεια του υποστρώματος και να υποβληθεί σε ανόπτηση σε χαμηλή θερμοκρασία για να προετοιμαστεί για την τελική επιταξιακή ανάπτυξη. Ακόμα κι έτσι, η πυκνότητα εξάρθρωσης σε επιταξιακές μεμβράνες GaN που αναπτύσσονται σε υποστρώματα ζαφειριού εξακολουθεί να είναι υψηλότερη από αυτή των ομοεπιταξιακών μεμβρανών (περίπου 1010 cm-2, σε σύγκριση με ουσιαστικά μηδενική πυκνότητα εξάρθρωσης σε ομοεπιταξιακές μεμβράνες πυριτίου ή ομοεπιταξιακές μεμβράνες αρσενικού γαλλίου, ή μεταξύ 102 και 104 cm-2). Η υψηλότερη πυκνότητα ελαττωμάτων μειώνει την κινητικότητα των φορέων, μειώνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής των μειονοτικών φορέων και τη θερμική αγωγιμότητα, όλα αυτά μειώνουν την απόδοση της συσκευής [4].
✔ Ο συντελεστής θερμικής διαστολής του ζαφειριού είναι μεγαλύτερος από αυτόν του GaN, επομένως θα δημιουργηθεί διαξονική συμπιεστική τάση στο επιταξιακό στρώμα κατά τη διαδικασία ψύξης από τη θερμοκρασία εναπόθεσης σε θερμοκρασία δωματίου. Για παχύτερες επιταξιακές μεμβράνες, αυτή η τάση μπορεί να προκαλέσει ρωγμές στην μεμβράνη ή ακόμα και στο υπόστρωμα.
✔ Σε σύγκριση με άλλα υποστρώματα, η θερμική αγωγιμότητα των υποστρωμάτων ζαφειριού είναι χαμηλότερη (περίπου 0,25W*cm-1*K-1 στους 100℃) και η απόδοση απαγωγής θερμότητας είναι κακή.
✔ Λόγω της χαμηλής αγωγιμότητάς τους, τα υποστρώματα ζαφειριού δεν ευνοούν την ενσωμάτωση και την εφαρμογή τους με άλλες ημιαγωγικές συσκευές.
Παρόλο που η πυκνότητα ελαττωμάτων των επιταξιακών στρωμάτων GaN που αναπτύσσονται σε υποστρώματα ζαφειριού είναι υψηλή, δεν φαίνεται να μειώνει σημαντικά την οπτοηλεκτρονική απόδοση των μπλε-πράσινων LED με βάση το GaN, επομένως τα υποστρώματα ζαφειριού εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται συνήθως ως υποστρώματα για LED με βάση το GaN.
Με την ανάπτυξη περισσότερων νέων εφαρμογών συσκευών GaN, όπως λέιζερ ή άλλες συσκευές υψηλής πυκνότητας, τα εγγενή ελαττώματα των υποστρωμάτων ζαφειριού αποτελούν ολοένα και μεγαλύτερο περιορισμό στην εφαρμογή τους. Επιπλέον, με την ανάπτυξη της τεχνολογίας ανάπτυξης υποστρωμάτων SiC, τη μείωση του κόστους και την ωριμότητα της επιταξιακής τεχνολογίας GaN σε υποστρώματα Si, περισσότερη έρευνα σχετικά με την ανάπτυξη επιταξιακών στρωμάτων GaN σε υποστρώματα ζαφειριού έχει δείξει σταδιακά μια τάση ψύξης.
Επιταξία GaN σε SiC
Σε σύγκριση με το ζαφείρι, τα υποστρώματα SiC (κρύσταλλοι 4H- και 6H-) έχουν μικρότερη αναντιστοιχία πλέγματος με τα επιταξιακά στρώματα GaN (3,1%, ισοδύναμο με επιταξιακά φιλμ προσανατολισμένα κατά [0001]), υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα (περίπου 3,8W*cm-1*K-1), κ.λπ. Επιπλέον, η αγωγιμότητα των υποστρωμάτων SiC επιτρέπει επίσης τη δημιουργία ηλεκτρικών επαφών στο πίσω μέρος του υποστρώματος, γεγονός που βοηθά στην απλοποίηση της δομής της συσκευής. Η ύπαρξη αυτών των πλεονεκτημάτων έχει προσελκύσει όλο και περισσότερους ερευνητές να εργαστούν στην επιταξία GaN σε υποστρώματα καρβιδίου του πυριτίου.
Ωστόσο, η άμεση εργασία σε υποστρώματα SiC για την αποφυγή ανάπτυξης επιστρώσεων GaN αντιμετωπίζει επίσης μια σειρά από μειονεκτήματα, συμπεριλαμβανομένων των εξής:
✔ Η τραχύτητα της επιφάνειας των υποστρωμάτων SiC είναι πολύ υψηλότερη από αυτή των υποστρωμάτων ζαφειριού (τραχύτητα ζαφειριού 0,1nm RMS, τραχύτητα SiC 1nm RMS). Τα υποστρώματα SiC έχουν υψηλή σκληρότητα και κακή απόδοση επεξεργασίας, και αυτή η τραχύτητα και η υπολειμματική ζημιά από το γυάλισμα είναι επίσης μία από τις πηγές ελαττωμάτων στις επιστρώσεις GaN.
✔ Η πυκνότητα εξάρθρωσης κοχλία των υποστρωμάτων SiC είναι υψηλή (πυκνότητα εξάρθρωσης 103-104cm-2), οι εξάρθρωση κοχλία μπορεί να διαδοθεί στην επιστρώση GaN και να μειώσει την απόδοση της συσκευής.
✔ Η ατομική διάταξη στην επιφάνεια του υποστρώματος προκαλεί τον σχηματισμό ρηγμάτων στοίβαξης (BSFs) στην επιστρώση GaN. Για το επιταξιακό GaN σε υποστρώματα SiC, υπάρχουν πολλαπλές πιθανές ατομικές τάξεις διάταξης στο υπόστρωμα, με αποτέλεσμα την ασυνεπή αρχική ατομική σειρά στοίβαξης του επιταξιακού στρώματος GaN σε αυτό, η οποία είναι επιρρεπής σε ρηγματώσεις στοίβαξης. Τα ρηγματώσεις στοίβαξης (SFs) εισάγουν ενσωματωμένα ηλεκτρικά πεδία κατά μήκος του άξονα c, οδηγώντας σε προβλήματα όπως η διαρροή των συσκευών διαχωρισμού φορέων εντός επιπέδου.
✔ Ο συντελεστής θερμικής διαστολής του υποστρώματος SiC είναι μικρότερος από αυτόν του AlN και του GaN, γεγονός που προκαλεί συσσώρευση θερμικής τάσης μεταξύ του επιταξιακού στρώματος και του υποστρώματος κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ψύξης. Οι Waltereit και Brand προέβλεψαν, βάσει των αποτελεσμάτων της έρευνάς τους, ότι αυτό το πρόβλημα μπορεί να μετριαστεί ή να λυθεί με την ανάπτυξη επιταξιακών στρωμάτων GaN σε λεπτά, συνεκτικά τεταμένα στρώματα πυρήνωσης AlN.
✔ Το πρόβλημα της κακής διαβρεξιμότητας των ατόμων Ga. Κατά την ανάπτυξη επιταξιακών στρωμάτων GaN απευθείας στην επιφάνεια SiC, λόγω της κακής διαβρεξιμότητας μεταξύ των δύο ατόμων, το GaN είναι επιρρεπές σε τρισδιάστατη ανάπτυξη νησίδων στην επιφάνεια του υποστρώματος. Η εισαγωγή ενός ρυθμιστικού στρώματος είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη λύση για τη βελτίωση της ποιότητας των επιταξιακών υλικών στην επιταξία GaN. Η εισαγωγή ενός ρυθμιστικού στρώματος AlN ή AlxGa1-xN μπορεί να βελτιώσει αποτελεσματικά την διαβρεξιμότητα της επιφάνειας SiC και να κάνει το επιταξιακό στρώμα GaN να αναπτυχθεί σε δύο διαστάσεις. Επιπλέον, μπορεί επίσης να ρυθμίσει την τάση και να αποτρέψει την επέκταση των ελαττωμάτων του υποστρώματος στην επιταξία GaN.
✔ Η τεχνολογία προετοιμασίας των υποστρωμάτων SiC είναι ανώριμη, το κόστος του υποστρώματος υψηλό και υπάρχουν λίγοι προμηθευτές και μικρή προσφορά.
Η έρευνα των Torres et al. δείχνει ότι η χάραξη του υποστρώματος SiC με H2 σε υψηλή θερμοκρασία (1600°C) πριν από την επιταξία μπορεί να παράγει μια πιο διατεταγμένη βαθμιδωτή δομή στην επιφάνεια του υποστρώματος, επιτυγχάνοντας έτσι μια επιταξιακή μεμβράνη AlN υψηλότερης ποιότητας από ό,τι όταν αναπτύσσεται απευθείας στην αρχική επιφάνεια του υποστρώματος. Η έρευνα του Xie και της ομάδας του δείχνει επίσης ότι η προεπεξεργασία χάραξης του υποστρώματος καρβιδίου του πυριτίου μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τη μορφολογία της επιφάνειας και την ποιότητα των κρυστάλλων του επιταξιακού στρώματος GaN. Οι Smith et al. διαπίστωσαν ότι οι εξάρσεις σπειρώματος που προέρχονται από τις διεπαφές υποστρώματος/στρώματος buffer και στρώματος buffer/επιταξιακού στρώματος σχετίζονται με την επιπεδότητα του υποστρώματος [5].
Σχήμα 4 Μορφολογία TEM δειγμάτων επιταξιακής στρώσης GaN που αναπτύχθηκαν σε υπόστρωμα 6H-SiC (0001) υπό διαφορετικές συνθήκες επιφανειακής επεξεργασίας (α) χημικός καθαρισμός· (β) χημικός καθαρισμός + επεξεργασία με πλάσμα υδρογόνου· (γ) χημικός καθαρισμός + επεξεργασία με πλάσμα υδρογόνου + θερμική επεξεργασία υδρογόνου στους 1300℃ για 30 λεπτά
Επιταξία GaN σε Si
Σε σύγκριση με το καρβίδιο του πυριτίου, το ζαφείρι και άλλα υποστρώματα, η διαδικασία παρασκευής υποστρώματος πυριτίου είναι ώριμη και μπορεί να παρέχει σταθερά ώριμα υποστρώματα μεγάλου μεγέθους με υψηλή απόδοση κόστους. Ταυτόχρονα, η θερμική αγωγιμότητα και η ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι καλές και η διαδικασία ηλεκτρονικής συσκευής Si είναι ώριμη. Η δυνατότητα τέλειας ενσωμάτωσης οπτοηλεκτρονικών συσκευών GaN με ηλεκτρονικές συσκευές Si στο μέλλον καθιστά επίσης την ανάπτυξη της επιταξίας GaN σε πυρίτιο πολύ ελκυστική.
Ωστόσο, λόγω της μεγάλης διαφοράς στις σταθερές πλέγματος μεταξύ του υποστρώματος Si και του υλικού GaN, η ετερογενής επιταξία του GaN σε υπόστρωμα Si είναι μια τυπική επιταξία μεγάλης αναντιστοιχίας και πρέπει επίσης να αντιμετωπίσει μια σειρά από προβλήματα:
✔ Πρόβλημα ενέργειας επιφανειακής διεπιφάνειας. Όταν το GaN αναπτύσσεται σε ένα υπόστρωμα Si, η επιφάνεια του υποστρώματος Si θα νιτριδωθεί πρώτα για να σχηματίσει ένα άμορφο στρώμα νιτριδίου του πυριτίου που δεν ευνοεί τον σχηματισμό πυρήνων και την ανάπτυξη GaN υψηλής πυκνότητας. Επιπλέον, η επιφάνεια του Si θα έρθει πρώτα σε επαφή με το Ga, το οποίο θα διαβρώσει την επιφάνεια του υποστρώματος Si. Σε υψηλές θερμοκρασίες, η αποσύνθεση της επιφάνειας του Si θα διαχυθεί στο επιταξιακό στρώμα GaN για να σχηματίσει μαύρες κηλίδες πυριτίου.
✔ Η αναντιστοιχία των σταθερών πλέγματος μεταξύ GaN και Si είναι μεγάλη (~17%), γεγονός που θα οδηγήσει στον σχηματισμό εξάρσεων σπειρώματος υψηλής πυκνότητας και θα μειώσει σημαντικά την ποιότητα του επιταξιακού στρώματος.
✔ Σε σύγκριση με το Si, το GaN έχει μεγαλύτερο συντελεστή θερμικής διαστολής (ο συντελεστής θερμικής διαστολής του GaN είναι περίπου 5,6×10-6K-1, ο συντελεστής θερμικής διαστολής του Si είναι περίπου 2,6×10-6K-1), και ενδέχεται να δημιουργηθούν ρωγμές στο επιταξιακό στρώμα GaN κατά την ψύξη της επιταξιακής θερμοκρασίας σε θερμοκρασία δωματίου.
✔ Το Si αντιδρά με NH3 σε υψηλές θερμοκρασίες για να σχηματίσει πολυκρυσταλλικό SiNx. Το AlN δεν μπορεί να σχηματίσει έναν πυρήνα με προτιμησιακό προσανατολισμό σε πολυκρυσταλλικό SiNx, γεγονός που οδηγεί σε έναν ακανόνιστο προσανατολισμό του στρώματος GaN που αναπτύσσεται στη συνέχεια και σε έναν μεγάλο αριθμό ελαττωμάτων, με αποτέλεσμα την κακή ποιότητα κρυστάλλων του επιταξιακού στρώματος GaN, ακόμη και τη δυσκολία σχηματισμού ενός μονοκρυσταλλικού επιταξιακού στρώματος GaN [6].
Προκειμένου να λυθεί το πρόβλημα της μεγάλης αναντιστοιχίας πλέγματος, οι ερευνητές προσπάθησαν να εισαγάγουν υλικά όπως AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO και SiC ως ρυθμιστικά στρώματα σε υποστρώματα Si. Προκειμένου να αποφευχθεί ο σχηματισμός πολυκρυσταλλικού SiNx και να μειωθούν οι αρνητικές επιπτώσεις του στην ποιότητα των κρυστάλλων των υλικών GaN/AlN/Si (111), το TMAl συνήθως απαιτείται να εισαχθεί για ένα ορισμένο χρονικό διάστημα πριν από την επιταξιακή ανάπτυξη του ρυθμιστικού στρώματος AlN, ώστε να αποτραπεί η αντίδραση της NH3 με την εκτεθειμένη επιφάνεια Si για να σχηματιστεί SiNx. Επιπλέον, οι επιταξιακές τεχνολογίες, όπως η τεχνολογία υποστρώματος με μοτίβο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της ποιότητας του επιταξιακού στρώματος. Η ανάπτυξη αυτών των τεχνολογιών βοηθά στην αναστολή του σχηματισμού SiNx στην επιταξιακή διεπαφή, στην προώθηση της δισδιάστατης ανάπτυξης του επιταξιακού στρώματος GaN και στη βελτίωση της ποιότητας ανάπτυξης του επιταξιακού στρώματος. Επιπλέον, εισάγεται ένα ρυθμιστικό στρώμα AlN για την αντιστάθμιση της εφελκυστικής τάσης που προκαλείται από τη διαφορά στους συντελεστές θερμικής διαστολής, ώστε να αποφευχθούν ρωγμές στο επιταξιακό στρώμα GaN στο υπόστρωμα πυριτίου. Η έρευνα του Krost δείχνει ότι υπάρχει θετική συσχέτιση μεταξύ του πάχους του ρυθμιστικού στρώματος AlN και της μείωσης της παραμόρφωσης. Όταν το πάχος του ρυθμιστικού στρώματος φτάσει τα 12nm, ένα επιταξιακό στρώμα παχύτερο από 6μm μπορεί να αναπτυχθεί σε υπόστρωμα πυριτίου μέσω ενός κατάλληλου σχήματος ανάπτυξης χωρίς να προκληθεί ρωγμάτωση στο επιταξιακό στρώμα.
Μετά από μακροχρόνιες προσπάθειες ερευνητών, η ποιότητα των επιταξιακών στρωμάτων GaN που αναπτύσσονται σε υποστρώματα πυριτίου έχει βελτιωθεί σημαντικά και συσκευές όπως τα τρανζίστορ φαινομένου πεδίου, οι ανιχνευτές υπεριώδους ακτινοβολίας με φράγμα Schottky, τα μπλε-πράσινα LED και τα υπεριώδη λέιζερ έχουν σημειώσει σημαντική πρόοδο.
Συνοπτικά, δεδομένου ότι τα συνήθως χρησιμοποιούμενα επιταξιακά υποστρώματα GaN είναι όλα ετερογενή επιταξιακά, αντιμετωπίζουν όλα κοινά προβλήματα, όπως η αναντιστοιχία πλέγματος και οι μεγάλες διαφορές στους συντελεστές θερμικής διαστολής σε ποικίλους βαθμούς. Τα ομοιογενή επιταξιακά υποστρώματα GaN περιορίζονται από την ωριμότητα της τεχνολογίας και τα υποστρώματα δεν έχουν ακόμη παραχθεί μαζικά. Το κόστος παραγωγής είναι υψηλό, το μέγεθος του υποστρώματος είναι μικρό και η ποιότητα του υποστρώματος δεν είναι ιδανική. Η ανάπτυξη νέων επιταξιακών υποστρωμάτων GaN και η βελτίωση της επιταξιακής ποιότητας εξακολουθούν να αποτελούν έναν από τους σημαντικούς παράγοντες που περιορίζουν την περαιτέρω ανάπτυξη της βιομηχανίας επιταξιακών υποστρωμάτων GaN.
IV. Κοινές μέθοδοι για επιταξία GaN
MOCVD (χημική εναπόθεση ατμών)
Φαίνεται ότι η ομογενής επιταξία σε υποστρώματα GaN είναι η καλύτερη επιλογή για την επιταξία GaN. Ωστόσο, δεδομένου ότι οι πρόδρομοι της χημικής εναπόθεσης ατμών είναι το τριμεθυλογάλλιο και η αμμωνία, και το αέριο φορέας είναι το υδρογόνο, η τυπική θερμοκρασία ανάπτυξης MOCVD είναι περίπου 1000-1100℃, και ο ρυθμός ανάπτυξης του MOCVD είναι περίπου μερικά μικρά ανά ώρα. Μπορεί να παράγει απότομες διεπιφάνειες σε ατομικό επίπεδο, κάτι που είναι πολύ κατάλληλο για την ανάπτυξη ετεροεπαφών, κβαντικών φρεατίων, υπερπλεγμάτων και άλλων δομών. Ο γρήγορος ρυθμός ανάπτυξής του, η καλή ομοιομορφία και η καταλληλότητά του για ανάπτυξη σε μεγάλες επιφάνειες και σε πολλαπλά κομμάτια χρησιμοποιούνται συχνά στη βιομηχανική παραγωγή.
MBE (επιταξία μοριακής δέσμης)
Στην επιταξία μοριακής δέσμης, το Ga χρησιμοποιεί μια στοιχειακή πηγή και το ενεργό άζωτο λαμβάνεται από το άζωτο μέσω πλάσματος RF. Σε σύγκριση με τη μέθοδο MOCVD, η θερμοκρασία ανάπτυξης MBE είναι περίπου 350-400℃ χαμηλότερη. Η χαμηλότερη θερμοκρασία ανάπτυξης μπορεί να αποφύγει ορισμένη ρύπανση που μπορεί να προκληθεί από περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας. Το σύστημα MBE λειτουργεί υπό εξαιρετικά υψηλό κενό, το οποίο του επιτρέπει να ενσωματώνει περισσότερες μεθόδους ανίχνευσης in situ. Ταυτόχρονα, ο ρυθμός ανάπτυξης και η παραγωγική του ικανότητα δεν μπορούν να συγκριθούν με το MOCVD και χρησιμοποιείται περισσότερο στην επιστημονική έρευνα [7].
Σχήμα 5 (α) Σχηματικό Eiko-MBE (β) Σχηματικός θαλάμου κύριας αντίδρασης MBE
Μέθοδος HVPE (επιταξία υδριδικής φάσης ατμών)
Οι πρόδρομοι της μεθόδου επιταξίας υδριδίου σε αέρια φάση είναι το GaCl3 και το NH3. Οι Detchprohm et al. χρησιμοποίησαν αυτήν τη μέθοδο για να αναπτύξουν ένα επιταξιακό στρώμα GaN πάχους εκατοντάδων μικρών στην επιφάνεια ενός υποστρώματος ζαφειριού. Στο πείραμά τους, ένα στρώμα ZnO αναπτύχθηκε μεταξύ του υποστρώματος ζαφειριού και του επιταξιακού στρώματος ως ρυθμιστικό στρώμα και το επιταξιακό στρώμα αποκολλήθηκε από την επιφάνεια του υποστρώματος. Σε σύγκριση με το MOCVD και το MBE, το κύριο χαρακτηριστικό της μεθόδου HVPE είναι ο υψηλός ρυθμός ανάπτυξής της, ο οποίος είναι κατάλληλος για την παραγωγή παχιών στρωμάτων και χύδην υλικών. Ωστόσο, όταν το πάχος του επιταξιακού στρώματος υπερβαίνει τα 20μm, το επιταξιακό στρώμα που παράγεται με αυτήν τη μέθοδο είναι επιρρεπές σε ρωγμές.
Ο Akira USUI εισήγαγε την τεχνολογία υποστρώματος με μοτίβο βασισμένη σε αυτή τη μέθοδο. Αρχικά, ανέπτυξαν ένα λεπτό επιταξιακό στρώμα GaN πάχους 1-1,5 μm σε ένα υπόστρωμα ζαφειριού χρησιμοποιώντας τη μέθοδο MOCVD. Το επιταξιακό στρώμα αποτελούνταν από ένα ρυθμιστικό στρώμα GaN πάχους 20 nm που αναπτύχθηκε σε συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας και ένα στρώμα GaN που αναπτύχθηκε σε συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας. Στη συνέχεια, στους 430℃, ένα στρώμα SiO2 επιστρώθηκε στην επιφάνεια του επιταξιακού στρώματος και δημιουργήθηκαν λωρίδες παραθύρου στην μεμβράνη SiO2 με φωτολιθογραφία. Η απόσταση μεταξύ των λωρίδων ήταν 7 μm και το πλάτος της μάσκας κυμαινόταν από 1 μm έως 4 μm. Μετά από αυτή τη βελτίωση, απέκτησαν ένα επιταξιακό στρώμα GaN σε ένα υπόστρωμα ζαφειριού διαμέτρου 2 ιντσών που ήταν χωρίς ρωγμές και τόσο λείο όσο ένας καθρέφτης ακόμα και όταν το πάχος αυξήθηκε σε δεκάδες ή και εκατοντάδες μικρά. Η πυκνότητα των ελαττωμάτων μειώθηκε από 109-1010 cm-2 της παραδοσιακής μεθόδου HVPE σε περίπου 6×107 cm-2. Επίσης, στο πείραμα επεσήμαναν ότι όταν ο ρυθμός ανάπτυξης υπερέβαινε τα 75μm/h, η επιφάνεια του δείγματος γινόταν τραχιά [8].
Σχήμα 6 Γραφικό Σχηματικό Υπόστρωμα
V. Σύνοψη και Προοπτικές
Τα υλικά GaN άρχισαν να εμφανίζονται το 2014, όταν το μπλε φως LED κέρδισε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής εκείνη τη χρονιά και εισήλθε στο πεδίο εφαρμογής γρήγορης φόρτισης στον τομέα των ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης. Στην πραγματικότητα, εφαρμογές στους ενισχυτές ισχύος και στις συσκευές RF που χρησιμοποιούνται σε σταθμούς βάσης 5G, τις οποίες οι περισσότεροι άνθρωποι δεν μπορούν να δουν, έχουν επίσης εμφανιστεί αθόρυβα. Τα τελευταία χρόνια, η ανακάλυψη των συσκευών ισχύος που βασίζονται στο GaN για αυτοκίνητα αναμένεται να ανοίξει νέα σημεία ανάπτυξης για την αγορά εφαρμογών υλικών GaN.
Η τεράστια ζήτηση της αγοράς σίγουρα θα προωθήσει την ανάπτυξη βιομηχανιών και τεχνολογιών που σχετίζονται με το GaN. Με την ωριμότητα και τη βελτίωση της βιομηχανικής αλυσίδας που σχετίζεται με το GaN, τα προβλήματα που αντιμετωπίζει η τρέχουσα επιταξιακή τεχνολογία GaN τελικά θα βελτιωθούν ή θα ξεπεραστούν. Στο μέλλον, οι άνθρωποι σίγουρα θα αναπτύξουν περισσότερες νέες επιταξιακές τεχνολογίες και πιο εξαιρετικές επιλογές υποστρώματος. Μέχρι τότε, οι άνθρωποι θα είναι σε θέση να επιλέξουν την καταλληλότερη εξωτερική τεχνολογία έρευνας και υπόστρωμα για διαφορετικά σενάρια εφαρμογών σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά των σεναρίων εφαρμογής και να παράγουν τα πιο ανταγωνιστικά προσαρμοσμένα προϊόντα.
Ώρα δημοσίευσης: 28 Ιουνίου 2024