1. Semi-kondiktè twazyèm jenerasyon an
Teknoloji semi-kondiktè premye jenerasyon an te devlope sou baz materyèl semi-kondiktè tankou Si ak Ge. Li se baz materyèl pou devlopman tranzistò ak teknoloji sikwi entegre. Materyèl semi-kondiktè premye jenerasyon yo te poze fondasyon pou endistri elektwonik nan 20yèm syèk la epi yo se materyèl debaz pou teknoloji sikwi entegre.
Materyèl semi-kondiktè dezyèm jenerasyon yo gen ladan yo sitou galyòm arseniur, fosfid endyòm, fosfid galyòm, arsenid endyòm, arsenid aliminyòm ak konpoze tènè yo. Materyèl semi-kondiktè dezyèm jenerasyon yo se fondasyon endistri enfòmasyon optoelektwonik la. Sou baz sa a, yo te devlope endistri ki gen rapò tankou ekleraj, ekspozisyon, lazè, ak fotovoltaik. Yo lajman itilize nan teknoloji enfòmasyon kontanporen ak endistri ekspozisyon optoelektwonik.
Materyèl reprezantatif materyèl semi-kondiktè twazyèm jenerasyon yo enkli nitrid galyòm ak carbure Silisyòm. Akòz gwo espas bann yo, gwo vitès derive saturation elektwon yo, gwo konduktivite tèmik, ak gwo fòs chan pann, yo se materyèl ideyal pou prepare aparèy elektwonik ki gen gwo dansite puisans, gwo frekans, ak ti pèt. Pami yo, aparèy pouvwa carbure Silisyòm yo gen avantaj dansite enèji ki wo, konsomasyon enèji ki ba, ak ti gwosè, epi yo gen laj kandida aplikasyon nan nouvo machin enèji, fotovoltaik, transpò tren, gwo done, ak lòt domèn. Aparèy RF nitrid galyòm yo gen avantaj frekans ki wo, gwo puisans, laj Pleasant, konsomasyon enèji ki ba ak ti gwosè, epi yo gen laj kandida aplikasyon nan kominikasyon 5G, Entènèt Obje yo, rada militè ak lòt domèn. Anplis de sa, aparèy pouvwa ki baze sou nitrid galyòm yo te lajman itilize nan domèn ba-vòltaj la. Anplis de sa, nan dènye ane yo, materyèl oksid galyòm émergentes yo espere fòme konplemantarite teknik ak teknoloji SiC ak GaN ki deja egziste yo, epi yo gen kandida aplikasyon potansyèl nan domèn ba-frekans ak wo-vòltaj.
Konpare ak materyèl semi-kondiktè dezyèm jenerasyon yo, materyèl semi-kondiktè twazyèm jenerasyon yo gen yon lajè espas bann ki pi laj (lajè espas bann Si, yon materyèl tipik nan materyèl semi-kondiktè premye jenerasyon an, se anviwon 1.1eV, lajè espas bann GaAs, yon materyèl tipik nan materyèl semi-kondiktè dezyèm jenerasyon an, se anviwon 1.42eV, epi lajè espas bann GaN, yon materyèl tipik nan materyèl semi-kondiktè twazyèm jenerasyon an, pi wo pase 2.3eV), pi fò rezistans radyasyon, pi fò rezistans a pann chan elektrik, ak pi wo rezistans tanperati. Materyèl semi-kondiktè twazyèm jenerasyon yo ki gen yon lajè espas bann ki pi laj yo patikilyèman apwopriye pou pwodiksyon aparèy elektwonik ki reziste radyasyon, ki gen gwo frekans, gwo puisans ak gwo dansite entegrasyon. Aplikasyon yo nan aparèy frekans radyo mikwo ond, LED, lazè, aparèy pouvwa ak lòt domèn yo te atire anpil atansyon, epi yo te montre gwo pèspektiv devlopman nan kominikasyon mobil, rezo entelijan, transpò tren, machin nouvo enèji, elektwonik konsomatè, ak aparèy limyè iltravyolèt ak ble-vèt [1].
Sous imaj: CASA, Enstiti Rechèch sou Sekirite Zheshang
Figi 1 Echèl tan ak previzyon aparèy pouvwa GaN
II Estrikti ak karakteristik materyèl GaN
GaN se yon semi-kondiktè ki gen yon espas bann dirèk. Lajè espas bann estrikti wurtzit la nan tanperati chanm se anviwon 3.26eV. Materyèl GaN yo gen twa estrikti kristal prensipal, sètadi estrikti wurtzit, estrikti sfalerit ak estrikti sèl wòch. Pami yo, estrikti wurtzit la se estrikti kristal ki pi estab la. Figi 2 se yon dyagram estrikti wurtzit egzagonal GaN an. Estrikti wurtzit materyèl GaN a fè pati yon estrikti egzagonal byen sere. Chak selil inite gen 12 atòm, ki gen ladan 6 atòm N ak 6 atòm Ga. Chak atòm Ga (N) fòme yon lyezon ak 4 atòm N (Ga) ki pi pre yo epi li anpile nan lòd ABABAB... sou direksyon [0001] [2].
Figi 2 Dyagram selil kristal GaN nan estrikti Wurtzit la
III Substrat ki souvan itilize pou epitaksi GaN
Li sanble ke epitaksi omojèn sou substrats GaN se pi bon chwa pou epitaksi GaN. Sepandan, akòz gwo enèji lyezon GaN a, lè tanperati a rive nan pwen fizyon 2500 ℃, presyon dekonpozisyon korespondan li a se anviwon 4.5 GPa. Lè presyon dekonpozisyon an pi ba pase presyon sa a, GaN pa fonn men li dekonpoze dirèkteman. Sa fè teknoloji preparasyon substrats ki gen matirite tankou metòd Czochralski a pa apwopriye pou preparasyon substrats monokristal GaN, sa ki fè substrats GaN yo difisil pou pwodui an mas epi yo koute chè. Se poutèt sa, substrats yo souvan itilize nan kwasans epitaksi GaN yo se sitou Si, SiC, safi, elatriye [3].
Tablo 3 GaN ak paramèt materyèl substrat ki itilize souvan yo
Epitaksi GaN sou safi
Safi gen pwopriyete chimik ki estab, li bon mache, epi li gen yon matirite segondè nan endistri pwodiksyon an gwo echèl. Se poutèt sa, li vin tounen youn nan materyèl substrat ki pi ansyen e ki pi lajman itilize nan jeni aparèy semi-kondiktè. Kòm youn nan substrat ki pi souvan itilize pou epitaksi GaN, pwoblèm prensipal ki bezwen rezoud pou substrat safi yo se:
✔ Akòz gwo diferans nan rezo ki genyen ant safi (Al2O3) ak GaN (anviwon 15%), dansite domaj nan entèfas ant kouch epitaksi a ak substra a trè wo. Pou diminye efè negatif li yo, substra a dwe sibi yon pretretman konplèks anvan pwosesis epitaksi a kòmanse. Anvan yo fè epitaksi GaN grandi sou substra safi, sifas substra a dwe premye netwaye byen pou retire kontaminan, domaj polisaj rezidyèl, elatriye, epi pou pwodui mach eskalye ak estrikti sifas mach eskalye. Apre sa, sifas substra a nitrid pou chanje pwopriyete mouyaj kouch epitaksi a. Finalman, yon kouch tampon AlN mens (anjeneral 10-100nm epesè) bezwen depoze sou sifas substra a epi trete nan tanperati ki ba pou prepare pou kwasans epitaksi final la. Menm si sa, dansite dislokasyon nan fim epitaksyèl GaN ki grandi sou substrats safi toujou pi wo pase sa ki nan fim omoepitaksyèl yo (anviwon 1010cm-2, konpare ak yon dansite dislokasyon ki prèske zewo nan fim omoepitaksyèl Silisyòm oswa fim omoepitaksyèl Galyòm Arsenid, oswa ant 102 ak 104cm-2). Dansite domaj ki pi wo a diminye mobilite transpòtè yo, kidonk diminye dire lavi transpòtè minorite yo epi diminye konduktivite tèmik, tout bagay sa yo ap diminye pèfòmans aparèy la [4];
✔ Koyefisyan ekspansyon tèmik safi a pi gran pase GaN, kidonk yon estrès konpresiv biaxial pral pwodui nan kouch epitaksyal la pandan pwosesis refwadisman an soti nan tanperati depo a rive nan tanperati chanm nan. Pou fim epitaksyal ki pi epè, estrès sa a ka lakòz fann nan fim nan oswa menm nan substrat la;
✔ Konpare ak lòt substrats, konduktivite tèmik substrats safi yo pi ba (apeprè 0.25W*cm-1*K-1 a 100℃), epi pèfòmans disipasyon chalè a pòv;
✔ Akòz konduktivite pòv li yo, substrats safi yo pa fezab pou entegrasyon ak aplikasyon yo ak lòt aparèy semi-kondiktè.
Malgre ke dansite domaj kouch epitaksyèl GaN ki grandi sou substrats safi yo wo, li pa sanble diminye pèfòmans optoelektwonik LED ble-vèt ki baze sou GaN yo anpil, kidonk substrats safi yo toujou substrats souvan itilize pou LED ki baze sou GaN.
Avèk devlopman plis nouvo aplikasyon pou aparèy GaN tankou lazè oswa lòt aparèy pouvwa ki gen gwo dansite, domaj natirèl substrats safi yo vin tounen yon limitasyon pou aplikasyon yo. Anplis de sa, avèk devlopman teknoloji kwasans substrats SiC, rediksyon pri ak matirite teknoloji epitaksi GaN sou substrats Si, plis rechèch sou kwasans kouch epitaksi GaN sou substrats safi te piti piti montre yon tandans refwadisman.
Epitaksi GaN sou SiC
Konpare ak safi, substrats SiC yo (kristal 4H ak 6H) gen yon pi piti dezakò rezo ak kouch epitaksi GaN yo (3.1%, ekivalan a fim epitaksi oryante [0001]), yon konduktivite tèmik ki pi wo (anviwon 3.8W*cm-1*K-1), elatriye. Anplis de sa, konduktivite substrats SiC yo pèmèt tou kontak elektrik yo dwe fèt sou do substrats la, sa ki ede senplifye estrikti aparèy la. Egzistans avantaj sa yo atire de pli zan pli chèchè pou travay sou epitaksi GaN sou substrats carbure Silisyòm.
Sepandan, travay dirèkteman sou substrats SiC pou evite kwasans epilayers GaN yo fè fas ak yon seri dezavantaj tou, tankou sa ki annapre yo:
✔ Asperite sifas substrats SiC yo pi wo pase substrats safi yo (asperite safi 0.1nm RMS, asperite SiC 1nm RMS), substrats SiC yo gen yon dite ki wo epi yon pèfòmans pwosesis ki pòv, e asperite sa a ak domaj polisaj rezidyèl yo se youn nan sous domaj nan epilayers GaN yo tou.
✔ Dansite dislokasyon vis substrats SiC yo wo (dansite dislokasyon 103-104cm-2), dislokasyon vis yo ka gaye nan epilayer GaN lan epi diminye pèfòmans aparèy la;
✔ Aranjman atomik sou sifas substrat la pwovoke fòmasyon fay anpileman (BSF) nan epikouch GaN lan. Pou GaN epitaksiyal sou substrat SiC, gen plizyè lòd aranjman atomik posib sou substrat la, sa ki lakòz yon lòd anpileman atomik inisyal ki pa konsistan nan kouch GaN epitaksiyal ki sou li a, ki gen tandans pou fay anpileman. Fay anpileman (SF) yo entwodui chan elektrik entegre sou aks c a, sa ki mennen nan pwoblèm tankou flit aparèy separasyon transpòtè nan plan an;
✔ Koyefisyan ekspansyon tèmik substrat SiC a pi piti pase sa ki nan AlN ak GaN, sa ki lakòz akimilasyon estrès tèmik ant kouch epitaksyal la ak substrat la pandan pwosesis refwadisman an. Waltereit ak Brand te predi, dapre rezilta rechèch yo, ke pwoblèm sa a ka soulaje oswa rezoud lè yo fè kouch epitaksyal GaN grandi sou kouch nikleyasyon AlN mens ki anba yon tansyon koeran;
✔ Pwoblèm mouyabilite pòv atòm Ga yo. Lè w ap grandi kouch epitaksi GaN dirèkteman sou sifas SiC a, akòz mouyabilite pòv ant de atòm yo, GaN gen tandans pou l grandi an zile 3D sou sifas substra a. Entwodiksyon yon kouch tanpon se solisyon ki pi souvan itilize pou amelyore kalite materyèl epitaksi nan epitaksi GaN. Entwodiksyon yon kouch tanpon AlN oswa AlxGa1-xN ka efektivman amelyore mouyabilite sifas SiC a epi fè kouch epitaksi GaN a grandi nan de dimansyon. Anplis de sa, li kapab tou kontwole estrès epi anpeche domaj substra yo pwolonje nan epitaksi GaN;
✔ Teknoloji preparasyon substrats SiC yo poko devlope, pri substrats la wo, epi gen kèk founisè ak ti rezèv.
Rechèch Torres et al. la montre ke grave substrat SiC la ak H2 nan tanperati ki wo (1600°C) anvan epitaksi a ka pwodui yon estrikti etap pa etap ki pi òdone sou sifas substrat la, kidonk jwenn yon fim epitaksi AlN ki gen pi bon kalite pase lè li grandi dirèkteman sou sifas substrat orijinal la. Rechèch Xie ak ekip li a montre tou ke pretretman grave substrat Silisyòm kabid la ka amelyore anpil mòfoloji sifas ak kalite kristal kouch epitaksi GaN lan. Smith et al. te jwenn ke dislokasyon file ki soti nan koòdone substrat/kouch tanpon ak kouch tanpon/kouch epitaksi yo gen rapò ak platè substrat la [5].
Figi 4 Mòfoloji TEM echantiyon kouch epitaksyèl GaN ki grandi sou yon substrat 6H-SiC (0001) anba diferan kondisyon tretman sifas (a) netwayaj chimik; (b) netwayaj chimik + tretman plasma idwojèn; (c) netwayaj chimik + tretman plasma idwojèn + tretman chalè idwojèn 1300℃ pandan 30min
Epitaksi GaN sou Si
Konpare ak carbure Silisyòm, safi ak lòt substrats, pwosesis preparasyon substrat Silisyòm lan gen matirite, epi li ka bay substrats gwo gwosè ki gen matirite yon fason ki estab ak yon pèfòmans pri ki wo. An menm tan, konduktivite tèmik ak konduktivite elektrik yo bon, epi pwosesis aparèy elektwonik Si a gen matirite. Posibilite pou entegre aparèy GaN optoelektwonik ak aparèy elektwonik Si nan lavni an fè kwasans epitaksi GaN sou Silisyòm trè atiran tou.
Sepandan, akòz gwo diferans ki genyen nan konstan rezo ant substrat Si ak materyèl GaN, epitaksi etewojèn GaN sou substrat Si se yon epitaksi tipik ki gen yon gwo diferans, epi li bezwen tou fè fas ak yon seri pwoblèm:
✔ Pwoblèm enèji entèfas sifas. Lè GaN ap grandi sou yon substrat Si, sifas substrat Si a pral premye nitrid pou fòme yon kouch nitrid Silisyòm amorf ki pa fezab pou nikleyasyon ak kwasans GaN ki gen gwo dansite. Anplis de sa, sifas Si a pral premye kontakte Ga, ki pral korode sifas substrat Si a. Nan tanperati ki wo, dekonpozisyon sifas Si a pral difize nan kouch epitaks GaN a pou fòme tach Silisyòm nwa.
✔ Dezekilib konstan rezo ant GaN ak Si a gwo (~17%), sa ki pral mennen nan fòmasyon dislokasyon fil ki gen gwo dansite epi redwi anpil kalite kouch epitaksyal la;
✔ Konpare ak Si, GaN gen yon koyefisyan ekspansyon tèmik ki pi gwo (koyefisyan ekspansyon tèmik GaN a se anviwon 5.6×10-6K-1, koyefisyan ekspansyon tèmik Si a se anviwon 2.6×10-6K-1), epi fant ka pwodui nan kouch epitaksyal GaN a pandan refwadisman tanperati epitaksyal la rive nan tanperati chanm;
✔ Si reyaji avèk NH3 nan tanperati ki wo pou fòme SiNx polikristalin. AlN pa ka fòme yon nwayo oryante preferansyèlman sou SiNx polikristalin, sa ki mennen nan yon oryantasyon dezòdone nan kouch GaN ki grandi apre a ak yon gwo kantite domaj, sa ki lakòz yon move kalite kristal nan kouch epitaksyal GaN lan, e menm difikilte pou fòme yon kouch epitaksyal GaN monokristalin [6].
Pou rezoud pwoblèm gwo move matche rezo a, chèchè yo te eseye prezante materyèl tankou AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, ak SiC kòm kouch tanpon sou substrats Si. Pou evite fòmasyon SiNx polikristalin epi redwi efè negatif li yo sou kalite kristal materyèl GaN/AlN/Si (111), anjeneral yo bezwen prezante TMAl pou yon sèten peryòd tan anvan kwasans epitaksi kouch tanpon AlN lan pou anpeche NH3 reyaji ak sifas Si ki ekspoze a pou fòme SiNx. Anplis de sa, teknoloji epitaksi tankou teknoloji substrats modele ka itilize pou amelyore kalite kouch epitaksi a. Devlopman teknoloji sa yo ede anpeche fòmasyon SiNx nan koòdone epitaksi a, ankouraje kwasans bidimansyonèl kouch epitaksi GaN lan, epi amelyore kalite kwasans kouch epitaksi a. Anplis de sa, yo prezante yon kouch tanpon AlN pou konpanse pou estrès tansyon ki koze pa diferans nan koyefisyan ekspansyon tèmik pou evite fant nan kouch epitaksi GaN lan sou substrats Silisyòm lan. Rechèch Krost la montre ke gen yon korelasyon pozitif ant epesè kouch tanpon AlN lan ak rediksyon nan deformation. Lè epesè kouch tanpon an rive nan 12nm, yon kouch epitaksi ki pi epè pase 6μm ka grandi sou yon substra silikon atravè yon plan kwasans apwopriye san fann kouch epitaksi a.
Apre efò alontèm chèchè yo, kalite kouch epitaksi GaN ki grandi sou substrats Silisyòm yo te amelyore anpil, epi aparèy tankou tranzistò efè chan mayetik, detektè iltravyolèt baryè Schottky, LED ble-vèt ak lazè iltravyolèt te fè pwogrè siyifikatif.
An rezime, piske substrats epitaksi GaN ki souvan itilize yo tout se epitaksi etewojèn, yo tout fè fas ak pwoblèm komen tankou move matche rezo ak gwo diferans nan koyefisyan ekspansyon tèmik nan divès degre. Substrats epitaksi GaN omojèn yo limite pa matirite teknoloji a, epi substrats yo poko pwodui an mas. Pri pwodiksyon an wo, gwosè substrats la piti, epi bon jan kalite substrats la pa ideyal. Devlopman nouvo substrats epitaksi GaN ak amelyorasyon kalite epitaksi a toujou youn nan faktè enpòtan ki limite devlopman endistri epitaksi GaN lan.
IV. Metòd komen pou epitaksi GaN
MOCVD (depozisyon chimik vapè)
Li sanble ke epitaksi omojèn sou substrats GaN se pi bon chwa pou epitaksi GaN. Sepandan, piske prekisè depo vapè chimik yo se trimetilgalyòm ak amonyak, epi gaz transpòtè a se idwojèn, tanperati kwasans MOCVD tipik la se anviwon 1000-1100 ℃, epi to kwasans MOCVD a se anviwon kèk mikron pa èdtan. Li ka pwodui interfaces apik nan nivo atomik, ki trè apwopriye pou kwasans eterojonksyon, pi kwantik, superrezo ak lòt estrikti. To kwasans rapid li, bon inifòmite li, ak adaptabilite li pou kwasans gwo zòn ak plizyè moso yo souvan itilize nan pwodiksyon endistriyèl.
MBE (epitaji gwo bout molekilè)
Nan epitaksi gwo bout molekilè, Ga itilize yon sous elemantè, epi yo jwenn azòt aktif nan azòt atravè plasma RF. Konpare ak metòd MOCVD a, tanperati kwasans MBE a anviwon 350-400 ℃ pi ba. Tanperati kwasans ki pi ba a ka evite sèten polisyon ki ka koze pa anviwònman tanperati ki wo. Sistèm MBE a opere anba yon vakyòm ultra-wo, ki pèmèt li entegre plis metòd deteksyon in-situ. An menm tan, to kwasans li ak kapasite pwodiksyon li pa ka konpare ak MOCVD, epi li pi itilize nan rechèch syantifik [7].
Figi 5 (a) Schema Eiko-MBE (b) Schema chanm reyaksyon prensipal MBE
Metòd HVPE (eptaksi faz vapè idrid)
Prekisè metòd epitaksi faz vapè idrid la se GaCl3 ak NH3. Detchprohm et al. te itilize metòd sa a pou fè yon kouch epitaksi GaN ki gen plizyè santèn mikron epesè grandi sou sifas yon substrat safi. Nan eksperyans yo a, yo te fè yon kouch ZnO grandi ant substrat safi a ak kouch epitaksi a kòm yon kouch tanpon, epi yo te retire kouch epitaksi a sou sifas substrat la. Konpare ak MOCVD ak MBE, prensipal karakteristik metòd HVPE a se gwo vitès kwasans li, ki apwopriye pou pwodiksyon kouch epè ak materyèl an gwo. Sepandan, lè epesè kouch epitaksi a depase 20μm, kouch epitaksi ki pwodui pa metòd sa a gen tandans pou fann.
Akira USUI te prezante teknoloji substrati modele ki baze sou metòd sa a. Premyèman, yo te fè yon kouch epitaksyèl GaN mens ki gen yon epesè 1-1.5μm sou yon substrati safi lè l sèvi avèk metòd MOCVD a. Kouch epitaksyèl la te konpoze de yon kouch tanpon GaN 20nm epesè ki te grandi nan kondisyon tanperati ki ba ak yon kouch GaN ki te grandi nan kondisyon tanperati ki wo. Apre sa, a 430℃, yo te plake yon kouch SiO2 sou sifas kouch epitaksyèl la, epi yo te fè bann fenèt sou fim SiO2 a pa fotolitografi. Espasman bann yo te 7μm epi lajè mask la te varye ant 1μm ak 4μm. Apre amelyorasyon sa a, yo te jwenn yon kouch epitaksyèl GaN sou yon substrati safi ki gen yon dyamèt 2 pous ki pa t gen fant epi ki te lis tankou yon glas menm lè epesè a te ogmante a plizyè dizèn oswa menm plizyè santèn mikron. Dansite domaj la te redwi soti nan 109-1010cm-2 nan metòd HVPE tradisyonèl la pou rive nan apeprè 6×107cm-2. Yo te montre tou nan eksperyans lan ke lè to kwasans lan depase 75μm/h, sifas echantiyon an vin graj [8].
Figi 6 Schema Grafik Substrat la
V. Rezime ak Pèspektiv
Materyèl GaN yo te kòmanse parèt an 2014 lè LED limyè ble a te genyen Pri Nobèl nan fizik nan menm ane a, epi li te antre nan domèn piblik la nan aplikasyon chaj rapid nan domèn elektwonik konsomatè a. Anfèt, aplikasyon nan anplifikatè pouvwa ak aparèy RF yo itilize nan estasyon baz 5G ke pifò moun pa ka wè yo te parèt tou an silans. Nan dènye ane yo, yo espere ke avansman aparèy pouvwa klas otomobil ki baze sou GaN pral louvri nouvo pwen kwasans pou mache aplikasyon materyèl GaN lan.
Gwo demann mache a pral siman ankouraje devlopman endistri ak teknoloji ki gen rapò ak GaN. Avèk matirite ak amelyorasyon chèn endistriyèl ki gen rapò ak GaN a, pwoblèm teknoloji epitaksyal GaN aktyèl la ap fè fas a ap evantyèlman amelyore oswa simonte. Nan lavni, moun yo pral siman devlope plis nouvo teknoloji epitaksyal ak plis opsyon substrat ekselan. Lè sa a, moun yo pral kapab chwazi teknoloji rechèch ekstèn ki pi apwopriye a ak substrat pou diferan senaryo aplikasyon yo selon karakteristik senaryo aplikasyon yo, epi pwodui pwodwi Customized ki pi konpetitif yo.
Lè piblikasyon an: 28 jen 2024