1. Harmadik generációs félvezetők
Az első generációs félvezető technológiát olyan félvezető anyagokra alapozták, mint a Si és a Ge. Ez az anyagi alapja a tranzisztorok és az integrált áramköri technológia fejlesztésének. Az első generációs félvezető anyagok lerakták az elektronikai ipar alapjait a 20. században, és az integrált áramköri technológia alapvető anyagai.
A második generációs félvezető anyagok főként gallium-arzenidet, indium-foszfidot, gallium-foszfidot, indium-arzenidet, alumínium-arzenidet és ezek háromkomponensű vegyületeit foglalják magukban. A második generációs félvezető anyagok az optoelektronikai információs ipar alapját képezik. Ezen az alapon fejlesztették ki a kapcsolódó iparágakat, mint például a világítástechnika, a kijelzők, a lézerek és a fotovoltaikus elemek. Széles körben használják őket a modern információtechnológiai és optoelektronikai kijelzőiparban.
A harmadik generációs félvezető anyagok reprezentatív anyagai közé tartozik a gallium-nitrid és a szilícium-karbid. Széles sávú résüknek, nagy elektrontelítési sodródási sebességüknek, magas hővezető képességüknek és nagy átütési térerősségüknek köszönhetően ideális anyagok nagy teljesítménysűrűségű, nagyfrekvenciás és kis veszteségű elektronikus eszközök előállításához. Közülük a szilícium-karbid teljesítményeszközök a nagy energiasűrűség, az alacsony energiafogyasztás és a kis méret előnyeivel rendelkeznek, és széles körű alkalmazási lehetőségekkel rendelkeznek az új energiahordozókban, a fotovoltaikus elemekben, a vasúti közlekedésben, a big data-ban és más területeken. A gallium-nitrid RF eszközök a nagy frekvencia, a nagy teljesítmény, a széles sávszélesség, az alacsony energiafogyasztás és a kis méret előnyeivel rendelkeznek, és széles körű alkalmazási lehetőségekkel rendelkeznek az 5G kommunikációban, a dolgok internetében, a katonai radarokban és más területeken. Ezenkívül a gallium-nitrid alapú teljesítményeszközöket széles körben használják az alacsony feszültségű területen. Az elmúlt években a feltörekvő gallium-oxid anyagok várhatóan műszaki kiegészítői lesznek a meglévő SiC és GaN technológiáknak, és potenciális alkalmazási lehetőségekkel rendelkeznek az alacsony frekvencia és a nagyfeszültségű területeken.
A második generációs félvezető anyagokhoz képest a harmadik generációs félvezető anyagok szélesebb tiltott sávszélességgel rendelkeznek (a Si, az első generációs félvezető anyagok tipikus anyagának tiltott sávszélessége körülbelül 1,1 eV, a GaAs, a második generációs félvezető anyagok tipikus anyagának tiltott sávszélessége körülbelül 1,42 eV, és a GaN, a harmadik generációs félvezető anyagok tipikus anyagának tiltott sávszélessége meghaladja a 2,3 eV-ot), erősebb sugárzásállósággal, erősebb ellenállással az elektromos tér letörésével szemben, és nagyobb hőmérséklet-állósággal rendelkeznek. A szélesebb tiltott sávszélességű harmadik generációs félvezető anyagok különösen alkalmasak sugárzásálló, nagyfrekvenciás, nagy teljesítményű és nagy integrációs sűrűségű elektronikus eszközök gyártására. Alkalmazásaik mikrohullámú rádiófrekvenciás eszközökben, LED-ekben, lézerekben, teljesítményeszközökben és más területeken nagy figyelmet kaptak, és széleskörű fejlesztési kilátásokat mutatnak a mobilkommunikációban, az intelligens hálózatokban, a vasúti közlekedésben, az új energiahordozókkal működő járművekben, a szórakoztató elektronikában, valamint az ultraibolya és kék-zöld fényeszközökben [1].
Kép forrása: CASA, Zheshang Értékpapír-kutató Intézet
1. ábra GaN tápegység időskálája és előrejelzése
II GaN anyagszerkezet és jellemzők
A GaN egy direkt tiltott sávú félvezető. A wurtzit szerkezet tiltott sávjának szélessége szobahőmérsékleten körülbelül 3,26 eV. A GaN anyagoknak három fő kristályszerkezete van, nevezetesen a wurtzit szerkezet, a szfalerit szerkezet és a kősó szerkezet. Ezek közül a wurtzit szerkezet a legstabilabb kristályszerkezet. A 2. ábra a GaN hexagonális wurtzit szerkezetét mutatja be. A GaN anyag wurtzit szerkezete egy hexagonális, szorosan illeszkedő szerkezethez tartozik. Minden egységcella 12 atomból áll, beleértve 6 nitrogénatomot és 6 Ga-atomot. Minden Ga(N) atom kötést képez a 4 legközelebbi N(Ga) atommal, és ABABAB… sorrendben helyezkedik el a [0001] irányban [2].
2. ábra A wurtzit szerkezete GaN kristálycella-diagram
III. GaN epitaxiához gyakran használt szubsztrátok
Úgy tűnik, hogy a GaN hordozókon végzett homogén epitaxia a legjobb választás a GaN epitaxiához. A GaN nagy kötési energiája miatt azonban, amikor a hőmérséklet eléri a 2500 ℃ olvadáspontot, a megfelelő bomlási nyomás körülbelül 4,5 GPa. Amikor a bomlási nyomás alacsonyabb, mint ez a nyomás, a GaN nem olvad meg, hanem közvetlenül bomlik. Ez a kiforrott hordozó-előállítási technológiákat, mint például a Czochralski-módszer, alkalmatlanná teszi a GaN egykristályos hordozók előállítására, ami megnehezíti a GaN hordozók tömeggyártását és költségessé teszi őket. Ezért a GaN epitaxiális növekedéséhez általában használt hordozók főként Si, SiC, zafír stb. [3].
3. ábra GaN és a gyakran használt szubsztrátanyagok paraméterei
GaN epitaxia zafíron
A zafír stabil kémiai tulajdonságokkal rendelkezik, olcsó, és nagymértékű gyártásra alkalmas. Ezért a félvezető eszközök gyártásában az egyik legkorábbi és legszélesebb körben használt szubsztrát anyaggá vált. A GaN epitaxia egyik leggyakrabban használt szubsztrátjaként a zafír szubsztrátok esetében a főbb megoldandó problémák a következők:
✔ A zafír (Al2O3) és a GaN közötti nagy rácseltérés (kb. 15%) miatt az epitaxiális réteg és a hordozó közötti határfelületen a hibasűrűség nagyon magas. A káros hatások csökkentése érdekében a hordozót komplex előkezelésnek kell alávetni az epitaxiális folyamat megkezdése előtt. A GaN epitaxiális növesztése előtt zafír hordozón a hordozó felületét először alaposan meg kell tisztítani a szennyeződések, a polírozási maradványok stb. eltávolítása, valamint a lépcsők és lépcsőfelületi struktúrák létrehozása érdekében. Ezután a hordozó felületét nitridálni kell, hogy megváltoztassák az epitaxiális réteg nedvesítési tulajdonságait. Végül egy vékony AlN pufferréteget (általában 10-100 nm vastag) kell a hordozó felületére lerakni, és alacsony hőmérsékleten hőkezelni a végső epitaxiális növekedés előkészítése érdekében. Ennek ellenére a zafír hordozóra növesztett GaN epitaxiális filmekben a diszlokációs sűrűség még mindig magasabb, mint a homoepitaxiális filmekben (körülbelül 1010 cm⁻², szemben a szilícium homoepitaxiális filmekben vagy a gallium-arzenid homoepitaxiális filmekben található lényegében nulla diszlokációs sűrűséggel, vagyis 102 és 104 cm⁻² között). A nagyobb hibasűrűség csökkenti a töltéshordozók mobilitását, ezáltal lerövidíti a kisebbségi töltéshordozók élettartamát és csökkenti a hővezető képességet, ami mind csökkenti az eszköz teljesítményét [4];
✔ A zafír hőtágulási együtthatója nagyobb, mint a GaN-é, ezért a leválasztási hőmérsékletről szobahőmérsékletre történő hűtés során biaxiális nyomófeszültség keletkezik az epitaxiális rétegben. Vastagabb epitaxiális filmek esetén ez a feszültség a film vagy akár az aljzat repedését is okozhatja;
✔ Más hordozókhoz képest a zafír hordozók hővezető képessége alacsonyabb (kb. 0,25 W*cm-1*K-1 100 ℃-on), és a hőelvezetési teljesítmény gyenge;
✔ Gyenge vezetőképességük miatt a zafír hordozók nem alkalmasak más félvezető eszközökkel való integrációjukra és alkalmazásukra.
Bár a zafír hordozókra növesztett GaN epitaxiális rétegek hibasűrűsége magas, úgy tűnik, hogy ez nem csökkenti jelentősen a GaN alapú kékeszöld LED-ek optoelektronikai teljesítményét, így a zafír hordozók továbbra is gyakran használt hordozók a GaN alapú LED-ekhez.
A GaN-eszközök újabb alkalmazásainak, például lézereknek vagy más nagy sűrűségű teljesítményeszközöknek a fejlődésével a zafír hordozók inherens hibái egyre inkább korlátozó tényezővé váltak alkalmazásukban. Ezenkívül a SiC-hordozó növekedési technológiájának fejlődésével, a költségek csökkenésével és a GaN epitaxiális technológia Si-hordozókon való kiforrottságával a zafír hordozókon történő GaN epitaxiális rétegek növesztésével kapcsolatos további kutatások fokozatosan hűlési tendenciát mutattak.
GaN epitaxia SiC-on
A zafírhoz képest a SiC szubsztrátok (4H és 6H kristályok) kisebb rácseltérést mutatnak a GaN epitaxiális rétegekkel szemben (3,1%, ami a [0001] orientációjú epitaxiális filmeknek felel meg), magasabb hővezető képességgel (kb. 3,8 W*cm-1*K-1) stb. Ezenkívül a SiC szubsztrátok vezetőképessége lehetővé teszi elektromos érintkezők létrehozását a szubsztrátum hátoldalán, ami segít az eszköz szerkezetének egyszerűsítésében. Ezen előnyök megléte egyre több kutatót vonzott a szilícium-karbid szubsztrátok GaN epitaxiális eljárásának kutatására.
A SiC hordozókon történő közvetlen munka a GaN epirétegek növekedésének elkerülése érdekében azonban számos hátránnyal is szembesül, többek között a következőkkel:
✔ A SiC szubsztrátok felületi érdessége sokkal nagyobb, mint a zafír szubsztrátoké (zafír érdesség 0,1 nm RMS, SiC érdesség 1 nm RMS), a SiC szubsztrátok nagy keménységgel és gyenge feldolgozási teljesítménnyel rendelkeznek, és ez az érdesség és a maradék polírozási kár a GaN epirétegek hibáinak egyik forrása is.
✔ A SiC szubsztrátok csavardiszlokáció-sűrűsége magas (diszlokáció-sűrűség 103-104cm⁻²), a csavardiszlokációk átterjedhetnek a GaN epirétegre és csökkenthetik az eszköz teljesítményét;
✔ Az aljzat felületén lévő atomok elrendeződése rétegződési hibák (BSF) kialakulását idézi elő a GaN epirétegben. SiC aljzatokon lévő epitaxiális GaN esetén több lehetséges atomelrendeződési sorrend létezik az aljzaton, ami az epitaxiális GaN réteg kezdeti atomelrendeződésének inkonzisztens sorrendjét eredményezi, ami hajlamos a rétegződési hibákra. A rétegződési hibák (SF) beépített elektromos mezőket hoznak létre a c-tengely mentén, ami olyan problémákhoz vezet, mint a síkbeli töltéshordozó-leválasztó eszközök szivárgása;
✔ A SiC hordozó hőtágulási együtthatója kisebb, mint az AlN-é és a GaN-é, ami hőfeszültség-felhalmozódást okoz az epitaxiális réteg és a hordozó között a hűtési folyamat során. Waltereit és Brand kutatási eredményeik alapján azt jósolták, hogy ez a probléma enyhíthető vagy megoldható GaN epitaxiális rétegek vékony, koherensen feszített AlN nukleációs rétegekre növesztésével;
✔ A Ga-atomok rossz nedvesíthetőségének problémája. Amikor GaN epitaxiális rétegeket közvetlenül a SiC felületre növesztünk, a két atom közötti rossz nedvesíthetőség miatt a GaN hajlamos a 3D-s szigetnövekedésre az aljzat felületén. A pufferréteg bevezetése a leggyakrabban használt megoldás az epitaxiális anyagok minőségének javítására a GaN epitaxiában. Egy AlN vagy AlxGa1-xN pufferréteg bevezetése hatékonyan javíthatja a SiC felület nedvesíthetőségét, és lehetővé teszi a GaN epitaxiális réteg kétdimenziós növekedését. Ezenkívül szabályozhatja a feszültséget és megakadályozhatja az aljzathibák kiterjedését a GaN epitaxiára;
✔ A SiC-hordozók előállítási technológiája kiforratlan, a hordozó költsége magas, a beszállítók száma kevés, a kínálat pedig csekély.
Torres és munkatársai kutatása kimutatta, hogy a SiC szubsztrát H2-vel történő marása magas hőmérsékleten (1600°C) az epitaxiális eljárás előtt rendezettebb lépcsős szerkezetet hozhat létre a szubsztrát felületén, ezáltal jobb minőségű AlN epitaxiális filmet kapunk, mint ha azt közvetlenül az eredeti szubsztrát felületére növesztenénk. Xie és csapata kutatása azt is kimutatta, hogy a szilícium-karbid szubsztrát maratási előkezelése jelentősen javíthatja a GaN epitaxiális réteg felületi morfológiáját és kristályminőségét. Smith és munkatársai azt találták, hogy a szubsztrát/puffer réteg és a puffer réteg/epitaxiális réteg határfelületeiről származó menetes diszlokációk összefüggésben állnak a szubsztrát sík felületével [5].
4. ábra A 6H-SiC hordozón (0001) növesztett GaN epitaxiális réteg minták TEM morfológiája különböző felületkezelési körülmények között (a) kémiai tisztítás; (b) kémiai tisztítás + hidrogénplazma kezelés; (c) kémiai tisztítás + hidrogénplazma kezelés + 1300℃-os hidrogén hőkezelés 30 percig
GaN epitaxia Si-n
A szilícium-karbiddal, zafírral és más szubsztrátokkal összehasonlítva a szilícium-szubsztrát előállítási folyamata kiforrott, és stabilan képes előállítani érett, nagyméretű szubsztrátokat magas költséghatékonysággal. Ugyanakkor a hővezető képesség és az elektromos vezetőképesség jó, és a Si elektronikus eszköz gyártási folyamata kiforrott. Az optoelektronikai GaN eszközök és a Si elektronikus eszközök tökéletes integrálásának lehetősége a jövőben szintén nagyon vonzóvá teszi a GaN epitaxia szilíciumon történő növekedését.
Azonban a Si szubsztrát és a GaN anyag közötti rácsállandók nagy különbsége miatt a GaN Si szubsztráton történő heterogén epitaxiája tipikus nagyfokú eltérésű epitaxia, és számos problémával is szembe kell néznie:
✔ Felületi határfelületi energia probléma. Amikor a GaN Si-hordozón növekszik, a Si-hordozó felülete először nitridálódik, így egy amorf szilícium-nitrid réteget képez, amely nem kedvez a nagy sűrűségű GaN nukleációjának és növekedésének. Ezenkívül a Si-felület először Ga-val érintkezik, ami korrodálja a Si-hordozó felületét. Magas hőmérsékleten a Si-felület bomlása diffundál a GaN epitaxiális rétegébe, fekete szilíciumfoltokat képezve.
✔ A GaN és a Si közötti rácsállandó eltérés nagy (~17%), ami nagy sűrűségű meneti diszlokációk kialakulásához vezet, és jelentősen csökkenti az epitaxiális réteg minőségét;
✔ A Si-hez képest a GaN nagyobb hőtágulási együtthatóval rendelkezik (a GaN hőtágulási együtthatója körülbelül 5,6×10⁻⁶K⁻¹, a Si hőtágulási együtthatója körülbelül 2,6×10⁻⁶K⁻¹), és a GaN epitaxiális rétegében repedések keletkezhetnek az epitaxiális hőmérséklet szobahőmérsékletre történő lehűlése során;
✔ A Si magas hőmérsékleten reagál az NH3-mal, polikristályos SiNx-et képezve. Az AlN nem tud preferenciálisan orientált magot kialakítani a polikristályos SiNx-en, ami a később növesztett GaN réteg rendezetlen orientációjához és nagyszámú hibához vezet, ami a GaN epitaxiális réteg gyenge kristályminőségét, sőt az egykristályos GaN epitaxiális réteg kialakításának nehézségeit eredményezi [6].
A nagy rács-eltérés problémájának megoldása érdekében a kutatók megpróbáltak olyan anyagokat bevezetni pufferrétegként Si hordozókon, mint az AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO és SiC. A polikristályos SiNx képződésének elkerülése és a GaN/AlN/Si (111) anyagok kristályminőségére gyakorolt káros hatásainak csökkentése érdekében a TMAl-t általában egy bizonyos ideig be kell vezetni az AlN pufferréteg epitaxiális növekedése előtt, hogy megakadályozzák az NH3 reakcióját a szabaddá vált Si felülettel SiNx képződése közben. Ezenkívül epitaxiális technológiák, például mintázott hordozó technológia is alkalmazhatók az epitaxiális réteg minőségének javítására. Ezen technológiák fejlesztése segít gátolni a SiNx képződését az epitaxiális határfelületen, elősegíti a GaN epitaxiális réteg kétdimenziós növekedését és javítja az epitaxiális réteg növekedési minőségét. Ezenkívül egy AlN pufferréteget vezetnek be a hőtágulási együtthatók különbsége által okozott szakítófeszültség kompenzálására, hogy elkerüljék a GaN epitaxiális réteg repedéseit a szilícium hordozón. Krost kutatása azt mutatja, hogy pozitív korreláció van az AlN pufferréteg vastagsága és a feszültségcsökkenés között. Amikor a pufferréteg vastagsága eléri a 12 nm-t, egy megfelelő növekedési sémával egy 6 μm-nél vastagabb epitaxiális réteg növesztetthető szilícium hordozóra epitaxiális réteg repedése nélkül.
A kutatók hosszú távú erőfeszítéseinek eredményeként jelentősen javult a szilíciumhordozókra növesztett GaN epitaxiális rétegek minősége, és jelentős előrelépést értek el olyan eszközök, mint a térvezérlésű tranzisztorok, a Schottky-gátas ultraibolya detektorok, a kék-zöld LED-ek és az ultraibolya lézerek.
Összefoglalva, mivel az általánosan használt GaN epitaxiális szubsztrátok mind heterogén epitaxiálisak, mindegyikük olyan közös problémákkal szembesül, mint a rács-eltérés és a hőtágulási együtthatók nagy eltérései, amelyek különböző mértékben jelentkeznek. A homogén epitaxiális GaN szubsztrátok gyártását a technológia érettsége korlátozza, és a szubsztrátok tömeggyártása még nem történt meg. A gyártási költségek magasak, a szubsztrátum mérete kicsi, és a szubsztrátum minősége nem ideális. Az új GaN epitaxiális szubsztrátok fejlesztése és az epitaxiális minőség javítása továbbra is az egyik fontos tényező, amely korlátozza a GaN epitaxiális ipar további fejlődését.
IV. A GaN epitaxia általános módszerei
MOCVD (kémiai gőzfázisú leválasztás)
Úgy tűnik, hogy a GaN hordozókon végzett homogén epitaxia a legjobb választás a GaN epitaxiához. Mivel azonban a kémiai gőzfázisú leválasztás prekurzorai a trimetil-gallium és az ammónia, a vivőgáz pedig a hidrogén, a tipikus MOCVD növekedési hőmérséklet körülbelül 1000-1100 ℃, és az MOCVD növekedési sebessége körülbelül néhány mikron óránként. Meredek határfelületeket hozhat létre atomi szinten, ami nagyon alkalmas heteroátmenetek, kvantumkutak, szuperrácsok és más struktúrák növesztésére. Gyors növekedési sebessége, jó egyenletessége és nagy felületű, több darabból álló növesztésre való alkalmassága gyakran használatos az ipari termelésben.
MBE (molekuláris nyaláb epitaxia)
A molekulasugaras epitaxiában a Ga elemi forrást használ, és az aktív nitrogént nitrogénből nyerik RF plazmán keresztül. Az MOCVD módszerhez képest az MBE növekedési hőmérséklete körülbelül 350-400 ℃-kal alacsonyabb. Az alacsonyabb növekedési hőmérséklet elkerülhetővé teszi a magas hőmérsékletű környezet által okozott bizonyos szennyeződéseket. Az MBE rendszer ultramagas vákuum alatt működik, ami lehetővé teszi több in situ detektálási módszer integrálását. Ugyanakkor növekedési sebessége és termelési kapacitása nem hasonlítható az MOCVD-hez, és inkább a tudományos kutatásban használják [7].
5. ábra (a) Eiko-MBE vázlat (b) MBE fő reakciókamra vázlata
HVPE módszer (hidrid gőzfázisú epitaxia)
A hidrid gőzfázisú epitaxiális módszer prekurzorai a GaCl3 és az NH3. Detchprohm és munkatársai ezt a módszert alkalmazták egy több száz mikron vastag GaN epitaxiális réteg növesztésére egy zafír hordozó felületén. Kísérletükben egy ZnO réteget növesztettek a zafír hordozó és az epitaxiális réteg közé pufferrétegként, majd az epitaxiális réteget leválasztották a hordozó felületéről. Az MOCVD-vel és az MBE-vel összehasonlítva a HVPE módszer fő jellemzője a magas növekedési sebesség, amely alkalmas vastag rétegek és ömlesztett anyagok előállítására. Amikor azonban az epitaxiális réteg vastagsága meghaladja a 20 μm-t, az ezzel a módszerrel előállított epitaxiális réteg repedésekre hajlamos.
Az Akira USUI bemutatta az ezen a módszeren alapuló mintázott hordozó technológiát. Először egy vékony, 1-1,5 μm vastag GaN epitaxiális réteget növesztettek egy zafír hordozóra MOCVD módszerrel. Az epitaxiális réteg egy 20 nm vastag, alacsony hőmérsékleten növesztett GaN pufferrétegből és egy magas hőmérsékleten növesztett GaN rétegből állt. Ezután 430℃-on egy SiO2 réteget vittek fel az epitaxiális réteg felületére, és fotolitográfiával ablakcsíkokat készítettek a SiO2 filmre. A csíkok közötti távolság 7 μm volt, a maszk szélessége pedig 1 μm és 4 μm között mozgott. Ezzel a fejlesztéssel egy 2 hüvelyk átmérőjű zafír hordozón egy GaN epitaxiális réteget kaptak, amely repedésmentes és tükörsima volt még akkor is, ha a vastagság tíz vagy akár száz mikronra nőtt. A hibasűrűséget a hagyományos HVPE módszer 109-1010 cm⁻² értékéről körülbelül 6×107 cm⁻²-re csökkentették. A kísérletben azt is kiemelték, hogy amikor a növekedési sebesség meghaladja a 75 μm/h-t, a minta felülete érdessé válik [8].
6. ábra Grafikus hordozóvázlat
V. Összefoglalás és kitekintés
A GaN anyagok 2014-ben kezdtek megjelenni, amikor a kék fényű LED abban az évben elnyerte a fizikai Nobel-díjat, és bekerült a fogyasztói elektronika gyorstöltési alkalmazásainak szélesebb közönség elé. Valójában az 5G bázisállomásokban használt teljesítményerősítőkben és RF eszközökben is megjelentek olyan alkalmazások, amelyeket a legtöbb ember nem lát. Az elmúlt években a GaN alapú, autóipari minőségű teljesítményeszközök áttörése várhatóan új növekedési pontokat nyit meg a GaN anyagalkalmazási piac számára.
A hatalmas piaci kereslet minden bizonnyal elősegíti a GaN-hoz kapcsolódó iparágak és technológiák fejlődését. A GaN-hoz kapcsolódó ipari lánc érettségével és fejlesztésével a jelenlegi GaN epitaxiális technológia által tapasztalt problémák végül javulni vagy leküzdeni fognak. A jövőben az emberek minden bizonnyal több új epitaxiális technológiát és kiválóbb szubsztrát-opciót fognak kifejleszteni. Addigra az emberek képesek lesznek kiválasztani a legmegfelelőbb külső kutatási technológiát és szubsztrátot a különböző alkalmazási forgatókönyvekhez az alkalmazási forgatókönyvek jellemzői szerint, és a legversenyképesebb, testreszabott termékeket előállítani.
Közzététel ideje: 2024. június 28.