1. Þriðju kynslóðar hálfleiðarar
Fyrsta kynslóð hálfleiðaratækni var þróuð út frá hálfleiðaraefnum eins og Si og Ge. Hún er grunnurinn að þróun smára og samþættra hringrásartækni. Fyrsta kynslóð hálfleiðaraefnanna lagði grunninn að rafeindaiðnaðinum á 20. öld og eru undirstöðuefni fyrir samþætta hringrásartækni.
Önnur kynslóð hálfleiðaraefna inniheldur aðallega gallíumarseníð, indíumfosfíð, gallíumfosfíð, indíumarseníð, álarseníð og þríþætt efnasambönd þeirra. Önnur kynslóð hálfleiðaraefna er grunnurinn að ljósfræðilegri upplýsingaiðnaði. Á þessum grunni hafa verið þróaðar skyldar atvinnugreinar eins og lýsing, skjáir, leysigeislar og ljósavirkni. Þær eru mikið notaðar í nútíma upplýsingatækni og ljósfræðilegum skjáiðnaði.
Dæmigert efni fyrir þriðju kynslóð hálfleiðaraefna eru gallíumnítríð og kísillkarbíð. Vegna breitt bandbils, mikils mettunarhraða rafeinda, mikillar varmaleiðni og mikils niðurbrotssviðsstyrks eru þau kjörin efni til að búa til rafeindabúnað með mikla aflþéttleika, háa tíðni og lágt tap. Meðal þeirra hafa kísillkarbíð aflgjafar kosti mikils orkuþéttleika, lágrar orkunotkunar og lítillar stærðar og hafa víðtæka notkunarmöguleika í nýjum orkutækjum, sólarorku, járnbrautarflutningum, stórum gögnum og öðrum sviðum. Gallíumnítríð RF tæki hafa kosti háa tíðni, mikils afls, breitt bandbreiddar, lágrar orkunotkunar og lítillar stærðar og hafa víðtæka notkunarmöguleika í 5G samskiptum, internetinu hlutanna, hernaðarratsjá og öðrum sviðum. Að auki hafa aflgjafar byggð á gallíumnítríði verið mikið notaðir á lágspennusviðinu. Að auki er gert ráð fyrir að ný gallíumoxíð efni á undanförnum árum muni mynda tæknilega viðbót við núverandi SiC og GaN tækni og hafa mögulega notkunarmöguleika á lágtíðni og háspennusviðum.
Í samanburði við hálfleiðaraefni annarrar kynslóðar hafa hálfleiðaraefni þriðju kynslóðar breiðara bandbilsbreidd (bandbilsbreidd Si, dæmigert efni í fyrstu kynslóð hálfleiðaraefni, er um 1,1 eV, bandbilsbreidd GaAs, dæmigert efni í annarri kynslóð hálfleiðaraefni, er um 1,42 eV, og bandbilsbreidd GaN, dæmigert efni í þriðju kynslóð hálfleiðaraefni, er yfir 2,3 eV), sterkari geislunarþol, sterkari mótstöðu gegn rafmagnsbilun og hærri hitaþol. Þriðju kynslóð hálfleiðaraefni með breiðara bandbilsbreidd eru sérstaklega hentug til framleiðslu á geislunarþolnum, hátíðni, aflmiklum og þéttum rafeindabúnaði. Notkun þeirra í örbylgjuútvarpsbylgjubúnaði, LED ljósum, leysigeislum, aflgjafa og öðrum sviðum hefur vakið mikla athygli og þau hafa sýnt víðtæka þróunarmöguleika í farsímasamskiptum, snjallnetum, járnbrautarsamgöngum, nýjum orkutækjum, neytendaraftækjum og útfjólubláum og blágrænum ljósbúnaði [1].
Myndheimild: CASA, Zheshang verðbréfarannsóknarstofnunin
Mynd 1 Tímakvarði og spá fyrir GaN aflgjafa
II Uppbygging og einkenni GaN efnis
GaN er hálfleiðari með bein bandbil. Bandbilsbreidd wurtzítbyggingarinnar við stofuhita er um 3,26 eV. GaN efni hafa þrjár meginkristallbyggingar, þ.e. wurtzítbyggingu, sfalerítbyggingu og bergsaltbyggingu. Meðal þeirra er wurtzítbyggingin stöðugasta kristalbyggingin. Mynd 2 sýnir skýringarmynd af sexhyrndri wurtzítbyggingu GaN. Wurtzítbygging GaN efnis tilheyrir sexhyrndri þéttpakkaðri byggingu. Hver einingafruma hefur 12 atóm, þar á meðal 6 N atóm og 6 Ga atóm. Hvert Ga (N) atóm myndar tengi við 4 næstu N (Ga) atóm og er staflað í röðinni ABABAB… meðfram [0001] stefnunni [2].
Mynd 2. Skýringarmynd af GaN kristalfrumum úr wurtzítbyggingu
III Algeng undirlag fyrir GaN epitaxíu
Það virðist sem einsleit epitaxía á GaN undirlögum sé besti kosturinn fyrir GaN epitaxíu. Hins vegar, vegna mikillar bindingarorku GaN, er samsvarandi niðurbrotsþrýstingur um 4,5 GPa þegar hitastigið nær bræðslumarki 2500℃. Þegar niðurbrotsþrýstingurinn er lægri en þessi þrýstingur bráðnar GaN ekki heldur brotnar niður beint. Þetta gerir þroskaða undirlagstækni eins og Czochralski aðferðina óhentuga fyrir undirbúning á GaN einkristalla undirlögum, sem gerir GaN undirlög erfið í fjöldaframleiðslu og kostnaðarsöm. Þess vegna eru undirlögin sem almennt eru notuð í GaN epitaxíuvöxt aðallega Si, SiC, safír, o.s.frv. [3].
Tafla 3 GaN og breytur algengra undirlagsefna
GaN epitaxía á safír
Safír hefur stöðuga efnafræðilega eiginleika, er ódýrt og hefur náð miklum þroska í stórum framleiðsluiðnaði. Þess vegna hefur það orðið eitt elsta og mest notaða undirlagsefnið í verkfræði hálfleiðara. Sem eitt af algengustu undirlögunum fyrir GaN-epitaxíu eru helstu vandamálin sem þarf að leysa fyrir safírundirlög:
✔ Vegna mikils grindarmisræmis milli safírs (Al2O3) og GaN (um 15%) er gallaþéttleikinn á millimótum epitaxiallagsins og undirlagsins mjög mikill. Til að draga úr skaðlegum áhrifum þess verður undirlagið að gangast undir flókna forvinnslu áður en epitaxialferlið hefst. Áður en GaN epitaxi er ræktað á safírundirlögum verður fyrst að þrífa yfirborð undirlagsins vandlega til að fjarlægja óhreinindi, leifar af fægingarskemmdum o.s.frv. og til að framleiða þrep og þrepayfirborðsbyggingar. Síðan er undirlagsyfirborðið nítríderað til að breyta rakaeiginleikum epitaxiallagsins. Að lokum þarf að setja þunnt AlN stuðpúðalag (venjulega 10-100 nm þykkt) á undirlagsyfirborðið og glóða við lágan hita til að undirbúa loka epitaxialvöxtinn. Engu að síður er tilfærsluþéttleiki í GaN epitaxial filmum sem ræktaðar eru á safírundirlögum enn hærri en í homoepitaxial filmum (um 1010 cm⁻², samanborið við nánast enga tilfærsluþéttleika í kísill homoepitaxial filmum eða gallium arseníð homoepitaxial filmum, eða á milli 102 og 104 cm⁻²). Hærri gallaþéttleiki dregur úr hreyfanleika flutningsaðila, sem styttir líftíma minnihlutaflutningsaðila og dregur úr varmaleiðni, sem allt mun draga úr afköstum tækisins [4];
✔ Varmaþenslustuðull safírs er meiri en GaN, þannig að tvíása þjöppunarspenna myndast í epitaxiallaginu við kælingu frá útfellingarhita niður í stofuhita. Fyrir þykkari epitaxialfilmur getur þessi spenna valdið sprungum í filmunni eða jafnvel undirlaginu;
✔ Í samanburði við önnur undirlag er varmaleiðni safírundirlags lægri (um 0,25W * cm-1 * K-1 við 100 ℃) og varmaleiðni er léleg;
✔ Vegna lélegrar leiðni eru safírundirlag ekki hentug til samþættingar og notkunar með öðrum hálfleiðaratækjum.
Þó að gallaþéttleiki GaN epitaxiallaga sem ræktað er á safírundirlögum sé mikill, virðist það ekki draga verulega úr ljósfræðilegri afköstum GaN-byggðra blágrænna LED-ljósa, þannig að safírundirlög eru enn algeng undirlög fyrir GaN-byggð LED-ljós.
Með þróun nýrra notkunarmöguleika GaN-tækja eins og leysigeisla eða annarra þéttleikaaflstækja, hafa innbyggðir gallar safírundirlaga í auknum mæli orðið takmörkun á notkun þeirra. Þar að auki, með þróun SiC undirlagsvaxtartækni, kostnaðarlækkun og þroska GaN epitaxial tækni á Si undirlögum, hafa fleiri rannsóknir á vexti GaN epitaxial laga á safírundirlögum smám saman sýnt kólnandi þróun.
GaN epitaxía á SiC
Í samanburði við safír hafa SiC undirlög (4H- og 6H-kristallar) minni grindarmisræmi við GaN epitaxial lög (3,1%, sem jafngildir [0001] stefndum epitaxial filmum), hærri varmaleiðni (um 3,8W*cm-1*K-1) o.s.frv. Að auki gerir leiðni SiC undirlaganna einnig kleift að mynda rafmagnstengingar á bakhlið undirlagsins, sem hjálpar til við að einfalda uppbyggingu tækisins. Tilvist þessara kosta hefur laðað fleiri og fleiri vísindamenn að því að vinna að GaN epitaxi á kísilkarbíð undirlögum.
Hins vegar fylgir því að vinna beint á SiC undirlag til að forðast vaxandi GaN eplilög einnig ýmsum ókostum, þar á meðal eftirfarandi:
✔ Yfirborðsgrófleiki SiC undirlaga er mun meiri en safírundirlaga (safírgrófleiki 0,1nm RMS, SiC grófleiki 1nm RMS), SiC undirlög hafa mikla hörku og lélega vinnslugetu, og þessi grófleiki og leifar af fægingarskemmdum eru einnig ein af uppsprettum galla í GaN yfirborðslögum.
✔ Skrúfufráviksþéttleiki SiC undirlagsins er mikill (fráviksþéttleiki 103-104cm-2), skrúfufrávik geta breiðst út í GaN yfirlagið og dregið úr afköstum tækisins;
✔ Röð frumeinda á yfirborði undirlagsins veldur myndun staflgalla (BSF) í GaN yfirlaginu. Fyrir epitaxial GaN á SiC undirlögum eru margar mögulegar röðun frumeinda á undirlaginu, sem leiðir til ósamræmis í upphaflegri staflunarröð epitaxial GaN lagsins á því, sem er viðkvæmt fyrir staflgöllum. Staflgalla (SF) kynna innbyggð rafsvið meðfram c-ásnum, sem leiðir til vandamála eins og leka frá aðskilnaðarbúnaði í plani flutningsbera;
✔ Varmaþenslustuðull SiC undirlags er minni en AlN og GaN, sem veldur uppsöfnun varmaspennu milli epitaxial lagsins og undirlagsins við kælingu. Waltereit og Brand spáðu, byggt á rannsóknarniðurstöðum sínum, að þetta vandamál mætti draga úr eða leysa með því að rækta GaN epitaxial lög á þunnum, samfellt þvinguðum AlN kjarnamyndunarlögum;
✔ Vandamálið með lélega vætni Ga atóma. Þegar GaN epitaxial lög eru ræktuð beint á SiC yfirborðið, vegna lélegrar vætni milli atómanna tveggja, er GaN viðkvæmt fyrir þrívíddar eyjavexti á undirlagsyfirborðinu. Innleiðing á stuðpúðalagi er algengasta lausnin til að bæta gæði epitaxial efna í GaN epitaxi. Innleiðing á AlN eða AlxGa1-xN stuðpúðalagi getur á áhrifaríkan hátt bætt vætni SiC yfirborðsins og látið GaN epitaxial lagið vaxa í tveimur víddum. Að auki getur það einnig stjórnað spennu og komið í veg fyrir að undirlagsgalla nái yfir í GaN epitaxi.
✔ Undirbúningstækni SiC undirlaga er óþroskuð, kostnaður undirlagsins er hár og fáir birgjar og lítið framboð.
Rannsóknir Torres o.fl. sýna að etsun SiC undirlagsins með H2 við hátt hitastig (1600°C) fyrir epitaxíu getur framkallað skipulagðari þrepabyggingu á yfirborði undirlagsins, og þannig fengið hágæða AlN epitaxísk filmu en þegar hún er ræktuð beint á upprunalega yfirborði undirlagsins. Rannsóknir Xie og teymis hans sýna einnig að forvinnsla etsunar á kísilkarbíð undirlaginu getur bætt yfirborðsformgerð og kristalgæði GaN epitaxísks lagsins verulega. Smith o.fl. komust að því að þráðabreytingar sem eiga uppruna sinn í undirlags-/stuðlalags- og stuðlalags-/epitaxísks lagsmótum tengjast flatneskju undirlagsins [5].
Mynd 4 TEM formgerð GaN epitaxial lags sýna sem ræktuð voru á 6H-SiC undirlagi (0001) við mismunandi yfirborðsmeðferðarskilyrði (a) efnahreinsun; (b) efnahreinsun + vetnisplasmameðferð; (c) efnahreinsun + vetnisplasmameðferð + 1300℃ vetnishitameðferð í 30 mínútur
GaN epitaxía á Si
Í samanburði við kísilkarbíð, safír og önnur undirlög er undirbúningsferlið fyrir kísilundirlög þroskað og getur stöðugt framleitt þroskað stór undirlög með mikilli hagkvæmni. Á sama tíma eru varmaleiðni og rafleiðni góð og ferlið við að framleiða kísilrafeindabúnað er þroskað. Möguleikinn á að samþætta ljósfræðilega GaN-búnað fullkomlega við kísilrafeindabúnað í framtíðinni gerir einnig vöxt GaN-epitaxis á kísil mjög aðlaðandi.
Hins vegar, vegna mikils munar á grindarstuðlum milli Si undirlags og GaN efnis, er ólík epitaxía GaN á Si undirlagi dæmigerð stór misræmis epitaxía og hún þarf einnig að takast á við röð vandamála:
✔ Orkuvandamál við yfirborðsviðmót. Þegar GaN vex á Si undirlagi verður yfirborð Si undirlagsins fyrst nítrað til að mynda ókristallað kísilnítríðlag sem er ekki hentugt fyrir kjarnamyndun og vöxt GaN með mikla þéttleika. Að auki mun Si yfirborðið fyrst komast í snertingu við Ga, sem mun tæra yfirborð Si undirlagsins. Við hátt hitastig mun niðurbrot Si yfirborðsins dreifast inn í GaN epitaxial lagið og mynda svarta kísilbletti.
✔ Misræmið í grindarfastanum milli GaN og Si er mikið (~17%), sem leiðir til myndunar þráðaþráða með mikilli þéttleika og dregur verulega úr gæðum epitaxiallagsins;
✔ Í samanburði við Si hefur GaN hærri hitaþenslustuðul (hitaþenslustuðull GaN er um 5,6 × 10-6K-1, hitaþenslustuðull Si er um 2,6 × 10-6K-1) og sprungur geta myndast í epitaxiallaginu GaN við kælingu epitaxialhitastigsins niður í stofuhita;
✔ Si hvarfast við NH3 við hátt hitastig og myndar fjölkristallað SiNx. AlN getur ekki myndað kjarna með ákveðinni stefnu á fjölkristallað SiNx, sem leiðir til óreglulegrar stefnu GaN lagsins sem síðan myndast og mikils fjölda galla, sem leiðir til lélegra kristalgæða GaN epitaxial lagsins og jafnvel erfiðleika við að mynda einkristallað GaN epitaxial lag [6].
Til að leysa vandamálið með stórum grindarmisræmi hafa vísindamenn reynt að setja efni eins og AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO og SiC inn sem stuðpúðalög á Si undirlag. Til að forðast myndun fjölkristallaðs SiNx og draga úr skaðlegum áhrifum þess á kristalgæði GaN/AlN/Si (111) efna þarf venjulega að setja TMAl inn í ákveðinn tíma áður en AlN stuðpúðalagið vex til að koma í veg fyrir að NH3 hvarfast við útsett Si yfirborð til að mynda SiNx. Að auki er hægt að nota stuðpúðatækni eins og mynstrað undirlagstækni til að bæta gæði stuðpúðalagsins. Þróun þessarar tækni hjálpar til við að hamla myndun SiNx á stuðpúðaviðmótinu, stuðla að tvívíddarvexti GaN stuðpúðalagsins og bæta vaxtargæði stuðpúðalagsins. Að auki er AlN stuðpúðalag sett inn til að bæta upp togspennu sem stafar af mismun á varmaþenslustuðlum til að forðast sprungur í GaN stuðpúðalaginu á kísillundirlaginu. Rannsókn Krosts sýnir að jákvætt samband er milli þykktar AlN-stuðpúðalagsins og minnkunar á spennu. Þegar þykkt stuðpúðalagsins nær 12 nm er hægt að rækta epitaxiallag sem er þykkara en 6 μm á kísilundirlagi með viðeigandi vaxtaraðferð án þess að epitaxiallagið sprungi.
Eftir langtímaátak vísindamanna hefur gæði GaN epitaxiallaga sem ræktað er á kísilundirlögum batnað verulega og tæki eins og sviðsáhrifatransistorar, Schottky-hindrunarútfjólubláir skynjarar, blágrænir LED-ljósar og útfjólubláir leysir hafa náð verulegum árangri.
Í stuttu máli, þar sem algengustu GaN epitaxial undirlögin eru öll ólík, standa þau öll frammi fyrir sameiginlegum vandamálum eins og grindarmisræmi og miklum mun á varmaþenslustuðlum í mismunandi mæli. Einsleit epitaxial GaN undirlög eru takmörkuð af þroska tækni og undirlögin hafa ekki enn verið fjöldaframleidd. Framleiðslukostnaðurinn er hár, stærð undirlagsins er lítil og gæði undirlagsins eru ekki tilvalin. Þróun nýrra GaN epitaxial undirlaga og bætt gæði epitaxial eru enn einn af mikilvægustu þáttunum sem takmarka frekari þróun GaN epitaxial iðnaðarins.
IV. Algengar aðferðir við GaN epitaxíu
MOCVD (efnafræðileg gufuútfelling)
Það virðist sem einsleit epitaxía á GaN undirlögum sé besti kosturinn fyrir GaN epitaxíu. Hins vegar, þar sem forverar efnafræðilegrar gufuútfellingar eru trímetýlgallíum og ammóníak, og burðargasið er vetni, er dæmigerður vaxtarhiti MOCVD um 1000-1100℃, og vaxtarhraði MOCVD er um nokkrar míkroner á klukkustund. Það getur framleitt brött tengiflöt á atómstigi, sem er mjög hentugt fyrir ræktun á millitengjum, skammtabrunna, ofurgrindum og öðrum mannvirkjum. Hraður vaxtarhraði þess, góð einsleitni og hentugleiki fyrir stór svæði og margbrotna vöxt eru oft notuð í iðnaðarframleiðslu.
MBE (sameindageislaepitaxía)
Í sameindageislagreiningu notar Ga frumefni og virkt köfnunarefni fæst úr köfnunarefni í gegnum RF plasma. Í samanburði við MOCVD aðferðina er vaxtarhitastig MBE um 350-400℃ lægra. Lægra vaxtarhitastigið getur komið í veg fyrir ákveðna mengun sem getur stafað af umhverfi með miklum hita. MBE kerfið starfar undir afarháu lofttæmi, sem gerir því kleift að samþætta fleiri staðbundnar greiningaraðferðir. Á sama tíma er vaxtarhraði þess og framleiðslugeta ekki sambærileg við MOCVD og það er meira notað í vísindarannsóknum [7].
Mynd 5 (a) Eiko-MBE skýringarmynd (b) skýringarmynd MBE aðalviðbragðshólfsins
HVPE aðferð (hýdríð gufufasa epitaxía)
Forverar hýdríðgufufasa-epitaxíuaðferðarinnar eru GaCl3 og NH3. Detchprohm o.fl. notuðu þessa aðferð til að rækta GaN-epitaxíulag sem var hundruð míkróna þykkt á yfirborði safírundirlags. Í tilraun þeirra var lag af ZnO ræktað á milli safírundirlagsins og epitaxíulagsins sem stuðpúðalag og epitaxíulagið var afhýtt af yfirborði undirlagsins. Í samanburði við MOCVD og MBE er aðaleinkenni HVPE-aðferðarinnar mikill vaxtarhraði, sem hentar vel til framleiðslu á þykkum lögum og lausu efni. Hins vegar, þegar þykkt epitaxíulagsins fer yfir 20 μm, er epitaxíulagið sem myndast með þessari aðferð viðkvæmt fyrir sprungum.
Akira USUI kynnti til sögunnar mynstraða undirlagstækni byggða á þessari aðferð. Þeir ræktuðu fyrst þunnt 1-1,5 μm þykkt GaN epitaxiallag á safírundirlag með MOCVD aðferðinni. Epitaxiallagið samanstóð af 20 nm þykku GaN stuðpúðalagi sem ræktað var við lágt hitastig og GaN lagi sem ræktað var við hátt hitastig. Síðan, við 430℃, var lag af SiO2 húðað á yfirborð epitaxiallagsins og gluggarönd voru gerðar á SiO2 filmunni með ljósritun. Röndabilið var 7 μm og breidd grímunnar var á bilinu 1 μm til 4 μm. Eftir þessa úrbætur fengu þeir GaN epitaxiallag á 2 tommu þvermáli safírundirlagi sem var sprungulaust og slétt eins og spegill jafnvel þegar þykktin jókst í tugi eða jafnvel hundruð míkrona. Gallaþéttleikinn minnkaði úr 109-1010cm-2 með hefðbundinni HVPE aðferð í um 6 × 107cm-2. Þeir bentu einnig á í tilrauninni að þegar vaxtarhraðinn fór yfir 75 μm/klst yrði yfirborð sýnisins hrjúft[8].
Mynd 6 Grafísk undirlagsskýringarmynd
V. Yfirlit og horfur
GaN-efni fóru að koma fram árið 2014 þegar bláa LED-ljósið vann Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði það ár og komu inn á svið almennings fyrir hraðhleðsluforrit í neytendarafeindatækni. Reyndar hafa notkun í aflmagnurum og útvarpsbylgjum sem notuð eru í 5G-stöðvum sem flestir sjá ekki einnig komið fram. Á undanförnum árum er búist við að bylting GaN-byggðra aflgjafa í bílaiðnaði muni opna nýja vaxtarmöguleika fyrir markaðinn fyrir GaN-efni.
Mikil eftirspurn á markaði mun örugglega stuðla að þróun GaN-tengdra iðnaðar og tækni. Með þroska og framförum í GaN-tengdri iðnaðarkeðju munu vandamálin sem núverandi GaN-epitaxísk tækni standa frammi fyrir að lokum bætast eða yfirstíga. Í framtíðinni munu menn örugglega þróa fleiri nýjar epitaxísk tækni og fleiri framúrskarandi undirlagsvalkosti. Þá munu menn geta valið hentugustu utanaðkomandi rannsóknartækni og undirlag fyrir mismunandi notkunarsvið í samræmi við eiginleika notkunarsviðanna og framleitt samkeppnishæfustu sérsniðnu vörurnar.
Birtingartími: 28. júní 2024