1. Halbleiter vun der drëtter Generatioun
Déi éischt Generatioun vun der Hallefleitertechnologie gouf op Basis vu Hallefleitermaterialien wéi Si a Ge entwéckelt. Si ass d'Materialbasis fir d'Entwécklung vun Transistoren an der integréierter Schaltungstechnologie. Déi éischt Generatioun vun den Hallefleitermaterialien hunn d'Grondlag fir d'Elektronikindustrie am 20. Joerhonnert geluecht a sinn d'Basismaterialien fir d'integréiert Schaltungstechnologie.
Zu den Hallefleedermaterialien vun der zweeter Generatioun gehéieren haaptsächlech Galliumarsenid, Indiumphosphid, Galliumphosphid, Indiumarsenid, Aluminiumarsenid an hir ternär Verbindungen. D'Halleedermaterialien vun der zweeter Generatioun bilden d'Grondlag vun der optoelektronescher Informatiounsindustrie. Op dëser Basis goufen verwandte Industrien wéi Beliichtung, Display, Laser a Photovoltaik entwéckelt. Si gi wäit verbreet an der haiteger Informatiounstechnologie- an optoelektronescher Displayindustrie benotzt.
Representativ Materialien vun den Hallefleedermaterialien vun der drëtter Generatioun sinn Galliumnitrid a Siliziumkarbid. Wéinst hirer breeder Bandlück, héijer Driftgeschwindegkeet vun den Elektronen, héijer Wärmeleitfäegkeet an héijer Duerchbrochfeldstäerkt si si ideal Materialien fir d'Virbereedung vun elektroneschen Apparater mat héijer Leeschtungsdicht, héijer Frequenz a Verloschtarm. Dorënner hunn Siliziumkarbid-Energieapparater d'Virdeeler vun héijer Energiedicht, nidderegem Energieverbrauch a klenger Gréisst, an hunn breet Uwendungsperspektiven an neien Energiefahrzeugen, Photovoltaik, Schinneverkéier, Big Data an aner Beräicher. Galliumnitrid-HF-Apparater hunn d'Virdeeler vun héijer Frequenz, héijer Leeschtung, breeder Bandbreet, nidderegem Energieverbrauch a klenger Gréisst, an hunn breet Uwendungsperspektiven an der 5G-Kommunikatioun, dem Internet vun de Saachen, militäresche Radar an aner Beräicher. Zousätzlech goufen Galliumnitrid-baséiert Energieapparater wäit verbreet am Nidderspannungsberäich benotzt. Zousätzlech gëtt erwaart, datt nei Galliumoxidmaterialien an de leschte Joren eng technesch Komplementaritéit mat existente SiC- an GaN-Technologien bilden, a potenziell Uwendungsperspektiven an de Nidderfrequenz- an Héichspannungsberäicher hunn.
Am Verglach mat den Hallefleedermaterialien vun der zweeter Generatioun hunn d'Halleedermaterialien vun der drëtter Generatioun eng méi breet Bandlückebreet (d'Bandlückebreet vu Si, engem typesche Material vum Hallefleedermaterial vun der éischter Generatioun, ass ongeféier 1,1 eV, d'Bandlückebreet vu GaAs, engem typesche Material vum Hallefleedermaterial vun der zweeter Generatioun, ass ongeféier 1,42 eV, an d'Bandlückebreet vu GaN, engem typesche Material vum Hallefleedermaterial vun der drëtter Generatioun, ass iwwer 2,3 eV), e méi staarke Stralungsbeständegkeet, e méi staarke Widderstand géint Duerchbroch vun elektresche Felder an eng méi héich Temperaturbeständegkeet. D'Halleedermaterialien vun der drëtter Generatioun mat enger méi breeder Bandlückebreet si besonnesch gëeegent fir d'Produktioun vu strahlungsbeständegen, héichfrequenten, héichleeschtungsfäegen an héichintegratiounsdichtegen elektroneschen Apparater. Hir Uwendungen a Mikrowellen-Radiofrequenzapparater, LEDs, Laser, Energieapparater an anere Beräicher hunn vill Opmierksamkeet op sech gezunn, a si hunn breet Entwécklungsperspektiven a Mobilkommunikatioun, Smart Grids, Schinneverkéier, neien Energiefahrzeugen, Konsumentelektronik an ultraviolett a blo-gréng Liichtapparater gewisen [1].
Bildquell: CASA, Zheshang Securities Research Institute
Figur 1 Zäitskala a Prognose fir GaN-Energieversuergungsapparater
II GaN Materialstruktur a Charakteristiken
GaN ass en direkten Bandlücke-Hallefleeder. D'Bandlückebreet vun der Wurtzitstruktur bei Raumtemperatur ass ongeféier 3,26 eV. GaN-Materialien hunn dräi Haaptkristallstrukturen, nämlech d'Wurtzitstruktur, d'Sphaleritstruktur an d'Steesalzstruktur. Dorënner ass d'Wurtzitstruktur déi stabilst Kristallstruktur. Figur 2 ass en Diagramm vun der hexagonaler Wurtzitstruktur vu GaN. D'Wurtzitstruktur vum GaN-Material gehéiert zu enger hexagonaler dicht gepackter Struktur. All Eenheetszell huet 12 Atomer, dorënner 6 N-Atomer a 6 Ga-Atomer. All Ga(N)-Atom bilt eng Bindung mat de 4 nooste N(Ga)-Atomer a gëtt an der Reiefolleg ABABAB… laanscht d'Richtung [0001] gestapelt [2].
Figur 2 Wurtzit-Struktur GaN-Kristallzelldiagramm
III Dacks benotzt Substrate fir GaN-Epitaxie
Et schéngt, datt homogen Epitaxie op GaN-Substrater déi bescht Wiel fir GaN-Epitaxie ass. Wéinst der grousser Bindungsenergie vu GaN ass awer, wann d'Temperatur de Schmelzpunkt vun 2500 ℃ erreecht, den entspriechende Zersetzungsdrock ongeféier 4,5 GPa. Wann den Zersetzungsdrock méi niddreg ass wéi dësen Drock, schmëlzt GaN net, mä zersetzt sech direkt. Dëst mécht reif Substratvirbereedungstechnologien, wéi d'Czochralski-Method, net gëeegent fir d'Virbereedung vu GaN-Eenkristallsubstrater, wouduerch GaN-Substrater schwéier a Masseproduktioun a käschteg sinn. Dofir sinn déi Substrater, déi allgemeng beim GaN-Epitaxialwuesstem benotzt ginn, haaptsächlech Si, SiC, Saphir, etc. [3].
Diagramm 3 GaN a Parameter vun übleche Substratmaterialien
GaN-Epitaxie op Saphir
Saphir huet stabil chemesch Eegeschaften, ass bëlleg an huet eng héich Reife vun der Groussproduktiounsindustrie. Dofir ass et zu engem vun den éischten a meescht verbreetene Substratmaterialien an der Hallefleiterbautechnik ginn. Als ee vun den heefegsten benotzte Substrate fir GaN-Epitaxie sinn déi Haaptproblemer, déi fir Saphirsubstrate geléist musse ginn, folgend:
✔ Wéinst der grousser Gittermismatch tëscht Saphir (Al2O3) a GaN (ongeféier 15%) ass d'Defektdicht op der Grenzfläch tëscht der epitaktischer Schicht an dem Substrat ganz héich. Fir seng negativ Auswierkungen ze reduzéieren, muss de Substrat enger komplexer Virbehandlung ënnerworf ginn, ier den Epitaxieprozess ufänkt. Ier GaN-Epitaxie op Saphirsubstrater wuessen kann, muss d'Substratoberfläch als éischt grëndlech gereinegt ginn, fir Kontaminanten, Reschtpoliteschäden, etc. ze entfernen, a fir Stufen a Stufenoberflächestrukturen ze produzéieren. Duerno gëtt d'Substratoberfläch nitréiert, fir d'Befeuchtungseigenschaften vun der epitaktischer Schicht z'änneren. Schlussendlech muss eng dënn AlN-Pufferschicht (normalerweis 10-100 nm déck) op d'Substratoberfläch ofgesat a bei niddreger Temperatur geglüht ginn, fir sech op dat lescht epitaktisches Wuesstum virzebereeden. Trotzdeem ass d'Dislokatiounsdicht a GaN-Epitaxialfilmer, déi op Saphirsubstrater gewuess sinn, ëmmer nach méi héich wéi déi vun homoepitaxialen Filmer (ongeféier 1010 cm⁻², am Verglach mat enger quasi null Dislokatiounsdicht a Silizium-Homoepitaxialfilmer oder Galliumarsenid-Homoepitaxialfilmer, oder tëscht 102 an 104 cm⁻²). Déi méi héich Defektdicht reduzéiert d'Mobilitéit vun den Träger, wouduerch d'Liewensdauer vun de Minoritéitsträger verkierzt gëtt an d'Wärmeleitfäegkeet reduzéiert gëtt, wat all d'Leeschtung vum Apparat reduzéiert [4];
✔ Den thermeschen Ausdehnungskoeffizient vu Saphir ass méi grouss wéi dee vu GaN, sou datt biaxial Kompressiounsspannung an der epitaktischer Schicht beim Ofkille vun der Oflagerungstemperatur op Raumtemperatur entsteet. Bei méi décke epitaktischen Filmer kann dës Spannung zu Rëssbildung vum Film oder souguer vum Substrat féieren;
✔ Am Verglach mat anere Substrater ass d'Wärmeleitfäegkeet vu Saphirsubstrater méi niddreg (ongeféier 0,25 W * cm-1 * K-1 bei 100 ℃), an d'Hëtztofleedungsleistung ass schlecht;
✔ Wéinst senger schlechter Konduktivitéit si Saphirsubstrater net gëeegent fir hir Integratioun an Uwendung mat anere Hallefleederkomponenten.
Obwuel d'Defektdichte vu GaN-Epitaxialschichten, déi op Saphirsubstrater ugebaut ginn, héich ass, schéngt se d'optoelektronesch Leeschtung vu GaN-baséierte blo-grénge LEDs net wesentlech ze reduzéieren, sou datt Saphirsubstrater nach ëmmer dacks Substrate fir GaN-baséiert LEDs sinn.
Mat der Entwécklung vu méi neien Uwendungen vu GaN-Apparater wéi Laser oder aner héichdichteg Energieversuergungsapparater, sinn déi inherent Mängel vu Saphirsubstrater ëmmer méi zu enger Limitatioun vun hirer Uwendung ginn. Zousätzlech huet mat der Entwécklung vun der SiC-Substratwachstumstechnologie, der Käschtereduktioun an der Reife vun der GaN-Epitaxialtechnologie op Si-Substrater, méi Fuerschung iwwer d'Wuesstum vun GaN-Epitaxialschichten op Saphirsubstrater lues a lues eng Ofkillungstendenz gewisen.
GaN-Epitaxie op SiC
Am Verglach mat Saphir hunn SiC-Substrater (4H- a 6H-Kristaller) eng méi kleng Gitterofwäichung mat GaN-Epitaxialschichten (3,1%, gläichwäerteg mat [0001]-orientéierten Epitaxialfilmer), eng méi héich Wärmeleitfäegkeet (ongeféier 3,8 W*cm-1*K-1), etc. Zousätzlech erlaabt d'Leetfäegkeet vu SiC-Substrater och elektresch Kontakter op der Récksäit vum Substrat, wat hëlleft d'Struktur vum Apparat ze vereinfachen. D'Existenz vun dëse Virdeeler huet ëmmer méi Fuerscher ugezunn, un der GaN-Epitaxie op Siliziumcarbid-Substrater ze schaffen.
Wéi och ëmmer, direkt op SiC-Substrater ze schaffen, fir wuessend GaN-Epischichten ze vermeiden, huet och eng Rei Nodeeler, dorënner déi folgend:
✔ D'Uewerflächenrauheet vu SiC-Substrater ass vill méi héich wéi déi vu Saphirsubstrater (Saphirrauheet 0,1 nm RMS, SiC-Rauheet 1 nm RMS), SiC-Substrater hunn eng héich Häert a schlecht Veraarbechtungsleistung, an dës Rauheet a Reschtpolischued sinn och eng vun de Quelle vu Mängel an GaN-Epilayer.
✔ D'Schraufverrécklungsdicht vu SiC-Substrater ass héich (Verrécklungsdicht 103-104cm-2), Schraufverrécklunge kënnen sech op d'GaN-Epilayer ausbreeden an d'Leeschtung vum Apparat reduzéieren;
✔ D'Atomarrangement op der Substratoberfläche induzéiert d'Bildung vu Stapelfehler (BSFs) an der GaN-Epilayer. Fir epitaktesch GaN op SiC-Substrater gëtt et verschidde méiglech Atomarrangementsuerden um Substrat, wat zu enger inkonsequenter initialer atomarer Stapeluerdnung vun der epitaktischer GaN-Schicht drop féiert, déi ufälleg fir Stapelfehler ass. Stapelfehler (SFs) féieren agebaute elektresch Felder laanscht d'c-Achs an, wat zu Problemer wéi Leckage vun In-Plane-Carrier-Trennungsvorrichtungen féiert;
✔ Den thermeschen Ausdehnungskoeffizient vum SiC-Substrat ass méi kleng wéi dee vun AlN a GaN, wat zu enger Akkumulatioun vun thermescher Spannung tëscht der epitaktischer Schicht an dem Substrat während dem Ofkillprozess féiert. Waltereit a Brand hunn op Basis vun hire Fuerschungsresultater virausgesot, datt dëst Problem ka geléist oder reduzéiert ginn, andeems GaN-Epitaxialschichten op dënnen, kohärent gespannten AlN-Keimbildungsschichten ugebaut oder geléist ginn;
✔ De Problem vun der schlechter Benetzbarkeet vu Ga-Atomer. Wann GaN-Epitaxialschichten direkt op der SiC-Uewerfläch wuessen, ass GaN wéinst der schlechter Benetzbarkeet tëscht den zwee Atomer ufälleg fir 3D-Inselwuesstum op der Substratoberfläche. D'Aféierung vun enger Pufferschicht ass déi meescht benotzt Léisung fir d'Qualitéit vun epitaktischen Materialien an der GaN-Epitaxie ze verbesseren. D'Aféierung vun enger AlN- oder AlxGa1-xN-Pufferschicht kann d'Benetzbarkeet vun der SiC-Uewerfläch effektiv verbesseren an d'GaN-Epitaxialschicht an zwou Dimensiounen wuessen loossen. Zousätzlech kann et och d'Spannung reguléieren an verhënneren datt Substratdefekter sech op d'GaN-Epitaxie ausbreeden;
✔ D'Virbereedungstechnologie vu SiC-Substrater ass nach net ganz ausgereift, d'Substratkäschte si héich, an et gëtt wéineg Fournisseuren a wéineg Offer.
D'Fuerschung vum Torres et al. weist, datt d'Ätzen vum SiC-Substrat mat H2 bei héijer Temperatur (1600°C) virun der Epitaxie eng méi geuerdnet Stufenstruktur op der Substratoberfläche produzéiere kann, wouduerch e méi héichwäertege AlN-Epitaxialfilm kritt gëtt, wéi wann en direkt op der ursprénglecher Substratoberfläche gewuess ass. D'Fuerschung vum Xie a sengem Team weist och, datt d'Virbehandlung vun der Ätze vum Siliziumcarbid-Substrat d'Uewerflächenmorphologie an d'Kristallqualitéit vun der GaN-Epitaxialschicht däitlech verbessere kann. De Smith et al. hunn erausfonnt, datt Gewënnverrécklungen, déi vun den Grenzflächen tëscht Substrat/Pufferschicht an Pufferschicht/Epitaxialschicht ausgoen, mat der Flaachheet vum Substrat zesummenhänken [5].
Figur 4 TEM-Morphologie vu GaN-Epitaxialschichtprouwen, déi op engem 6H-SiC-Substrat (0001) ënner verschiddenen Uewerflächenbehandlungsbedingungen ugebaut goufen (a) chemesch Reinigung; (b) chemesch Reinigung + Waasserstoffplasmabehandlung; (c) chemesch Reinigung + Waasserstoffplasmabehandlung + 1300℃ Waasserstoffhëtzebehandlung fir 30 Minutten
GaN-Epitaxie op Si
Am Verglach mat Siliziumkarbid, Saphir an anere Substrater ass de Prozess vun der Virbereedung vu Siliziumsubstrater reif a kann stabil reif Substrater a grousser Gréisst mat héijer Käschteleistung liwweren. Gläichzäiteg sinn d'Wärmeleitfäegkeet an d'elektresch Leitfäegkeet gutt, an de Prozess vun der elektronescher Si-Bauelement ass reif. D'Méiglechkeet, optoelektronesch GaN-Bauelementer an Zukunft perfekt mat elektronesche Si-Bauelementer z'integréieren, mécht och d'Entwécklung vun der GaN-Epitaxie op Silizium ganz attraktiv.
Wéinst dem groussen Ënnerscheed an de Gitterkonstanten tëscht Si-Substrat a GaN-Material ass déi heterogen Epitaxie vu GaN op Si-Substrat awer eng typesch Epitaxie mat grousse Mismatch-Epitaxie, an et muss sech och mat enger Rei vu Problemer konfrontéieren:
✔ Problem mat der Energie vun der Uewerflächengrenzfläche. Wann GaN op engem Si-Substrat wiisst, gëtt d'Uewerfläch vum Si-Substrat als éischt nitréiert, fir eng amorph Siliziumnitridschicht ze bilden, déi net fir d'Keimbildung an d'Wuesstum vun héichdichtegem GaN gëeegent ass. Zousätzlech wäert d'Si-Uewerfläch als éischt mat Ga a Kontakt kommen, wat d'Uewerfläch vum Si-Substrat korrodéiert. Bei héijen Temperaturen diffundéiert d'Zersetzung vun der Si-Uewerfläch an d'epitaxial Schicht vu GaN, fir schwaarz Siliziumflecken ze bilden.
✔ D'Gitterkonstant-Diskrepanz tëscht GaN a Si ass grouss (~17%), wat zu der Bildung vun héichdichtege Gewënnverrécklungen féiert an d'Qualitéit vun der epitaktischer Schicht däitlech reduzéiert;
✔ Am Verglach mat Si huet GaN e méi groussen thermeschen Ausdehnungskoeffizient (den thermeschen Ausdehnungskoeffizient vu GaN ass ongeféier 5,6 × 10-6K-1, den thermeschen Ausdehnungskoeffizient vu Si ass ongeféier 2,6 × 10-6K-1), an et kënnen Rëss an der GaN-Epitaxialschicht beim Ofkille vun der Epitakzialtemperatur op Raumtemperatur entstoen;
✔ Si reagéiert mat NH3 bei héijen Temperaturen fir polykristallin SiNx ze bilden. AlN kann keen preferenziell orientéierte Kär op polykristallinem SiNx bilden, wat zu enger ongeuerdneter Orientéierung vun der spéider gewuessener GaN-Schicht an enger héijer Zuel vu Defekter féiert, wat zu enger schlechter Kristallqualitéit vun der GaN-Epitaxialschicht féiert, a souguer zu Schwieregkeeten bei der Bildung vun enger einfachkristalliner GaN-Epitaxialschicht [6].
Fir de Problem vun der grousser Gittermismatch ze léisen, hunn d'Fuerscher probéiert Materialien wéi AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO a SiC als Pufferschichten op Si-Substrater anzeféieren. Fir d'Bildung vu polykristallinem SiNx ze vermeiden an seng negativ Auswierkungen op d'Kristallqualitéit vu GaN/AlN/Si (111) Materialien ze reduzéieren, muss TMAl normalerweis fir eng gewëssen Zäit virum epitaktischen Wuesstum vun der AlN-Pufferschicht agefouert ginn, fir ze verhënneren, datt NH3 mat der ausgesater Si-Uewerfläch reagéiert fir SiNx ze bilden. Zousätzlech kënnen epitaktesch Technologien wéi gemustert Substrattechnologie benotzt ginn, fir d'Qualitéit vun der epitaktischer Schicht ze verbesseren. D'Entwécklung vun dësen Technologien hëlleft d'Bildung vu SiNx op der epitaktischer Grenzfläch ze hemmen, dat zweedimensionalt Wuesstum vun der GaN-Epitaxialschicht ze förderen an d'Wuesstumsqualitéit vun der epitaktischer Schicht ze verbesseren. Zousätzlech gëtt eng AlN-Pufferschicht agefouert, fir d'Zuchspannung ze kompenséieren, déi duerch den Ënnerscheed an den thermeschen Ausdehnungskoeffizienten verursaacht gëtt, fir Rëss an der GaN-Epitaxialschicht um Siliziumsubstrat ze vermeiden. D'Fuerschung vum Krost weist, datt et eng positiv Korrelatioun tëscht der Déckt vun der AlN-Pufferschicht an der Reduktioun vun der Dehnung gëtt. Wann d'Déckt vun der Pufferschicht 12 nm erreecht, kann eng epitaktesch Schicht, déi méi déck wéi 6 μm ass, duerch e passend Wuessschema op engem Siliziumsubstrat ugebaut ginn, ouni datt d'epitaxial Schicht Rëss verursaacht.
No laangjäregen Efforte vun de Fuerscher gouf d'Qualitéit vun de GaN-Epitaxialschichten, déi op Siliziumsubstrater ugebaut goufen, däitlech verbessert, an Apparater wéi Feldeffekttransistoren, Schottky-Barrière-Ultraviolettdetektoren, blo-gréng LEDs an ultraviolettlaser hunn bedeitend Fortschrëtter gemaach.
Zesummegefaasst, well déi gängeg benotzt GaN-epitaxial Substrater all heterogen Epitaxie sinn, stinn se all mat gemeinsame Problemer wéi Gitterfehler a grouss Ënnerscheeder an den thermeschen Ausdehnungskoeffizienten a verschiddenem Grad. Homogen epitaxial GaN Substrater sinn duerch d'Reife vun der Technologie limitéiert, an d'Substrater goufen nach net a Masse produzéiert. D'Produktiounskäschte sinn héich, d'Substratgréisst ass kleng, an d'Substratqualitéit ass net ideal. D'Entwécklung vun neien GaN-epitaxialen Substrater an d'Verbesserung vun der epitaxialer Qualitéit sinn nach ëmmer ee vun de wichtege Faktoren, déi d'weider Entwécklung vun der GaN-epitaxialindustrie limitéieren.
IV. Allgemeng Methoden fir GaN-Epitaxie
MOCVD (chemesch Dampfdepositioun)
Et schéngt, datt homogen Epitaxie op GaN-Substrater déi bescht Wiel fir GaN-Epitaxie ass. Well d'Virleefer vun der chemescher Gasflagerung awer Trimethylgallium an Ammoniak sinn, an den Trägergas Waasserstoff ass, ass déi typesch MOCVD-Wuesstemperatur ongeféier 1000-1100 ℃, an d'Wuesstumsquote vu MOCVD ass ongeféier e puer Mikrometer pro Stonn. Et kann op atomarer Ebene steil Grenzflächen produzéieren, wat ganz gëeegent ass fir d'Wuesstum vun Heterojunktiounen, Quantebrunnen, Supergitter an aner Strukturen. Seng séier Wuesstumsquote, gutt Uniformitéit a Gëeegentheet fir groussflächeg a méistéckeg Wuesstum ginn dacks an der industrieller Produktioun benotzt.
MBE (Molekularstrahl-Epitaxie)
An der molekularer Strale-Epitaxie benotzt Ga eng elementar Quell, an aktiven Stickstoff gëtt aus Stickstoff iwwer RF-Plasma gewonnen. Am Verglach mat der MOCVD-Method ass d'MBE-Wuesstemperatur ongeféier 350-400 ℃ méi niddreg. Déi méi niddreg Wuesstemperatur kann eng gewësse Verschmotzung vermeiden, déi duerch héich Temperaturen verursaacht ka ginn. Den MBE-System funktionéiert ënner ultrahéichem Vakuum, wat et erlaabt, méi In-situ-Detektiounsmethoden z'integréieren. Gläichzäiteg kënnen seng Wuessrate a Produktiounskapazitéit net mat MOCVD verglach ginn, an et gëtt méi an der wëssenschaftlecher Fuerschung benotzt [7].
Figur 5 (eng) Eiko-MBE schematesch (b) MBE Haaptrei Chamber schematesch
HVPE-Method (Hydrid-Dampphase-Epitaxie)
D'Virleefer vun der Hydrid-Dampphase-Epitaxiemethod sinn GaCl3 an NH3. Den Detchprohm et al. hunn dës Method benotzt fir eng GaN-Epitaxschicht mat enger Déckt vu Honnerte vu Mikrometer op der Uewerfläch vun engem Saphirsubstrat ze wuessen. An hirem Experiment gouf eng Schicht ZnO tëscht dem Saphirsubstrat an der Epitaxschicht als Pufferschicht ugebaut, an d'Epitaxschicht gouf vun der Substratoberfläche ofgeschielt. Am Verglach mat MOCVD an MBE ass d'Haaptcharakteristik vun der HVPE-Method hir héich Wuestumsquote, déi fir d'Produktioun vun décke Schichten a Bulkmaterialien gëeegent ass. Wann d'Déckt vun der Epitaxschicht awer méi wéi 20 μm ass, ass d'Epitaxschicht, déi mat dëser Method produzéiert gëtt, ufälleg fir Rëss.
Akira USUI huet gemustert Substrattechnologie agefouert, déi op dëser Method baséiert ass. Si hunn als éischt eng dënn 1-1,5 μm déck GaN Epitaxschicht op engem Saphirsubstrat mat Hëllef vun der MOCVD-Method ugebaut. D'Epitaxschicht bestoung aus enger 20 nm décker GaN Pufferschicht, déi ënner niddregen Temperaturen ugebaut gouf, an enger GaN-Schicht, déi ënner héijen Temperaturen ugebaut gouf. Duerno gouf bei 430 ℃ eng Schicht SiO2 op d'Uewerfläch vun der Epitaxschicht platéiert, an et goufen Fënstersträifen op dem SiO2-Film duerch Photolithographie gemaach. Den Ofstand tëscht de Sträifen war 7 μm an d'Maskbreet louch tëscht 1 μm an 4 μm. No dëser Verbesserung hunn si eng GaN Epitaxschicht op engem Saphirsubstrat mat engem Duerchmiesser vun 2 Zoll kritt, déi ouni Rëss a sou glat wéi e Spigel war, och wann d'Déckt op Zénger oder souguer Honnerte vu Mikrometer eropgaangen ass. D'Defektdicht gouf vun 109-1010cm-2 vun der traditioneller HVPE-Method op ongeféier 6×107cm-2 reduzéiert. Si hunn am Experiment och drop higewisen, datt wann d'Wuesstumsquote 75 μm/h iwwerschratt huet, d'Uewerfläch vun der Prouf rauh géif ginn[8].
Figur 6 Grafescht Substratschema
V. Resumé an Ausblick
GaN-Materialien hunn am Joer 2014 ugefaangen opzetrieden, wéi déi blo Luucht-LED dat Joer den Nobelpräis fir Physik gewonnen huet, an an de Beräich vun de Schnellladeapplikatiounen am Beräich vun der Konsumentelektronik agaangen ass. Tatsächlech sinn och Uwendungen an de Leeschtungsverstärker an HF-Geräter, déi a 5G-Basisstatiounen benotzt ginn, déi déi meescht Leit net gesinn, roueg opgedaucht. An de leschte Joren gëtt erwaart, datt den Duerchbroch vu GaN-baséierten Automobil-Stroumgeräter nei Wuesstemspunkten fir de Maart fir GaN-Materialapplikatioune wäert opmaachen.
Déi enorm Maartnofro wäert sécherlech d'Entwécklung vun GaN-bezogenen Industrien an Technologien förderen. Mat der Reife an der Verbesserung vun der GaN-bezogener Industriekette wäerten d'Problemer, mat deenen déi aktuell GaN-Epitaxialtechnologie konfrontéiert ass, eventuell verbessert oder iwwerwonne ginn. An Zukunft wäerten d'Leit sécherlech méi nei epitaktesch Technologien an exzellent Substratoptiounen entwéckelen. Bis dohinner wäerten d'Leit fäeg sinn, déi gëeegentst extern Fuerschungstechnologie a Substrat fir verschidden Uwendungsszenarien no de Charakteristike vun den Uwendungsszenarien ze wielen an déi kompetitivst personaliséiert Produkter ze produzéieren.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 28. Juni 2024