1. Полупроводници од трета генерација
Полупроводничката технологија од првата генерација е развиена врз основа на полупроводнички материјали како што се Si и Ge. Таа е материјална основа за развој на транзистори и технологија на интегрирани кола. Полупроводничките материјали од првата генерација ги поставија темелите на електронската индустрија во 20 век и се основни материјали за технологија на интегрирани кола.
Полупроводничките материјали од втора генерација главно вклучуваат галиум арсенид, индиум фосфид, галиум фосфид, индиум арсенид, алуминиум арсенид и нивните тернерни соединенија. Полупроводничките материјали од втора генерација се основа на оптоелектронската информатичка индустрија. Врз основа на ова, развиени се сродни индустрии како што се осветлување, дисплеи, ласерски и фотоволтаични индустрии. Тие се широко користени во современите индустрии за информатичка технологија и оптоелектронски дисплеи.
Репрезентативни материјали на полупроводничките материјали од третата генерација вклучуваат галиум нитрид и силициум карбид. Поради нивниот широк енергетски јаз, висока брзина на поместување на електронската сатурација, висока топлинска спроводливост и висока јачина на распаѓачкото поле, тие се идеални материјали за подготовка на електронски уреди со висока густина на моќност, висока фреквенција и ниски загуби. Меѓу нив, уредите за напојување од силициум карбид имаат предности на висока густина на енергија, ниска потрошувачка на енергија и мала големина, и имаат широки перспективи за примена во возила со нова енергија, фотоволтаици, железнички транспорт, големи податоци и други области. RF уредите со галиум нитрид имаат предности на висока фреквенција, висока моќност, широк пропусен опсег, ниска потрошувачка на енергија и мала големина, и имаат широки перспективи за примена во 5G комуникациите, Интернет на нештата, воени радари и други области. Покрај тоа, уредите за напојување базирани на галиум нитрид се широко користени во нисконапонското поле. Покрај тоа, во последниве години, се очекува новите материјали од галиум оксид да формираат техничка комплементарност со постојните SiC и GaN технологии и да имаат потенцијални перспективи за примена во нискофреквентните и високонапонските полиња.
Во споредба со полупроводничките материјали од втората генерација, полупроводничките материјали од третата генерација имаат поширока ширина на енергетскиот јаз (ширината на енергетскиот јаз на Si, типичен материјал од полупроводничкиот материјал од првата генерација, е околу 1,1 eV, ширината на енергетскиот јаз на GaAs, типичен материјал од полупроводничкиот материјал од втората генерација, е околу 1,42 eV, а ширината на енергетскиот јаз на GaN, типичен материјал од полупроводничкиот материјал од третата генерација, е над 2,3 eV), посилна отпорност на зрачење, посилна отпорност на дефект на електричното поле и поголема отпорност на температура. Полупроводничките материјали од третата генерација со поширока ширина на енергетскиот јаз се особено погодни за производство на електронски уреди отпорни на зрачење, високофреквентни, со голема моќност и висока густина на интеграција. Нивната примена во уреди со микробранови радиофреквенции, LED диоди, ласери, уреди за напојување и други области привлече големо внимание и покажа широки перспективи за развој во мобилните комуникации, паметните мрежи, железничкиот транзит, возилата со нова енергија, потрошувачката електроника и уредите со ултравиолетово и сино-зелено светло [1].
Извор на слика: CASA, Институт за истражување на хартии од вредност „Жешанг“
Слика 1 Временска скала и прогноза за уредот за напојување со GaN
II структура и карактеристики на GaN материјалот
GaN е полупроводник со директен енергетски јаз. Ширината на енергетскиот јаз на вурцитната структура на собна температура е околу 3,26 eV. GaN материјалите имаат три главни кристални структури, имено вурцитска структура, сфалеритска структура и структура на камена сол. Меѓу нив, вурцитната структура е најстабилната кристална структура. Слика 2 е дијаграм на хексагоналната вурцитска структура на GaN. Вурцитната структура на GaN материјалот припаѓа на хексагонална тесно спакувана структура. Секоја единична ќелија има 12 атоми, вклучувајќи 6 N атоми и 6 Ga атоми. Секој атом на Ga (N) формира врска со 4-те најблиски N (Ga) атоми и е нареден по редоследот ABABAB… по должината на насоката [0001] [2].
Слика 2 Дијаграм на кристална ќелија од GaN со структура на вурцит
III Најчесто користени супстрати за GaN епитаксија
Се чини дека хомогената епитаксија на GaN супстрати е најдобриот избор за GaN епитаксија. Сепак, поради големата енергија на врската на GaN, кога температурата достигнува точка на топење од 2500℃, неговиот соодветен притисок на распаѓање е околу 4,5GPa. Кога притисокот на распаѓање е помал од овој притисок, GaN не се топи, туку се распаѓа директно. Ова ги прави технологиите за подготовка на зрели супстрати, како што е методот на Чохралски, несоодветни за подготовка на GaN монокристални супстрати, што ги прави GaN супстратите тешки за масовно производство и скапи. Затоа, супстратите што најчесто се користат во GaN епитаксијалниот раст се главно Si, SiC, сафир, итн. [3].
Табела 3 GaN и параметри на најчесто користени материјали за подлога
GaN епитаксија на сафир
Сафирот има стабилни хемиски својства, е евтин и има висока зрелост во индустријата за производство на големи количини. Затоа, тој стана еден од најраните и најшироко користени материјали за подлоги во инженерството на полупроводнички уреди. Како еден од најчесто користените подлоги за GaN епитаксија, главните проблеми што треба да се решат за подлогите од сафир се:
✔ Поради големото несовпаѓање на решетката помеѓу сафирот (Al2O3) и GaN (околу 15%), густината на дефектите на интерфејсот помеѓу епитаксијалниот слој и подлогата е многу висока. За да се намалат неговите негативни ефекти, подлогата мора да биде подложена на сложен претходен третман пред да започне процесот на епитаксија. Пред одгледување на GaN епитаксија на сафирни подлоги, површината на подлогата прво мора строго да се исчисти за да се отстранат загадувачите, преостанатото оштетување од полирање итн., и да се создадат чекори и површински структури на чекори. Потоа, површината на подлогата се нитридира за да се променат својствата на влажнење на епитаксијалниот слој. Конечно, тенок AlN тампон слој (обично со дебелина од 10-100 nm) треба да се нанесе на површината на подлогата и да се жари на ниска температура за да се подготви за конечниот епитаксијален раст. Сепак, густината на дислокација кај GaN епитаксијалните филмови одгледувани на сафирни супстрати е сè уште поголема од онаа кај хомеепитаксијалните филмови (околу 1010 cm-2, во споредба со суштински нулта густина на дислокација кај силициум хомеепитаксијалните филмови или галиум арсенид хомеепитаксијалните филмови, или помеѓу 102 и 104 cm-2). Повисоката густина на дефекти ја намалува подвижноста на носителите, со што се скратува животниот век на малцинските носители и се намалува топлинската спроводливост, што сето тоа ќе ги намали перформансите на уредот [4];
✔ Коефициентот на термичка експанзија на сафирот е поголем од оној на GaN, па затоа биаксијален компресивен стрес ќе се генерира во епитаксијалниот слој за време на процесот на ладење од температурата на таложење до собна температура. За подебели епитаксијални филмови, овој стрес може да предизвика пукање на филмот или дури и на подлогата;
✔ Во споредба со другите подлоги, топлинската спроводливост на сафирните подлоги е помала (околу 0,25W*cm-1*K-1 на 100℃), а перформансите на дисипација на топлина се слаби;
✔ Поради слабата спроводливост, сафирните подлоги не се погодни за нивна интеграција и примена со други полупроводнички уреди.
Иако густината на дефекти на епитаксијалните слоеви од GaN одгледувани на сафирни супстрати е висока, се чини дека тоа не ги намалува значително оптоелектронските перформанси на сино-зелените LED диоди базирани на GaN, па затоа сафирните супстрати сè уште се најчесто користени супстрати за LED диоди базирани на GaN.
Со развојот на повеќе нови апликации на GaN уреди како што се ласери или други уреди со висока густина на моќност, вродените дефекти на сафирните подлоги сè повеќе стануваат ограничување за нивната примена. Покрај тоа, со развојот на технологијата за раст на SiC подлога, намалувањето на трошоците и зрелоста на GaN епитаксијалната технологија на Si подлоги, повеќе истражувања за одгледување на GaN епитаксијални слоеви на сафирни подлоги постепено покажаа тренд на ладење.
GaN епитаксија на SiC
Во споредба со сафирот, SiC подлогите (4H- и 6H-кристали) имаат помало несовпаѓање на решетката со GaN епитаксијалните слоеви (3,1%, еквивалентно на [0001] ориентирани епитаксијални филмови), поголема топлинска спроводливост (околу 3,8W*cm-1*K-1) итн. Покрај тоа, спроводливоста на SiC подлогите овозможува и електрични контакти на задната страна од подлогата, што помага да се поедностави структурата на уредот. Постоењето на овие предности привлекува сè повеќе истражувачи да работат на GaN епитаксија на силициум карбидни подлоги.
Сепак, работењето директно на SiC подлоги за да се избегне растење на GaN епилослоеви, исто така, се соочува со низа недостатоци, вклучувајќи ги следниве:
✔ Површинската грубост на SiC подлогите е многу поголема од онаа на сафирните подлоги (сафирска грубост 0,1nm RMS, SiC грубост 1nm RMS), SiC подлогите имаат висока тврдост и слаби перформанси на обработка, а оваа грубост и преостанато оштетување од полирање се исто така еден од изворите на дефекти кај GaN епиловите.
✔ Густината на дислокацијата на завртките на SiC подлогите е висока (густина на дислокација 103-104cm-2), дислокациите на завртките може да се прошират на GaN епилорот и да ги намалат перформансите на уредот;
✔ Атомскиот распоред на површината на подлогата предизвикува формирање на редење на раседи (BSF) во епитаксијалниот GaN слој на SiC подлоги, постојат повеќе можни атомски распореди на подлогата, што резултира со неконзистентен почетен атомски редослед на редење на епитаксијалниот GaN слој на него, кој е склонен кон редење на раседи. Редењето на раседи (SF) воведува вградени електрични полиња по должината на c-оската, што доведува до проблеми како што се истекување на уреди за одвојување на носители во рамнината;
✔ Коефициентот на термичка експанзија на SiC подлогата е помал од оној на AlN и GaN, што предизвикува акумулација на термички стрес помеѓу епитаксијалниот слој и подлогата за време на процесот на ладење. Валтерејт и Бренд предвидоа, врз основа на резултатите од нивното истражување, дека овој проблем може да се ублажи или реши со одгледување на GaN епитаксијални слоеви на тенки, кохерентно затегнати слоеви на AlN нуклеација;
✔ Проблемот со слабата навлажнливост на атомите на Ga. При одгледување на епитаксијални слоеви на GaN директно на површината на SiC, поради слабата навлажнливост помеѓу двата атома, GaN е склонен кон раст на 3D острови на површината на подлогата. Воведувањето на тампон слој е најчесто користеното решение за подобрување на квалитетот на епитаксијалните материјали во GaN епитаксија. Воведувањето на AlN или AlxGa1-xN тампон слој може ефикасно да ја подобри навлажнливоста на површината на SiC и да го направи епитаксијалниот слој на GaN да расте во две димензии. Покрај тоа, може да го регулира и стресот и да спречи дефектите на подлогата да се прошират на GaN епитаксија;
✔ Технологијата за подготовка на SiC подлоги е незрела, цената на подлогата е висока, а има малку добавувачи и мала понуда.
Истражувањето на Торес и сор. покажува дека јорганизирањето на SiC подлогата со H2 на висока температура (1600°C) пред епитаксија може да произведе поуредна чекорна структура на површината на подлогата, со што се добива епитаксијален филм од AlN со повисок квалитет отколку кога се одгледува директно на оригиналната површина на подлогата. Истражувањето на Сие и неговиот тим, исто така, покажува дека претходната обработка со јорганизирање на подлогата од силициум карбид може значително да ја подобри површинската морфологија и квалитетот на кристалите на епитаксијалниот слој од GaN. Смит и сор. откриле дека навојните дислокации што потекнуваат од интерфејсите на подлогата/тампон слојот и тампон слојот/епитаксијалниот слој се поврзани со рамноста на подлогата [5].
Слика 4 TEM морфологија на примероци од GaN епитаксијален слој одгледувани на 6H-SiC подлога (0001) под различни услови на површинска обработка (а) хемиско чистење; (б) хемиско чистење + третман со водородна плазма; (в) хемиско чистење + третман со водородна плазма + термичка обработка со водород на 1300℃ водород во тек на 30 минути
GaN епитаксија на Si
Во споредба со силициум карбид, сафир и други супстрати, процесот на подготовка на силициумска супстрат е зрел и може стабилно да обезбеди зрели супстрати со големи димензии со високи трошоци. Во исто време, топлинската спроводливост и електричната спроводливост се добри, а процесот на Si електронски уреди е зрел. Можноста за совршено интегрирање на оптоелектронски GaN уреди со Si електронски уреди во иднина, исто така, го прави растот на GaN епитаксија на силициум многу привлечен.
Сепак, поради големата разлика во константите на решетката помеѓу Si подлогата и GaN материјалот, хетерогената епитаксија на GaN на Si подлога е типична епитаксија со големо несовпаѓање и исто така треба да се соочи со низа проблеми:
✔ Проблем со енергијата на површинскиот интерфејс. Кога GaN расте на Si подлога, површината на Si подлогата прво ќе биде нитридирана за да се формира аморфен слој од силициум нитрид кој не е погоден за нуклеација и раст на GaN со висока густина. Покрај тоа, површината на Si прво ќе дојде во контакт со Ga, што ќе ја кородира површината на Si подлогата. На високи температури, распаѓањето на површината на Si ќе дифундира во епитаксијалниот слој на GaN за да се формираат црни силициумски точки.
✔ Несовпаѓањето на константите на решетката помеѓу GaN и Si е големо (~17%), што ќе доведе до формирање на дислокации на навој со висока густина и значително ќе го намали квалитетот на епитаксијалниот слој;
✔ Во споредба со Si, GaN има поголем коефициент на термичка експанзија (коефициентот на термичка експанзија на GaN е околу 5,6×10-6K-1, коефициентот на термичка експанзија на Si е околу 2,6×10-6K-1), а може да се создадат пукнатини во епитаксијалниот слој на GaN за време на ладењето на епитаксијалната температура на собна температура;
✔ Si реагира со NH3 на високи температури за да формира поликристален SiNx. AlN не може да формира преференцијално ориентирано јадро на поликристален SiNx, што доведува до нарушена ориентација на последователно растечкиот слој GaN и голем број дефекти, што резултира со слаб квалитет на кристалот на епитаксијалниот слој на GaN, па дури и тешкотии при формирање на монокристален епитаксијален слој на GaN [6].
За да се реши проблемот со големо несовпаѓање на решетката, истражувачите се обиделе да воведат материјали како што се AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO и SiC како тампон слоеви на Si подлоги. За да се избегне формирање на поликристален SiNx и да се намалат неговите негативни ефекти врз квалитетот на кристалите на материјалите GaN/AlN/Si (111), обично е потребно TMAl да се воведе одреден временски период пред епитаксијалниот раст на тампон слојот AlN за да се спречи NH3 да реагира со изложената површина на Si за да се формира SiNx. Покрај тоа, епитаксијалните технологии како што е технологијата на шарена подлога може да се користат за подобрување на квалитетот на епитаксијалниот слој. Развојот на овие технологии помага да се инхибира формирањето на SiNx на епитаксијалниот интерфејс, да се промовира дводимензионалниот раст на епитаксијалниот слој GaN и да се подобри квалитетот на растот на епитаксијалниот слој. Покрај тоа, се воведува тампон слој AlN за да се компензира затегнувачкиот стрес предизвикан од разликата во коефициентите на термичка експанзија за да се избегнат пукнатини во епитаксијалниот слој GaN на силициумската подлога. Истражувањето на Крост покажува дека постои позитивна корелација помеѓу дебелината на пуферскиот слој од AlN и намалувањето на напрегањето. Кога дебелината на пуферскиот слој ќе достигне 12 nm, епитаксијален слој подебел од 6 μm може да се одгледува на силиконска подлога преку соодветна шема на раст без пукање на епитаксијалниот слој.
По долгогодишни напори од страна на истражувачите, квалитетот на епитаксијалните слоеви од GaN одгледувани на силиконски подлоги е значително подобрен, а уреди како што се транзистори со ефект на поле, ултравиолетови детектори со Шоткиева бариера, сино-зелени LED диоди и ултравиолетови ласери постигнаа значителен напредок.
Накратко, бидејќи најчесто користените GaN епитаксијални супстрати се сите хетерогени епитаксијални, сите тие се соочуваат со заеднички проблеми како што се несовпаѓање на решетката и големи разлики во коефициентите на термичка експанзија до различен степен. Хомогените епитаксијални GaN супстрати се ограничени од зрелоста на технологијата, а супстратите сè уште не се масовно произведени. Цената на производство е висока, големината на супстратот е мала, а квалитетот на супстратот не е идеален. Развојот на нови GaN епитаксијални супстрати и подобрувањето на епитаксијалниот квалитет се сè уште еден од важните фактори што го ограничуваат понатамошниот развој на GaN епитаксијалната индустрија.
IV. Вообичаени методи за GaN епитаксија
MOCVD (хемиско таложење на пареа)
Се чини дека хомогената епитаксија на GaN супстрати е најдобриот избор за GaN епитаксија. Меѓутоа, бидејќи прекурсорите на хемиско таложење на пареа се триметилгалиум и амонијак, а гасот-носач е водород, типичната температура на раст на MOCVD е околу 1000-1100℃, а стапката на раст на MOCVD е околу неколку микрони на час. Може да произведе стрмни интерфејси на атомско ниво, што е многу погодно за одгледување хетероспојки, квантни бунари, суперрешетки и други структури. Неговата брза стапка на раст, добрата униформност и соодветноста за раст на големи површини и повеќеделни делови често се користат во индустриското производство.
MBE (молекуларна зрачна епитаксија)
Во молекуларната зрачна епитаксија, Ga користи елементарен извор, а активниот азот се добива од азот преку RF плазма. Во споредба со методот MOCVD, температурата на раст на MBE е околу 350-400℃ пониска. Пониската температура на раст може да избегне одредено загадување што може да биде предизвикано од средини со висока температура. MBE системот работи под ултра висок вакуум, што му овозможува да интегрира повеќе методи за детекција in-situ. Во исто време, неговата стапка на раст и производствен капацитет не можат да се споредат со MOCVD, и повеќе се користи во научни истражувања [7].
Слика 5 (а) Шема на Eiko-MBE (б) Шема на комората за главна реакција на MBE
HVPE метод (хидридна парна фаза епитаксија)
Прекурсорите на методот на хидридна епитаксија во парна фаза се GaCl3 и NH3. Дечпром и сор. го користеле овој метод за да одгледаат епитаксијален слој од GaN со дебелина од стотици микрони на површината на сафирната подлога. Во нивниот експеримент, слој од ZnO бил одгледан помеѓу сафирната подлога и епитаксијалниот слој како тампон слој, а епитаксијалниот слој бил излупен од површината на подлогата. Во споредба со MOCVD и MBE, главната карактеристика на HVPE методот е неговата висока стапка на раст, што е погодно за производство на дебели слоеви и рефус материјали. Меѓутоа, кога дебелината на епитаксијалниот слој надминува 20μm, епитаксијалниот слој произведен со овој метод е склонен кон пукнатини.
Акира УСУИ воведе технологија на шарена подлога базирана на овој метод. Прво одгледаа тенок епитаксијален слој од GaN со дебелина од 1-1,5 μm на сафирна подлога користејќи го методот MOCVD. Епитаксијалниот слој се состоеше од пуферски слој од GaN со дебелина од 20 nm одгледуван под услови на ниска температура и слој од GaN одгледуван под услови на висока температура. Потоа, на 430℃, слој од SiO2 беше поставен на површината на епитаксијалниот слој, а на филмот од SiO2 беа направени прозорски ленти со фотолитографија. Растојанието меѓу лентите беше 7 μm, а ширината на маската се движеше од 1 μm до 4 μm. По ова подобрување, тие добија епитаксијален слој од GaN на сафирна подлога со дијаметар од 2 инчи, кој беше без пукнатини и мазен како огледало, дури и кога дебелината се зголеми на десетици или дури стотици микрони. Густината на дефектите беше намалена од 109-1010 cm-2 од традиционалниот HVPE метод на околу 6×107 cm-2. Тие исто така во експериментот истакнаа дека кога стапката на раст ќе надмине 75μm/h, површината на примерокот ќе стане груба [8].
Слика 6 Графичка шема на подлогата
V. Резиме и перспектива
Материјалите од GaN почнаа да се појавуваат во 2014 година, кога сината LED диода ја освои Нобеловата награда за физика таа година и влезе во јавното поле на апликации за брзо полнење во областа на потрошувачката електроника. Всушност, апликациите во засилувачите на енергија и RF уредите што се користат во 5G базните станици што повеќето луѓе не можат да ги видат, исто така, тивко се појавија. Во последниве години, се очекува пробивот на уредите за напојување базирани на GaN за автомобилски потреби да отвори нови точки на раст за пазарот на апликации за GaN материјали.
Огромната побарувачка на пазарот сигурно ќе го промовира развојот на индустриите и технологиите поврзани со GaN. Со зрелоста и подобрувањето на индустрискиот синџир поврзан со GaN, проблемите со кои се соочува моменталната епитаксијална технологија на GaN на крајот ќе бидат подобрени или надминати. Во иднина, луѓето сигурно ќе развијат повеќе нови епитаксијални технологии и поодлични опции за подлога. Дотогаш, луѓето ќе можат да ја изберат најсоодветната надворешна истражувачка технологија и подлога за различни сценарија на примена според карактеристиките на сценаријата на примена и да произведуваат најконкурентни производи по мерка.
Време на објавување: 28 јуни 2024 година