1. דריטע-דור האַלב-קאָנדוקטאָרן
די ערשטע-דור האַלב-קאָנדוקטאָר טעכנאָלאָגיע איז דעוועלאָפּעד געוואָרן באַזירט אויף האַלב-קאָנדוקטאָר מאַטעריאַלן ווי סיליקאָן און גע. דאָס איז די מאַטעריאַלע באַזע פֿאַר דער אַנטוויקלונג פון טראַנזיסטאָרן און אינטעגרירטע קרייז טעכנאָלאָגיע. די ערשטע-דור האַלב-קאָנדוקטאָר מאַטעריאַלן האָבן געלייגט דעם יסוד פֿאַר דער עלעקטראָנישער אינדוסטריע אין 20סטן יאָרהונדערט און זענען די גרונט מאַטעריאַלן פֿאַר אינטעגרירטע קרייז טעכנאָלאָגיע.
די צווייטע-דור האַלב-קאָנדוקטאָר מאַטעריאַלן אַרייַננעמען דער הויפּט גאַליום אַרסעניד, אינדיום פאָספיד, גאַליום פאָספיד, אינדיום אַרסעניד, אַלומינום אַרסעניד און זייערע טערנערי קאַמפּאַונדז. די צווייטע-דור האַלב-קאָנדוקטאָר מאַטעריאַלן זענען די יסוד פון דער אָפּטאָעלעקטראָנישער אינפֿאָרמאַציע אינדוסטריע. אויף דעם באַזיס, זענען פֿאַרבונדענע אינדוסטריעס ווי לייטינג, דיספּליי, לאַזער און פאָטאָוואָלטאַיקס דעוועלאָפּעד געוואָרן. זיי ווערן ברייט געניצט אין היינטיקע אינפֿאָרמאַציע טעכנאָלאָגיע און אָפּטאָעלעקטראָנישע דיספּליי אינדוסטריעס.
רעפּרעזענטאַטיווע מאַטעריאַלן פון די דריט-דור האַלב-קאָנדוקטאָר מאַטעריאַלן אַרייַננעמען גאַליום ניטרידע און סיליקאָן קאַרבידע. צוליב זייער ברייט באַנד גאַפּ, הויך עלעקטראָן סאַטוראַציע דריפט גיכקייט, הויך טערמישע קאַנדאַקטיוויטי, און הויך ברייקדאַון פעלד שטאַרקייט, זיי זענען ידעאַל מאַטעריאַלן פֿאַר צוגרייטן הויך-מאַכט געדיכטקייט, הויך-פרעקווענץ, און נידעריק-פאַרלוסט עלעקטראָנישע דעוויסעס. צווישן זיי, סיליקאָן קאַרבידע מאַכט דעוויסעס האָבן די אַדוואַנידזשיז פון הויך ענערגיע געדיכטקייט, נידעריק ענערגיע קאַנסאַמשאַן, און קליין גרייס, און האָבן ברייט אַפּלאַקיישאַן פּראַספּעקס אין נייַע ענערגיע וועהיקלעס, פאָטאָוואָלטאַיקס, באַן טראַנספּאָרטאַציע, גרויס דאַטן, און אנדערע פעלדער. גאַליום ניטרידע RF דעוויסעס האָבן די אַדוואַנידזשיז פון הויך פרעקווענץ, הויך מאַכט, ברייט באַנדווידט, נידעריק מאַכט קאַנסאַמשאַן און קליין גרייס, און האָבן ברייט אַפּלאַקיישאַן פּראַספּעקס אין 5G קאָמוניקאַציע, די אינטערנעט פון זאכן, מיליטעריש ראַדאַר און אנדערע פעלדער. אין דערצו, גאַליום ניטרידע-באַזירט מאַכט דעוויסעס זענען וויידלי געניצט אין די נידעריק-וואָולטידזש פעלד. אין דערצו, אין די לעצטע יאָרן, ימערדזשינג גאַליום אָקסייד מאַטעריאַלס זענען געריכט צו פאָרעם טעכניש קאַמפּלאַמענטאַריטי מיט יגזיסטינג SiC און GaN טעקנאַלאַדזשיז, און האָבן פּאָטענציעל אַפּלאַקיישאַן פּראַספּעקס אין די נידעריק-פרעקווענץ און הויך-וואָולטידזש פעלדער.
קאַמפּערד מיט די צווייטע-דור האַלב-קאָנדוקטאָר מאַטעריאַלן, די דריטע-דור האַלב-קאָנדוקטאָר מאַטעריאַלן האָבן אַ ברייטערע באַנדגאַפּ ברייט (די באַנדגאַפּ ברייט פון Si, אַ טיפּיש מאַטעריאַל פון דער ערשטער-דור האַלב-קאָנדוקטאָר מאַטעריאַל, איז וועגן 1.1 eV, די באַנדגאַפּ ברייט פון GaAs, אַ טיפּיש מאַטעריאַל פון דער צווייטער-דור האַלב-קאָנדוקטאָר מאַטעריאַל, איז וועגן 1.42 eV, און די באַנדגאַפּ ברייט פון GaN, אַ טיפּיש מאַטעריאַל פון דער דריטער-דור האַלב-קאָנדוקטאָר מאַטעריאַל, איז העכער 2.3 eV), שטאַרקערע ראַדיאַציע קעגנשטעל, שטאַרקערע קעגנשטעל צו עלעקטריש פעלד ברייקדאַון, און העכער טעמפּעראַטור קעגנשטעל. די דריטע-דור האַלב-קאָנדוקטאָר מאַטעריאַלן מיט אַ ברייטערע באַנדגאַפּ ברייט זענען באַזונדער פּאַסיק פֿאַר דער פּראָדוקציע פון ראַדיאַציע-קעגנשטעליק, הויך-פרעקווענץ, הויך-מאַכט און הויך-אינטעגראַציע-דענסיטי עלעקטראָנישע דעוויסעס. זייערע אַפּליקאַציעס אין מייקראַווייוו ראַדיאָ פרעקווענץ דעוויסעס, LEDs, לייזערס, מאַכט דעוויסעס און אנדערע פעלדער האָבן געצויגן פיל ופֿמערקזאַמקייט, און זיי האָבן געוויזן ברייט אַנטוויקלונג פּראַספּעקס אין מאָביל קאָמוניקאַציע, קלוג גרידס, באַן טראַנסיט, נייַ ענערגיע וועהיקלעס, קאַנסומער עלעקטראָניק, און אַלטראַווייאַליט און בלוי-גרין ליכט דעוויסעס [1].
בילד מקור: CASA, זשעשאַנג סעקיוריטיז ריסערטש אינסטיטוט
פיגור 1 GaN מאַכט מיטל צייט וואָג און פאָרויסזאָגן
II GaN מאַטעריאַל סטרוקטור און קעראַקטעריסטיקס
GaN איז אַ דירעקטער באַנדגאַפּ האַלב-קאָנדוקטאָר. די באַנדגאַפּ ברייט פון דער וואָרציט סטרוקטור ביי צימער טעמפּעראַטור איז אַרום 3.26 eV. GaN מאַטעריאַלן האָבן דריי הויפּט קריסטאַל סטרוקטורן, נעמלעך וואָרציט סטרוקטור, ספאַלעריט סטרוקטור און שטיין זאַלץ סטרוקטור. צווישן זיי, די וואָרציט סטרוקטור איז די מערסט סטאַביל קריסטאַל סטרוקטור. פיגור 2 איז אַ דיאַגראַם פון דער העקסאַגאָנאַלער וואָרציט סטרוקטור פון GaN. די וואָרציט סטרוקטור פון GaN מאַטעריאַל געהערט צו אַ העקסאַגאָנאַל נאָענט-פּאַקט סטרוקטור. יעדע יוניט צעל האט 12 אַטאָמען, אַרייַנגערעכנט 6 N אַטאָמען און 6 Ga אַטאָמען. יעדער Ga (N) אַטאָם פאָרמירט אַ בונד מיט די 4 נענטסטע N (Ga) אַטאָמען און איז סטאַקט אין דער סדר פון ABABAB… צוזאמען די [0001] ריכטונג [2].
פיגור 2 ווארטזיט סטרוקטור GaN קריסטאַל צעל דיאַגראַם
III אָפט געניצטע סאַבסטראַטן פֿאַר GaN עפּיטאַקסי
עס שיינט אז האָמאָגענע עפּיטאַקסי אויף GaN סאַבסטראַטן איז די בעסטע ברירה פֿאַר GaN עפּיטאַקסי. אָבער, צוליב דער גרויסער בונד ענערגיע פון GaN, ווען די טעמפּעראַטור דערגרייכט דעם שמעלץ פונקט פון 2500℃, איז זיין קאָרעספּאָנדירנדיקער דעקאָמפּאָזיציע דרוק בערך 4.5GPa. ווען דער דעקאָמפּאָזיציע דרוק איז נידעריקער ווי דעם דרוק, שמעלצט GaN נישט נאָר צעפֿאַלט זיך גלייך. דאָס מאַכט דערוואַקסענע סאַבסטראַט צוגרייטונג טעכנאָלאָגיעס ווי די טשאָטשראַלסקי מעטאָדע נישט פּאַסיק פֿאַר דער צוגרייטונג פון GaN איין קריסטאַל סאַבסטראַטן, מאַכנדיג GaN סאַבסטראַטן שווער צו מאַסע פּראָדוצירן און טייַער. דעריבער, די סאַבסטראַטן וואָס ווערן געוויינטלעך געניצט אין GaN עפּיטאַקסיאַל וווּקס זענען דער הויפּט Si, SiC, סאַפֿיר, עטק. [3].
טשאַרט 3 GaN און פּאַראַמעטערס פון אָפט געניצטע סאַבסטראַט מאַטעריאַלן
GaN עפּיטאַקסי אויף סאַפיר
סאַפיר האט סטאַבילע כעמישע אייגנשאַפטן, איז ביליק, און האט אַ הויכע צייַטיקייט פון גרויס-וואָג פּראָדוקציע אינדוסטריע. דעריבער, איז עס געוואָרן איינער פון די ערשטע און מערסט וויידלי געניצטע סאַבסטראַט מאַטעריאַלן אין האַלב-קאָנדוקטאָר מיטל אינזשעניריע. ווי איינער פון די אָפט געניצטע סאַבסטראַטן פֿאַר GaN עפּיטאַקסי, די הויפּט פּראָבלעמען וואָס דאַרפֿן צו זיין סאַלווד פֿאַר סאַפיר סאַבסטראַטן זענען:
✔ צוליב דעם גרויסן גיטער-אומגלייכקייט צווישן סאַפיר (Al2O3) און GaN (ארום 15%), איז די דעפעקט-געדיכטקייט ביים גרענעץ צווישן דער עפּיטאַקסיאַלער שיכט און דעם סאַבסטראַט זייער הויך. כּדי צו רעדוצירן זיינע נעגאַטיווע ווירקונגען, מוז דער סאַבסטראַט אונטערגעוואָרפן ווערן צו אַ קאָמפּליצירטער פאָרבאַהאַנדלונג איידער דער עפּיטאַקסיע פּראָצעס הייבט זיך אָן. איידער מען וואַקסט GaN עפּיטאַקסיע אויף סאַפיר סאַבסטראַטן, מוז די סאַבסטראַט-אויבערפלאַך ערשט שטרענג ריין געמאַכט ווערן צו באַזײַטיקן קאַנטאַמאַנאַנץ, רעשטלעך פּאָליר-שאָדן, אאז"וו, און צו פּראָדוצירן טרעפּ און טרעפּ-אויבערפלאַך סטרוקטורן. דערנאָך ווערט די סאַבסטראַט-אויבערפלאַך ניטרידירט צו ענדערן די נאַס-אייגנשאפטן פון דער עפּיטאַקסיאַלער שיכט. צום סוף, דאַרף מען אָפּלייגן אַ דין AlN באַפער-שיכט (געוויינטלעך 10-100 נאַנאָמעטער דיק) אויף דער סאַבסטראַט-אויבערפלאַך און אָפּגעגליט ווערן ביי אַ נידעריקער טעמפּעראַטור צו צוגרייטן זיך צום לעצטן עפּיטאַקסיאַלן וואוקס. אפילו אזוי, די דיסלאקאציע געדיכטקייט אין GaN עפּיטאַקסיאַל פילמען וואָס וואַקסן אויף סאַפייער סאַבסטראַטן איז נאָך העכער ווי די פון האָמאָעפּיטאַקסיאַל פילמען (וועגן 1010cm-2, קאַמפּערד מיט עסענטשאַלי נול דיסלאקאציע געדיכטקייט אין סיליקאָן האָמאָעפּיטאַקסיאַל פילמען אָדער גאַליום אַרסעניד האָמאָעפּיטאַקסיאַל פילמען, אָדער צווישן 102 און 104cm-2). די העכערע דעפעקט געדיכטקייט ראַדוסאַז טרעגער מאָביליטי, דערמיט פאַרקירצן מינאָריטי טרעגער לעבן און רעדוצירן טערמאַל קאַנדאַקטיוויטי, אַלע פון וואָס וועט רעדוצירן מיטל פאָרשטעלונג [4];
✔ דער טערמישער אויסברייטונג קאעפיציענט פון סאפיר איז גרעסער ווי יענער פון GaN, ממילא וועט בייאקסיאַלער קאמפרעסיווער דרוק ווערן גענערירט אין דער עפּיטאַקסיאַלער שיכט בעת דעם פּראָצעס פון קילן זיך פון דער דעפּאָזיציע טעמפּעראַטור צו צימער טעמפּעראַטור. ביי דיקערע עפּיטאַקסיאַלע פילמען, קען דער דרוק פאַראורזאַכן קראַקינג פון דער פילם אָדער אפילו דעם סאַבסטראַט;
✔ קאַמפּערד מיט אַנדערע סאַבסטראַטן, די טערמישע קאַנדאַקטיוויטי פון סאַפייער סאַבסטראַטן איז נידעריקער (וועגן 0.25W*cm-1*K-1 ביי 100 ℃), און די היץ דיסיפּיישאַן פאָרשטעלונג איז שלעכט;
✔ צוליב זייער שלעכטער קאַנדאַקטיוויטי, זענען סאַפיר סאַבסטראַטן נישט גינסטיק צו זייער אינטעגראַציע און אַפּליקאַציע מיט אַנדערע האַלב-קאָנדוקטאָר דעוויסעס.
כאָטש די דעפעקט געדיכטקייט פון GaN עפּיטאַקסיאַל לייַערס וואָס וואַקסן אויף סאַפייער סאַבסטראַטן איז הויך, עס מיינט נישט צו באַדייטנד רעדוצירן די אָפּטאָעלעקטראָניק פאָרשטעלונג פון GaN-באַזירט בלוי-גרין LEDs, אַזוי סאַפייער סאַבסטראַטן זענען נאָך אָפט געניצט סאַבסטראַטן פֿאַר GaN-באַזירט LEDs.
מיט דער אַנטוויקלונג פון מער נייע אַפּליקאַציעס פון GaN דעוויסעס ווי לייזערס אָדער אנדערע הויך-דענסיטי מאַכט דעוויסעס, די ינכעראַנט חסרונות פון סאַפייער סאַבסטראַטן זענען מער און מער געוואָרן אַ לימיטאַציע אויף זייער אַפּליקאַציע. אין דערצו, מיט דער אַנטוויקלונג פון SiC סאַבסטראַט וווּקס טעכנאָלאָגיע, קאָסטן רעדוקציע און די צייַטיקייַט פון GaN עפּיטאַקסיאַל טעכנאָלאָגיע אויף Si סאַבסטראַטן, מער פאָרשונג אויף גראָוינג GaN עפּיטאַקסיאַל לייַערס אויף סאַפייער סאַבסטראַטן האט ביסלעכווייַז געוויזן אַ קילן גאַנג.
GaN עפּיטאַקסיס אויף SiC
קאַמפּערד מיט סאַפיר, האָבן SiC סאַבסטראַטן (4H- און 6H-קריסטאַלן) אַ קלענערע גיטער-מיסמאַטש מיט GaN עפּיטאַקסיאַל שיכטן (3.1%, עקוויוואַלענט צו [0001] אָריענטירטע עפּיטאַקסיאַל פילמען), העכערע טערמישע קאַנדאַקטיוויטי (וועגן 3.8W*cm-1*K-1), עטק. אין דערצו, די קאַנדאַקטיוויטי פון SiC סאַבסטראַטן דערמעגלעכט אויך עלעקטרישע קאָנטאַקטן צו ווערן געמאַכט אויף דער צוריק פון דעם סאַבסטראַט, וואָס העלפֿט צו פאַרפּשוטערן די מיטל סטרוקטור. די עקזיסטענץ פון די מעלות האט געצויגן מער און מער פאָרשער צו אַרבעטן אויף GaN עפּיטאַקסי אויף סיליקאָן קאַרבייד סאַבסטראַטן.
אבער, ארבעטן גלייך אויף SiC סאַבסטראַטן צו ויסמיידן גראָוינג GaN עפּילייערס אויך פייסט מיט אַ סעריע פון כיסאָרס, אַרייַנגערעכנט די פאלגענדע:
✔ די ייבערפלאַך ראַפנאַס פון SiC סאַבסטראַטן איז פיל העכער ווי די פון סאַפייער סאַבסטראַטן (סאַפייער ראַפנאַס 0.1 נם RMS, SiC ראַפנאַס 1 נם RMS), SiC סאַבסטראַטן האָבן הויך כאַרדנאַס און שלעכט פּראַסעסינג פאָרשטעלונג, און דעם ראַפנאַס און רעשט פּאַלישינג שעדיקן זענען אויך איינער פון די קוואלן פון חסרונות אין GaN עפּילייערז.
✔ די שרויף דיסלאָקאַציע געדיכטקייט פון SiC סאַבסטראַטן איז הויך (דיסלאָקאַציע געדיכטקייט 103-104cm-2), שרויף דיסלאָקאַציעס קענען זיך פאַרשפּרייטן צו די GaN עפּילייער און רעדוצירן די פאָרשטעלונג פון די מיטל;
✔ די אַטאָמישע אָרדענונג אויף דער סאַבסטראַט ייבערפלאַך אינדוצירט די פאָרמירונג פון סטאַקינג חסרונות (BSFs) אין די GaN עפּילייער. פֿאַר עפּיטאַקסיאַל GaN אויף SiC סאַבסטראַטן, עס זענען קייפל מעגלעכע אַטאָמישע אָרדענונגען אויף דעם סאַבסטראַט, ריזאַלטינג אין ינקאָנסיסטענט ערשט אַטאָמישע סטאַקינג סדר פון די עפּיטאַקסיאַל GaN שיכט אויף אים, וואָס איז פּראָנע צו סטאַקינג חסרונות. סטאַקינג חסרונות (SFs) פירן צו איינגעבויטע עלעקטרישע פעלדער צוזאמען די c-אַקס, וואָס פירט צו פּראָבלעמען אַזאַ ווי ליקאַדזש פון אין-פּלאַן טרעגער סעפּאַראַציע דעוויסעס;
✔ דער טערמישער אויסברייטונג קאעפיציענט פון SiC סאַבסטראַט איז קלענער ווי יענער פון AlN און GaN, וואָס פאַראורזאַכט טערמישע דרוק אַקיומיאַליישאַן צווישן די עפּיטאַקסיאַל שיכט און די סאַבסטראַט בעשאַס דעם קאָאָלינג פּראָצעס. וואַלטערייט און בראַנד האָבן פאָרויסגעזאָגט באַזירט אויף זייערע פאָרשונג רעזולטאַטן אַז דעם פּראָבלעם קען זיין פֿאַרלייכטערט אָדער סאַלווד דורך גראָוינג GaN עפּיטאַקסיאַל לייַערס אויף דין, קאָוכירענטלי געשפּאַנט AlN נוקלעאַטיאָן לייַערס;
✔ די פראבלעם פון שלעכטער נאַסבארקייט פון Ga אטאמען. ווען מען וואקסט GaN עפּיטאַקסיאַל שיכטן גלייך אויף דער SiC ייבערפלאַך, צוליב דער שלעכטער נאַסבארקייט צווישן די צוויי אטאמען, איז GaN אונטערטעניק צו 3D אינזל וואוקס אויף דער סאַבסטראַט ייבערפלאַך. אײַנפֿירן אַ באַפֿער שיכט איז די מערסט אָפֿט גענוצטע לייזונג צו פֿאַרבעסערן די קוואַליטעט פון עפּיטאַקסיאַל מאַטעריאַלן אין GaN עפּיטאַקסי. אײַנפֿירן אַן AlN אָדער AlxGa1-xN באַפֿער שיכט קען עפֿעקטיוו פֿאַרבעסערן די נאַסבארקייט פון דער SiC ייבערפלאַך און מאַכן די GaN עפּיטאַקסיאַל שיכט וואַקסן אין צוויי דימענסיעס. אין דערצו, קען עס אויך רעגולירן דרוק און פֿאַרהיטן סאַבסטראַט חסרונות פֿון זיך פֿאַרברייטערן צו GaN עפּיטאַקסי;
✔ די צוגרייטונג טעכנאָלאָגיע פון SiC סאַבסטראַטן איז נישט רייף, די סאַבסטראַט קאָסטן איז הויך, און עס זענען ווייניק סאַפּלייערז און קליין צושטעל.
טאָררעס און זיין מאַנשאַפֿט'ס פאָרשונג ווייזט אַז עטשינג דעם SiC סאַבסטראַט מיט H2 ביי אַ הויכער טעמפּעראַטור (1600°C) איידער עפּיטאַקסי קען פּראָדוצירן אַ מער אָרדנטלעכע שריט סטרוקטור אויף דער סאַבסטראַט ייבערפלאַך, דערמיט באַקומען אַ העכער קוואַליטעט AlN עפּיטאַקסיאַל פילם ווי ווען עס איז גלייך געוואַקסן אויף דער אָריגינעלער סאַבסטראַט ייבערפלאַך. די פאָרשונג פון קסיע און זיין מאַנשאַפֿט ווייזט אויך אַז עטשינג פאָרבאַהאַנדלונג פון דעם סיליקאָן קאַרבייד סאַבסטראַט קען באַדייטנד פֿאַרבעסערן די ייבערפלאַך מאָרפאָלאָגיע און קריסטאַל קוואַליטעט פון דער GaN עפּיטאַקסיאַל שיכט. סמיט און זיין מאַנשאַפֿט האָבן געפֿונען אַז פֿאָדעם דיסלאָוקיישאַנז וואָס שטאַמען פון דער סאַבסטראַט/באַפֿער שיכט און באַפֿער שיכט/עפּיטאַקסיאַל שיכט אינטערפֿייסן זענען פֿאַרבונדן מיט דער פֿלאַכקייט פון דעם סאַבסטראַט [5].
פיגור 4 TEM מאָרפאָלאָגיע פון GaN עפּיטאַקסיאַל שיכט מוסטערן געוואַקסן אויף 6H-SiC סאַבסטראַט (0001) אונטער פאַרשידענע ייבערפלאַך באַהאַנדלונג באדינגונגען (אַ) כעמישע רייניקונג; (ב) כעמישע רייניקונג + הידראָגען פּלאַזמע באַהאַנדלונג; (ג) כעמישע רייניקונג + הידראָגען פּלאַזמע באַהאַנדלונג + 1300℃ הידראָגען היץ באַהאַנדלונג פֿאַר 30 מינוט
GaN עפּיטאַקסי אויף Si
קאַמפּערד מיט סיליקאָן קאַרבייד, סאַפיר און אַנדערע סאַבסטראַטן, איז דער סיליקאָן סאַבסטראַט צוגרייטונג פּראָצעס דערוואַקסן, און עס קען סטאַביל צושטעלן דערוואַקסן גרויס-גרייס סאַבסטראַטן מיט הויך קאָסטן פאָרשטעלונג. אין דער זעלביקער צייט, די טערמישע קאַנדאַקטיוויטי און עלעקטרישע קאַנדאַקטיוויטי זענען גוט, און דער סיליקאָן עלעקטראָניש מיטל פּראָצעס איז דערוואַקסן. די מעגלעכקייט פון פּערפעקט ינטאַגרייטינג אָפּטאָעלעקטראָניק GaN דעוויסעס מיט סיליקאָן עלעקטראָניש דעוויסעס אין דער צוקונפֿט מאכט אויך די וווּקס פון GaN עפּיטאַקסי אויף סיליקאָן זייער אַטראַקטיוו.
אבער, צוליב דעם גרויסן אונטערשייד אין גיטער קאנסטאנטן צווישן סיליקאן סאַבסטראַט און GaN מאַטעריאַל, איז העטעראָגענע עפּיטאַקסי פון GaN אויף סיליקאן סאַבסטראַט אַ טיפּישע גרויסע מיסמאַטש עפּיטאַקסי, און עס דאַרף אויך זיך באַגעגענען מיט אַ סעריע פּראָבלעמען:
✔ פּראָבלעם מיט דער ענערגיע פון דער ייבערפלאַך. ווען GaN וואַקסט אויף אַ Si סאַבסטראַט, וועט די ייבערפלאַך פון דעם Si סאַבסטראַט ערשט ניטרידיירט ווערן צו שאַפֿן אַן אַמאָרפֿישע סיליקאָן ניטריד שיכט, וואָס איז נישט גינסטיק צו דער נוקלעאַציע און וואוקס פון הויך-געדיכטקייט GaN. דערצו וועט די Si ייבערפלאַך ערשט קאָנטאַקטירן Ga, וואָס וועט קאָראָדירן די ייבערפלאַך פון דעם Si סאַבסטראַט. ביי הויכע טעמפּעראַטורן וועט די דעקאָמפּאָזיציע פון דער Si ייבערפלאַך זיך פֿאַרשפּרייטן אין דער GaN עפּיטאַקסיאַל שיכט צו שאַפֿן שוואַרצע סיליקאָן פֿלעקן.
✔ די גיטער קאנסטאנטע נישט-פאסיקייט צווישן GaN און Si איז גרויס (~17%), וואס וועט פירן צו דער פארמאציע פון הויך-דענסיטי טרעדינג דיסלאקאציעס און באדייטנד רעדוצירן די קוואליטעט פון די עפּיטאקסיאלע שיכט;
✔ קאַמפּערד מיט Si, האט GaN אַ גרעסערע טערמישע יקספּאַנשאַן קאָואַפישאַנט (GaN'ס טערמישע יקספּאַנשאַן קאָואַפישאַנט איז וועגן 5.6×10-6K-1, Si'ס טערמישע יקספּאַנשאַן קאָואַפישאַנט איז וועגן 2.6×10-6K-1), און ריסן קענען דזשענערירט ווערן אין די GaN עפּיטאַקסיאַל שיכט בעת די קילונג פון די עפּיטאַקסיאַל טעמפּעראַטור צו צימער טעמפּעראַטור;
✔ Si רעאַגירט מיט NH3 ביי הויכע טעמפּעראַטורן צו שאַפֿן פּאָליקריסטאַלין SiNx. AlN קען נישט שאַפֿן אַ פּרעפֿערענציעל אָריענטירטן קערן אויף פּאָליקריסטאַלין SiNx, וואָס פֿירט צו אַ נישט-אָרדענטלעכער אָריענטאַציע פֿון דער דערנאָך געוואַקסענער GaN שיכט און אַ גרויסע צאָל חסרונות, וואָס רעזולטירט אין אַ שלעכטער קריסטאַל קוואַליטעט פֿון דער GaN עפּיטאַקסיאַל שיכט, און אפילו שוועריקייטן אין שאַפֿן אַן איינציק-קריסטאַלין GaN עפּיטאַקסיאַל שיכט [6].
כדי צו לייזן דאס פראבלעם פון גרויסע גיטער-מיסמאַטש, האבן פארשער פרובירט אריינצופירן מאטעריאלן ווי AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, און SiC אלס באַפער שיכטן אויף Si סאַבסטראַטן. כדי צו פארמיידן די פאָרמירונג פון פּאָליקריסטאַלין SiNx און רעדוצירן זיינע נעגאַטיווע ווירקונגען אויף די קריסטאַל קוואַליטעט פון GaN/AlN/Si (111) מאַטעריאַלן, איז TMAl געוויינטלעך פארלאנגט צו ווערן אריינגעפירט פאר א געוויסע צייט פארן עפּיטאַקסיאַלן וואוקס פון דער AlN באַפער שיכט, כדי צו פארמיידן NH3 פון רעאַגירן מיט דער אויסגעשטעלטער Si ייבערפלאַך צו פארמירן SiNx. דערצו, קענען עפּיטאַקסיאַל טעכנאָלאָגיעס ווי פּאַטערנד סאַבסטראַט טעכנאָלאָגיע ווערן גענוצט צו פארבעסערן די קוואַליטעט פון דער עפּיטאַקסיאַל שיכט. די אַנטוויקלונג פון די טעכנאָלאָגיעס העלפט צו פאַרהיטן די פאָרמירונג פון SiNx ביי דער עפּיטאַקסיאַל צובינד, העכערן דעם צוויי-דימענסיאָנאַלן וואוקס פון דער GaN עפּיטאַקסיאַל שיכט, און פארבעסערן די וואוקס קוואַליטעט פון דער עפּיטאַקסיאַל שיכט. דערצו, ווערט אן AlN באַפער שיכט אריינגעפירט צו קאָמפּענסירן פארן טענסאַל סטרעס געפֿירט דורך דעם חילוק אין טערמישע יקספּאַנשאַן קאָעפֿיציענטן, כדי צו פארמיידן ריסן אין דער GaN עפּיטאַקסיאַל שיכט אויף דעם סיליקאָן סאַבסטראַט. קראָסט'ס פאָרשונג ווייזט אַז עס איז אַ positive קאָרעלאַציע צווישן די גרעב פון די AlN באַפער שיכט און די רעדוקציע אין שפּאַנונג. ווען די באַפער שיכט גרעב דערגרייכט 12 נאַנאָמעטער, קען אַן עפּיטאַקסיאַל שיכט דיקער ווי 6 מיקראָמעטער וואַקסן אויף אַ סיליקאָן סאַבסטראַט דורך אַ פּאַסיק וווּקס סכעמע אָן עפּיטאַקסיאַל שיכט קראַקינג.
נאך לאנג-טערמין אנשטרענגונגען פון פארשער, איז די קוואַליטעט פון GaN עפּיטאַקסיאַל שיכטן וואָס וואַקסן אויף סיליקאָן סאַבסטראַטן באַדייטנד פֿאַרבעסערט געוואָרן, און דעוויסעס ווי פעלד-עפעקט טראַנזיסטאָרן, שאָטקי באַריער אַלטראַווייאַליט דעטעקטאָרן, בלוי-גרינע LEDs און אַלטראַווייאַליט לייזערס האָבן געמאַכט באַדייטנדיקע פּראָגרעס.
אין קורצן, ווייל די אָפט גענוצטע GaN עפּיטאַקסיאַל סאַבסטראַטן זענען אַלע העטעראָגענע עפּיטאַקסי, שטויסן זיי אַלע אויף געמיינזאַמע פּראָבלעמען ווי למשל גיטער-מיסמאַטש און גרויסע אונטערשיידן אין טערמישע יקספּאַנשאַן קאָעפֿיציענטן אין פֿאַרשידענע גראַדן. האָמאָגענע עפּיטאַקסיאַל GaN סאַבסטראַטן זענען באַגרענעצט דורך דער צייַטיקייט פון טעכנאָלאָגיע, און די סאַבסטראַטן זענען נאָך נישט מאַסן-פּראָדוצירט געוואָרן. די פּראָדוקציע קאָסטן זענען הויך, די סאַבסטראַט גרייס איז קליין, און די סאַבסטראַט קוואַליטעט איז נישט ידעאַל. די אַנטוויקלונג פון נייע GaN עפּיטאַקסיאַל סאַבסטראַטן און די פֿאַרבעסערונג פון עפּיטאַקסיאַל קוואַליטעט זענען נאָך איינער פון די וויכטיקע סיבות וואָס באַגרענעצן די ווייטערדיקע אַנטוויקלונג פון דער GaN עפּיטאַקסיאַל אינדוסטריע.
IV. געוויינטלעכע מעטאָדן פֿאַר GaN עפּיטאַקסי
MOCVD (כעמישע פארע דעפאזיציע)
עס שיינט אז האָמאָגענע עפּיטאַקסי אויף GaN סאַבסטראַטן איז די בעסטע ברירה פֿאַר GaN עפּיטאַקסי. אָבער, ווייל די פאָרגייער פון כעמישער פארע דעפּאַזישאַן זענען טרימעטהילגאַליום און אַמאָניאַק, און דער טרעגער גאַז איז הידראָגען, איז די טיפּישע MOCVD וווּקס טעמפּעראַטור אַרום 1000-1100 ℃, און די וווּקס קורס פון MOCVD איז אַרום אַ פּאָר מיקראָנס פּער שעה. עס קען פּראָדוצירן שטיילע אינטערפאַסעס אויף דעם אַטאָמישן מדרגה, וואָס איז זייער פּאַסיק פֿאַר גראָוינג העטעראָדזשונקציעס, קוואַנטום וועללז, סופּערלאַטיסעס און אנדערע סטרוקטורן. זיין שנעל וווּקס קורס, גוטע יונאַפאָרמאַטי, און פּאַסיק פֿאַר גרויס-שטח און פֿיל-שטיק וווּקס זענען אָפט געניצט אין אינדוסטריעלער פּראָדוקציע.
MBE (מאָלעקולאַר שטראַל עפּיטאַקסי)
אין מאָלעקולאַרער שטראַל עפּיטאַקסי, ניצט Ga אַן עלעמענטאַרע מקור, און אַקטיווער שטיקשטאָף ווערט באַקומען פֿון שטיקשטאָף דורך RF פּלאַזמע. קאַמפּערד מיט דער MOCVD מעטאָדע, איז די MBE וווּקס טעמפּעראַטור בערך 350-400 ℃ נידעריקער. די נידעריקער וווּקס טעמפּעראַטור קען ויסמיידן געוויסע פאַרפּעסטיקונג וואָס קען זיין געפֿירט דורך הויך טעמפּעראַטור סביבות. די MBE סיסטעם אַרבעט אונטער אַולטראַ-הויך וואַקוום, וואָס אַלאַוז עס צו ינטאַגרירן מער אין-סיטו דעטעקשאַן מעטהאָדס. אין דער זעלביקער צייט, קען זיין וווּקס קורס און פּראָדוקציע קאַפּאַציטעט נישט פאַרגליכן ווערן מיט MOCVD, און עס ווערט מער געניצט אין וויסנשאַפטלעכער פאָרשונג [7].
פיגורע 5 (אַ) עקאָ-מבע סכעמאַטיש (ב) מבע הויפּט אָפּרוף קאַמער סכעמאַטיש
HVPE מעטאָד (הידריד פארע פאַזע עפּיטאַקסי)
די פאָרגייער פֿון דער הידריד דאַמף-פֿאַזע עפּיטאַקסיע מעטאָדע זענען GaCl3 און NH3. דעטשפּראָם און אַנדערע האָבן גענוצט דעם מעטאָדע צו וואַקסן אַ GaN עפּיטאַקסיאַל שיכט הונדערטער מיקראָנען דיק אויף דער ייבערפֿלאַך פֿון אַ סאַפֿיר סאַבסטראַט. אין זייער עקספּערימענט, איז אַ שיכט פֿון ZnO געוואַקסן צווישן דעם סאַפֿיר סאַבסטראַט און דער עפּיטאַקסיאַל שיכט ווי אַ באַפֿער שיכט, און די עפּיטאַקסיאַל שיכט איז אָפּגעשיילט געוואָרן פֿון דער סאַבסטראַט ייבערפֿלאַך. אין פֿאַרגלייך מיט MOCVD און MBE, איז די הויפּט שטריך פֿון דער HVPE מעטאָדע איר הויכע וואוקס קורס, וואָס איז פּאַסיק פֿאַר דער פּראָדוקציע פֿון דיקע שיכטן און גרויסע מאַטעריאַלן. אָבער, ווען די גרעב פֿון דער עפּיטאַקסיאַל שיכט איז גרעסער ווי 20μm, איז די עפּיטאַקסיאַל שיכט וואָס ווערט פּראָדוצירט דורך דעם מעטאָדע אונטערטעניק צו ריסן.
Akira USUI האט איינגעפירט געמוסטערטע סאַבסטראַט טעכנאָלאָגיע באַזירט אויף דעם מעטאָד. זיי האָבן ערשט אויפגעוואַקסן אַ דין 1-1.5μm דיקן GaN עפּיטאַקסיאַל שיכט אויף אַ סאַפיר סאַבסטראַט ניצנדיק דעם MOCVD מעטאָד. די עפּיטאַקסיאַל שיכט איז באַשטאַנען פון אַ 20nm דיקן GaN באַפער שיכט אויפגעוואַקסן אונטער נידעריקע טעמפּעראַטור באדינגונגען און אַ GaN שיכט אויפגעוואַקסן אונטער הויך טעמפּעראַטור באדינגונגען. דערנאָך, ביי 430℃, איז אַ שיכט פון SiO2 געווען פּלייטאַד אויף דער ייבערפלאַך פון דער עפּיטאַקסיאַל שיכט, און פֿענצטער סטרייפּס זענען געמאַכט אויף דעם SiO2 פילם דורך פאָטאָליטאָגראַפי. די סטרייפּ ספּייסינג איז געווען 7μm און די מאַסקע ברייט ריינדזשד פון 1μm צו 4μm. נאָך דעם פֿאַרבעסערונג, האָבן זיי באַקומען אַ GaN עפּיטאַקסיאַל שיכט אויף אַ 2-אינטש דיאַמעטער סאַפיר סאַבסטראַט וואָס איז געווען ריסן-פֿרייַ און גלאַט ווי אַ שפּיגל אפילו ווען די גרעב איז געוואקסן צו צענדליקער אָדער אפילו הונדערטער מיקראָנס. די דעפעקט געדיכטקייט איז רידוסט פון 109-1010cm-2 פון דער טראַדיציאָנעלער HVPE מעטאָד צו וועגן 6×107cm-2. זיי האבן אויך ארויסגעוויזן אין דעם עקספערימענט אז ווען די וואוקס ראטע האט איבערגעשטיגן 75μm/h, וועט די מוסטער אייבערפלאך ווערן גראב[8].
פיגור 6 גראַפֿישע סאַבסטראַט סכעמאַטישע
V. קיצור און אויסזיכט
GaN מאַטעריאַלן האָבן אָנגעהויבן צו דערשייַנען אין 2014 ווען די בלויע ליכט LED האָט געוואונען דעם נאָבעל פרייז אין פיזיק יענעם יאָר, און איז אַרײַן אין דעם עפנטלעכן פעלד פון שנעל-טשאַרדזשינג אַפּליקאַציעס אין דעם קאָנסומער עלעקטראָניק פעלד. אין פאַקט, אַפּליקאַציעס אין די מאַכט אַמפּליפייערז און RF דעוויסעס געניצט אין 5G באַזע סטאַנציעס וואָס רובֿ מענטשן קענען נישט זען האָבן אויך שטילערהייט אַרויסגעקומען. אין די לעצטע יאָרן, דער דורכברוך פון GaN-באזירטע אויטאָמאָטיוו-גראַד מאַכט דעוויסעס ווערט ערוואַרטעט צו עפענען נײַע וווּקס פונקטן פֿאַר דעם GaN מאַטעריאַל אַפּליקאַציע מאַרק.
די ריזיקע מאַרק פאָדערונג וועט זיכער העכערן די אַנטוויקלונג פון GaN-פֿאַרבונדענע אינדוסטריעס און טעכנאָלאָגיעס. מיט דער צייַטיקייט און פֿאַרבעסערונג פון דער GaN-פֿאַרבונדענער אינדוסטריעלער קייט, וועלן די פּראָבלעמען מיט וואָס די איצטיקע GaN עפּיטאַקסיאַל טעכנאָלאָגיע שטייט אַנטקעגן עווענטועל פֿאַרבעסערט אָדער איבערגעקומען ווערן. אין דער צוקונפֿט וועלן מענטשן זיכער אַנטוויקלען מער נייע עפּיטאַקסיאַל טעכנאָלאָגיעס און מער אויסגעצייכנטע סאַבסטראַט אָפּציעס. ביז דעמאָלט וועלן מענטשן קענען אויסקלײַבן די מערסט פּאַסיקע עקסטערנע פֿאָרשונג טעכנאָלאָגיע און סאַבסטראַט פֿאַר פֿאַרשידענע אַפּליקאַציע סצענאַרן לויט די כאַראַקטעריסטיקס פון די אַפּליקאַציע סצענאַרן, און פּראָדוצירן די מערסט קאָנקורענטפֿעיִקע קאַסטאַמייזד פּראָדוקטן.
פּאָסט צייט: 28סטן יוני 2024