De ce nu crește epitaxia cu nitrură de gliu (GaN) pe un substrat GaN?

Creșterea deepitaxie GaNpe substrat GaN prezintă o provocare unică, în ciuda proprietăților superioare ale materialului în comparație cu siliciul.epitaxie GaNoferă avantaje semnificative în ceea ce privește lățimea intervalului de bandă, conductivitatea termică și câmpul electric de defalcare față de materialele pe bază de siliciu. Acest lucru face ca adoptarea GaN ca coloană vertebrală a celei de-a treia generații de semiconductori, care oferă o răcire îmbunătățită, pierderi de conducție mai reduse și performanță îmbunătățită la temperaturi și frecvențe ridicate, un progres promițător și crucial pentru industriile fotonice și micro-electronice.

GaN, ca material semiconductor primar de a treia generație, strălucește în special datorită aplicabilității sale largi și a fost considerat unul dintre cele mai importante materiale după siliciu. Dispozitivele de putere GaN demonstrează caracteristici superioare în comparație cu dispozitivele actuale pe bază de siliciu, cum ar fi intensitatea mai mare a câmpului electric critic, rezistență mai mică la pornire și frecvențe de comutare mai rapide, ceea ce duce la îmbunătățirea eficienței și a performanței sistemului la temperaturi de funcționare ridicate.

În lanțul valoric al semiconductorilor GaN, care include substrat,epitaxie GaN, proiectarea dispozitivului și fabricarea, substratul servește ca componentă de bază. GaN este în mod natural cel mai potrivit material pentru a servi drept substrat pe careepitaxie GaNeste cultivat datorită compatibilităţii sale intrinseci cu un proces de creştere omogen. Acest lucru asigură un grad minim de stres datorită disparităților în proprietățile materialelor, rezultând generarea de straturi epitaxiale de calitate superioară față de cele cultivate pe substraturi eterogene. Folosind GaN ca substrat, se poate produce epistemologie GaN de înaltă calitate, cu o densitate internă redusă a defectelor cu un factor de o mie în comparație cu substraturi precum safirul. Acest lucru contribuie la o reducere semnificativă a temperaturii de joncțiune a LED-urilor și permite o creștere de zece ori a lumeni pe unitate de suprafață.

Cu toate acestea, substratul convențional al dispozitivelor GaN nu este monocristalele GaN din cauza dificultății asociate creșterii lor. Progresul în creșterea monocristalului GaN a progresat semnificativ mai lent decât în ​​materialele semiconductoare convenționale. Provocarea constă în cultivarea cristalelor de GaN care sunt alungite și rentabile. Prima sinteză a GaN a avut loc în 1932, folosind amoniac și un metal pur galiu pentru a crește materialul. De atunci, s-au efectuat cercetări ample în materialele monocristaline GaN, dar rămân provocări. Incapacitatea GaN de a se topi la presiune normală, descompunerea lui în Ga și azot (N2) la temperaturi ridicate și presiunea sa de decompresie care ajunge la 6 gigapascal (GPa) la punctul său de topire de 2.300 de grade Celsius fac dificil pentru echipamentul de creștere existent să găzduiască sinteza monocristalelor de GaN la presiuni atât de mari. Metodele tradiționale de creștere a topiturii nu pot fi folosite pentru creșterea monocristalului GaN, necesitând astfel utilizarea de substraturi eterogene pentru epitaxie. În starea actuală a dispozitivelor bazate pe GaN, creșterea este de obicei efectuată pe substraturi precum siliciu, carbură de siliciu și safir, mai degrabă decât utilizarea unui substrat GaN omogen, împiedicând dezvoltarea dispozitivelor epitaxiale GaN și împiedicând aplicațiile care necesită un substrat omogen. dispozitiv crescut.

În epitaxia GaN sunt folosite mai multe tipuri de substraturi:

1. Safir:Safirul sau α-Al2O3 este cel mai răspândit substrat comercial pentru LED-uri, captând o parte semnificativă a pieței LED-urilor. Utilizarea sa a fost vestită pentru avantajele sale unice, în special în contextul creșterii epitaxiale GaN, care produce filme cu densitate de dislocare la fel de scăzută ca și cele cultivate pe substraturi cu carbură de siliciu. Fabricarea Sapphire implică creșterea topiturii, un proces matur care permite producerea de monocristale de înaltă calitate la costuri mai mici și dimensiuni mai mari, potrivite pentru aplicații industriale. Drept urmare, safirul este unul dintre cele mai vechi și mai răspândite substraturi din industria LED-urilor.

2. Carbură de siliciu:Carbura de siliciu (SiC) este un material semiconductor de a patra generație care ocupă locul doi în cota de piață pentru substraturile LED, după safir. SiC se caracterizează prin diversele sale forme de cristal, clasificate în primul rând în trei categorii: cubice (3C-SiC), hexagonale (4H-SiC) și romboedrice (15R-SiC). Majoritatea cristalelor de SiC sunt 3C, 4H și 6H, tipurile 4H și 6H-SiC fiind utilizate ca substraturi pentru dispozitivele GaN.

Carbura de siliciu este o alegere excelentă ca substrat LED. Cu toate acestea, producția de cristale unice de SiC de înaltă calitate și considerabile rămâne o provocare, iar structura stratificată a materialului îl face predispus la scindare, ceea ce îi afectează integritatea mecanică, introducând potențial defecte de suprafață care afectează calitatea stratului epitaxial. Costul unui substrat SiC cu un singur cristal este de aproximativ de câteva ori mai mare decât al unui substrat de safir de aceeași dimensiune, limitând aplicarea sa pe scară largă datorită prețului său premium.

Semicorex  850 V GaN-on-Si Epi Wafer de mare putere

3. Siliciu cu un singur cristal:Siliciul, fiind cel mai utilizat material semiconductor și cel mai stabilit industrial, oferă o bază solidă pentru producția de substraturi epitaxiale GaN. Disponibilitatea tehnicilor avansate de creștere a siliciului monocristal asigură o producție rentabilă, la scară largă, de substraturi de înaltă calitate, de 6 până la 12 inchi. Acest lucru reduce semnificativ costul LED-urilor și deschide calea pentru integrarea cipurilor LED și a circuitelor integrate prin utilizarea substraturilor de siliciu monocristal, conducând la progrese în miniaturizare. În plus, în comparație cu safirul, care este în prezent cel mai comun substrat LED, dispozitivele pe bază de siliciu oferă avantaje în ceea ce privește conductivitatea termică, conductivitate electrică, capacitatea de a fabrica structuri verticale și o potrivire mai bună pentru fabricarea LED-urilor de mare putere.**