Waarom groeit Gllium Nitride (GaN) epitaxie niet op een GaN-substraat?

De groei vanGaN-epitaxieop GaN-substraat vormt een unieke uitdaging, ondanks de superieure eigenschappen van het materiaal in vergelijking met silicium.GaN-epitaxiebiedt aanzienlijke voordelen in termen van bandbreedte, thermische geleidbaarheid en doorslagelektrisch veld ten opzichte van op silicium gebaseerde materialen. Dit maakt de acceptatie van GaN als de ruggengraat voor de derde generatie halfgeleiders, die zorgen voor verbeterde koeling, minder geleidingsverlies en verbeterde prestaties bij hoge temperaturen en frequenties, een veelbelovende en cruciale vooruitgang voor de fotonische en micro-elektronische industrie.

GaN, als het belangrijkste halfgeleidermateriaal van de derde generatie, blinkt vooral uit door zijn brede toepasbaarheid en wordt na silicium beschouwd als een van de belangrijkste materialen. GaN-vermogensapparaten vertonen superieure eigenschappen vergeleken met de huidige op silicium gebaseerde apparaten, zoals een hogere kritische elektrische veldsterkte, lagere aan-weerstand en snellere schakelfrequenties, wat leidt tot verbeterde systeemefficiëntie en prestaties bij hoge operationele temperaturen.

In de waardeketen van GaN-halfgeleiders, die substraten omvat,GaN-epitaxieBij het ontwerp en de productie van apparaten fungeert het substraat als het fundamentele onderdeel. GaN is uiteraard het meest geschikte materiaal om als substraat te dienenGaN-epitaxiewordt gekweekt vanwege de intrinsieke compatibiliteit met een homogeen groeiproces. Dit zorgt voor een minimale mate van spanning als gevolg van verschillen in materiaaleigenschappen, wat resulteert in het genereren van epitaxiale lagen van superieure kwaliteit vergeleken met die gekweekt op heterogene substraten. Door GaN als substraat te gebruiken, kan GaN-epistemologie van hoge kwaliteit worden geproduceerd, met een intern verminderde defectdichtheid met een factor duizend vergeleken met substraten zoals saffier. Dit draagt ​​bij aan een aanzienlijke verlaging van de junctietemperatuur van LED's en maakt een tienvoudige verhoging van het aantal lumen per oppervlakte-eenheid mogelijk.

Het conventionele substraat van GaN-apparaten bestaat echter niet uit GaN-enkele kristallen vanwege de moeilijkheid die met hun groei gepaard gaat. De vooruitgang in de groei van GaN-eenkristallen is aanzienlijk langzamer verlopen dan bij conventionele halfgeleidermaterialen. De uitdaging ligt in het kweken van GaN-kristallen die langwerpig en kosteneffectief zijn. De eerste synthese van GaN vond plaats in 1932, waarbij ammoniak en een puur metaalgallium werden gebruikt om het materiaal te laten groeien. Sindsdien is er uitgebreid onderzoek gedaan naar GaN-monokristalmaterialen, maar er blijven uitdagingen bestaan. Het onvermogen van GaN om onder normale druk te smelten, de ontleding ervan in Ga en stikstof (N2) bij verhoogde temperaturen, en de decompressiedruk die 6 gigapascal (GPa) bereikt bij het smeltpunt van 2.300 graden Celsius maken het moeilijk voor bestaande groeiapparatuur om de synthese van GaN-enkele kristallen bij zulke hoge drukken. Traditionele methoden voor smeltgroei kunnen niet worden gebruikt voor de groei van GaN-eenkristallen, waardoor het gebruik van heterogene substraten voor epitaxie noodzakelijk is. In de huidige staat van op GaN gebaseerde apparaten wordt de groei doorgaans uitgevoerd op substraten zoals silicium, siliciumcarbide en saffier, in plaats van een homogeen GaN-substraat te gebruiken, wat de ontwikkeling van GaN-epitaxiale apparaten belemmert en toepassingen belemmert die een homogeen substraat vereisen. volwassen apparaat.

Bij GaN-epitaxie worden verschillende soorten substraten gebruikt:

1. Saffier:Saffier, of α-Al2O3, is het meest voorkomende commerciële substraat voor LED's en neemt een aanzienlijk deel van de LED-markt in beslag. Het gebruik ervan werd geprezen vanwege de unieke voordelen ervan, vooral in de context van GaN-epitaxiale groei, die films produceert met een even lage dislocatiedichtheid als die gekweekt op siliciumcarbidesubstraten. De productie van Sapphire omvat smeltgroei, een volwassen proces dat de productie mogelijk maakt van hoogwaardige enkele kristallen tegen lagere kosten en grotere formaten, geschikt voor industriële toepassingen. Als gevolg hiervan is saffier een van de eerste en meest voorkomende substraten in de LED-industrie.

2. Siliciumcarbide:Siliciumcarbide (SiC) is een halfgeleidermateriaal van de vierde generatie dat op de tweede plaats staat qua marktaandeel voor LED-substraten, na saffier. SiC wordt gekenmerkt door zijn diverse kristalvormen, voornamelijk ingedeeld in drie categorieën: kubisch (3C-SiC), hexagonaal (4H-SiC) en ruitvormig (15R-SiC). De meeste SiC-kristallen zijn 3C-, 4H- en 6H-kristallen, waarbij de 4H- en 6H-SiC-typen worden gebruikt als substraten voor GaN-apparaten.

Siliciumcarbide is een uitstekende keuze als LED-substraat. Niettemin blijft de productie van hoogwaardige, omvangrijke SiC-eenkristallen een uitdaging, en de gelaagde structuur van het materiaal maakt het gevoelig voor splitsing, wat de mechanische integriteit aantast, waardoor mogelijk oppervlaktedefecten worden geïntroduceerd die de kwaliteit van de epitaxiale laag beïnvloeden. De kosten van een enkelkristal SiC-substraat zijn ongeveer meerdere keren zo hoog als die van een saffiersubstraat van dezelfde grootte, waardoor de wijdverbreide toepassing ervan wordt beperkt vanwege de hoge prijs.

Semicorex 850V GaN-op-Si Epi-wafel met hoog vermogen

3. Eénkristalsilicium:Silicium, het meest gebruikte en industrieel gevestigde halfgeleidermateriaal, biedt een solide basis voor de productie van GaN-epitaxiale substraten. De beschikbaarheid van geavanceerde monokristallijne siliciumgroeitechnieken garandeert een kosteneffectieve, grootschalige productie van hoogwaardige substraten van 6 tot 12 inch. Dit verlaagt de kosten van LED's aanzienlijk en maakt de weg vrij voor de integratie van LED-chips en geïntegreerde schakelingen door het gebruik van monokristallijne siliciumsubstraten, wat de vooruitgang op het gebied van miniaturisatie stimuleert. Bovendien bieden op silicium gebaseerde apparaten, vergeleken met saffier, dat momenteel het meest voorkomende LED-substraat is, voordelen op het gebied van thermische geleidbaarheid, elektrische geleidbaarheid, het vermogen om verticale structuren te fabriceren en beter geschikt voor de fabricage van krachtige LED's.**