Защо епитаксията от глиев нитрид (GaN) не расте върху GaN субстрат?

Растежът наGaN епитаксиявърху GaN субстрат представлява уникално предизвикателство, въпреки превъзходните свойства на материала в сравнение със силиция.GaN епитаксияпредлага значителни предимства по отношение на ширината на забранената лента, топлопроводимостта и пробивното електрическо поле пред материалите на основата на силиций. Това прави приемането на GaN като основа за третото поколение полупроводници, които осигуряват подобрено охлаждане, по-ниски загуби на проводимост и подобрена производителност при високи температури и честоти, обещаващ и решаващ напредък за фотонната и микроелектронната индустрия.

GaN, като първичен полупроводников материал от трето поколение, особено блести поради широката си приложимост и се счита за един от най-важните материали след силиция. GaN захранващите устройства демонстрират превъзходни характеристики в сравнение с настоящите устройства, базирани на силиций, като по-висока критична сила на електрическото поле, по-ниско съпротивление при включване и по-бързи честоти на превключване, което води до подобрена ефективност на системата и производителност при високи работни температури.

В стойностната верига на GaN полупроводниците, която включва субстрат,GaN епитаксия, дизайна на устройството и производството, субстратът служи като основен компонент. GaN е естествено най-подходящият материал, който да служи като субстрат, върху койтоGaN епитаксиясе отглежда поради присъщата му съвместимост с хомогенен процес на растеж. Това осигурява минимална степен на напрежение, дължащо се на несъответствията в свойствата на материала, което води до генериране на епитаксиални слоеве с превъзходно качество в сравнение с тези, отглеждани върху хетерогенни субстрати. Чрез използването на GaN като субстрат може да се произведе висококачествена GaN епистемология с вътрешно намалена плътност на дефектите с фактор хиляда в сравнение със субстрати като сапфир. Това допринася за значително намаляване на температурата на свързване на светодиодите и позволява десетократно увеличаване на лумените на единица площ.

Обаче конвенционалният субстрат на GaN устройствата не е GaN монокристали поради трудността, свързана с техния растеж. Напредъкът в растежа на единичен кристал GaN напредва значително по-бавно, отколкото при конвенционалните полупроводникови материали. Предизвикателството се крие в култивирането на кристали GaN, които са удължени и рентабилни. Първият синтез на GaN се случва през 1932 г., като се използват амоняк и чист метален галий за отглеждане на материала. Оттогава се провеждат обширни изследвания на GaN монокристални материали, но предизвикателствата остават. Неспособността на GaN да се стопи при нормално налягане, разлагането му на Ga и азот (N2) при повишени температури и неговото декомпресионно налягане, което достига 6 гигапаскала (GPa) при точката му на топене от 2300 градуса по Целзий, затрудняват съществуващото оборудване за растеж да поеме синтез на монокристали GaN при такива високи налягания. Традиционните методи за растеж на стопилка не могат да се използват за растеж на монокристал GaN, което налага използването на хетерогенни субстрати за епитаксия. В текущото състояние на устройства, базирани на GaN, растежът обикновено се извършва върху субстрати като силиций, силициев карбид и сапфир, вместо да се използва хомогенен GaN субстрат, възпрепятствайки развитието на GaN епитаксиални устройства и възпрепятствайки приложения, които изискват хомогенен субстрат- отгледано устройство.

Няколко вида субстрати се използват в GaN епитаксия:

1. Сапфир:Сапфирът или α-Al2O3 е най-широко разпространеният търговски субстрат за светодиоди, който заема значителна част от пазара на светодиоди. Използването му беше обявено за неговите уникални предимства, особено в контекста на епитаксиалния растеж на GaN, който произвежда филми с еднакво ниска плътност на дислокация като тези, отглеждани върху субстрати от силициев карбид. Производството на Sapphire включва растеж на стопилка, зрял процес, който позволява производството на висококачествени монокристали при по-ниски разходи и по-големи размери, подходящи за промишлено приложение. В резултат на това сапфирът е един от най-ранните и най-разпространените субстрати в LED индустрията.

2. Силициев карбид:Силициевият карбид (SiC) е полупроводников материал от четвърто поколение, който се нарежда на второ място по пазарен дял за LED субстрати след сапфира. SiC се характеризира със своите разнообразни кристални форми, класифицирани основно в три категории: кубична (3C-SiC), шестоъгълна (4H-SiC) и ромбоедрична (15R-SiC). По-голямата част от кристалите SiC са 3C, 4H и 6H, като типовете 4H и 6H-SiC се използват като субстрати за устройства с GaN.

Силициевият карбид е отличен избор като LED субстрат. Въпреки това, производството на висококачествени, големи монокристали SiC остава предизвикателство, а слоестата структура на материала го прави податлив на разцепване, което засяга неговата механична цялост, потенциално въвеждайки повърхностни дефекти, които оказват влияние върху качеството на епитаксиалния слой. Цената на монокристален SiC субстрат е приблизително няколко пъти по-висока от тази на сапфирен субстрат със същия размер, което ограничава широкото му приложение поради високата му цена.

Semicorex  850V висока мощност GaN-on-Si Epi Wafer

3. Монокристален силиций:Силицият, който е най-широко използваният и промишлено утвърден полупроводников материал, осигурява солидна основа за производството на GaN епитаксиални субстрати. Наличието на усъвършенствани техники за растеж на монокристален силиций осигурява рентабилно, широкомащабно производство на висококачествени субстрати от 6 до 12 инча. Това значително намалява цената на светодиодите и проправя пътя за интегриране на LED чипове и интегрални схеми чрез използването на монокристални силициеви субстрати, което води до напредък в миниатюризацията. Освен това, в сравнение със сапфира, който в момента е най-разпространеният светодиоден субстрат, базираните на силиций устройства предлагат предимства по отношение на топлопроводимост, електрическа проводимост, способност за изработване на вертикални структури и по-добра годност за производство на светодиоди с висока мощност.**