Hvorfor vokser ikke Gllium Nitride (GaN) epitaksi på et GaN-substrat?

Veksten avGaN epitaksipå GaN-substrat gir en unik utfordring, til tross for materialets overlegne egenskaper sammenlignet med silisium.GaN epitaksigir betydelige fordeler når det gjelder båndgapbredde, termisk ledningsevne og elektrisk felt nedbrytning i forhold til silisiumbaserte materialer. Dette gjør bruken av GaN som ryggraden for tredje generasjon halvledere, som gir forbedret kjøling, lavere ledningstap og forbedret ytelse under høye temperaturer og frekvenser, til et lovende og avgjørende fremskritt for den fotoniske og mikro-elektroniske industrien.

GaN, som det primære tredjegenerasjons halvledermaterialet, skinner spesielt på grunn av dets brede anvendelighet og har blitt sett på som et av de viktigste materialene etter silisium. GaN-strømenheter viser overlegne egenskaper sammenlignet med nåværende silisiumbaserte enheter, for eksempel høyere kritisk elektrisk feltstyrke, lavere på-motstand og raskere byttefrekvenser, noe som fører til forbedret systemeffektivitet og ytelse under høye driftstemperaturer.

I GaN-halvlederverdikjeden, som inkluderer substrat,GaN epitaksi, enhetsdesign og produksjon, fungerer underlaget som den grunnleggende komponenten. GaN er naturlig nok det mest egnede materialet for å tjene som underlaget påGaN epitaksidyrkes på grunn av sin iboende kompatibilitet med en homogen vekstprosess. Dette sikrer en minimal grad av stress på grunn av ulikheter i materialegenskaper, noe som resulterer i generering av epitaksiale lag av overlegen kvalitet sammenlignet med de som dyrkes på heterogene underlag. Ved å bruke GaN som substrat, kan høykvalitets GaN epistemologi produseres, med internt redusert defekttetthet med en faktor på tusen sammenlignet med substrater som safir. Dette bidrar til en betydelig reduksjon i koblingstemperaturen til lysdioder og muliggjør en tidobling av lumen per arealenhet.

Imidlertid er det konvensjonelle substratet til GaN-enheter ikke GaN-enkeltkrystaller på grunn av vanskeligheten forbundet med veksten deres. Fremskrittet innen GaN enkeltkrystallvekst har gått betydelig langsommere enn i konvensjonelle halvledermaterialer. Utfordringen ligger i dyrking av GaN-krystaller som er langstrakte og kostnadseffektive. Den første syntesen av GaN skjedde i 1932, ved å bruke ammoniakk og et rent metallgallium for å dyrke materialet. Siden den gang har det blitt forsket omfattende forskning på GaN enkeltkrystallmaterialer, men utfordringene gjenstår. GaNs manglende evne til å smelte under normalt trykk, dens nedbrytning til Ga og nitrogen (N2) ved høye temperaturer, og dekompresjonstrykket som når 6 gigapascal (GPa) ved smeltepunktet på 2300 grader Celsius gjør det vanskelig for eksisterende vekstutstyr å romme syntese av GaN enkeltkrystaller ved så høye trykk. Tradisjonelle smeltevekstmetoder kan ikke brukes for GaN enkeltkrystallvekst, og nødvendiggjør derfor bruk av heterogene substrater for epitaksi. I den nåværende tilstanden til GaN-baserte enheter, utføres vekst vanligvis på underlag som silisium, silisiumkarbid og safir, i stedet for å bruke et homogent GaN-substrat, noe som hindrer utviklingen av GaN-epitaksiale enheter og hindrer applikasjoner som krever et homogent underlag. voksen enhet.

Flere typer underlag brukes i GaN-epitaksi:

1. Safir:Sapphire, eller α-Al2O3, er det mest utbredte kommersielle substratet for LED, og ​​fanger en betydelig del av LED-markedet. Bruken ble innvarslet for sine unike fordeler, spesielt i sammenheng med GaN epitaksial vekst, som produserer filmer med like lav dislokasjonstetthet som de som dyrkes på silisiumkarbidsubstrater. Sapphires produksjon involverer smeltevekst, en moden prosess som muliggjør produksjon av høykvalitets enkeltkrystaller til lavere kostnader og større størrelser, egnet for industriell bruk. Som et resultat er safir et av de tidligste og mest utbredte substratene i LED-industrien.

2. Silisiumkarbid:Silisiumkarbid (SiC) er et fjerdegenerasjons halvledermateriale som er nummer to i markedsandel for LED-substrater, etter safir. SiC er preget av sine forskjellige krystallformer, primært klassifisert i tre kategorier: kubisk (3C-SiC), sekskantet (4H-SiC) og romboedrisk (15R-SiC). Et flertall av SiC-krystaller er 3C, 4H og 6H, med 4H og 6H-SiC-typene som brukes som underlag for GaN-enheter.

Silisiumkarbid er et utmerket valg som LED-substrat. Likevel er produksjonen av høykvalitets, store SiC-enkeltkrystaller fortsatt utfordrende, og materialets lagdelte struktur gjør det utsatt for spalting, noe som påvirker dets mekaniske integritet, og potensielt introduserer overflatedefekter som påvirker kvaliteten på epitaksiallaget. Kostnaden for et enkelt krystall SiC-substrat er omtrent flere ganger så mye som et safirsubstrat av samme størrelse, noe som begrenser dets utbredte bruk på grunn av premiumprisen.

Semicorex  850V High Power GaN-on-Si Epi Wafer

3. Enkelt krystall silisium:Silisium, som er det mest brukte og industrielt etablerte halvledermaterialet, gir et solid grunnlag for produksjon av GaN epitaksiale substrater. Tilgjengeligheten av avanserte enkrystall silisiumvekstteknikker sikrer en kostnadseffektiv, storskala produksjon av høykvalitets 6 til 12 tommers substrater. Dette reduserer kostnadene for LED-er betydelig og baner vei for integrering av LED-brikker og integrerte kretser gjennom bruk av enkeltkrystall silisiumsubstrater, noe som driver fremskritt innen miniatyrisering. I tillegg, sammenlignet med safir, som for tiden er det vanligste LED-substratet, tilbyr silisiumbaserte enheter fordeler når det gjelder termisk ledningsevne, elektrisk ledningsevne, evne til å fremstille vertikale strukturer og bedre passform for LED-produksjon med høy effekt.**