Почему эпитаксия нитрида глия (GaN) не растет на подложке GaN?

РостЭпитаксия GaNна подложке GaN представляет собой уникальную задачу, несмотря на превосходные свойства материала по сравнению с кремнием.Эпитаксия GaNпредлагает значительные преимущества с точки зрения ширины запрещенной зоны, теплопроводности и электрического поля пробоя по сравнению с материалами на основе кремния. Это делает использование GaN в качестве основы для полупроводников третьего поколения, которые обеспечивают улучшенное охлаждение, меньшие потери проводимости и улучшенные характеристики при высоких температурах и частотах, многообещающим и важным достижением для фотонной и микроэлектронной промышленности.

GaN, как основной полупроводниковый материал третьего поколения, особенно хорош благодаря своей широкой применимости и считается одним из наиболее важных материалов после кремния. Силовые устройства на основе GaN демонстрируют превосходные характеристики по сравнению с современными устройствами на основе кремния, такие как более высокая критическая напряженность электрического поля, более низкое сопротивление в открытом состоянии и более высокие частоты переключения, что приводит к повышению эффективности и производительности системы при высоких рабочих температурах.

В цепочке создания стоимости полупроводников GaN, которая включает в себя подложку,Эпитаксия GaNПри проектировании и производстве устройств подложка служит основополагающим компонентом. GaN, естественно, является наиболее подходящим материалом в качестве подложки, на которойЭпитаксия GaNвыращивается из-за его внутренней совместимости с однородным процессом роста. Это обеспечивает минимальную степень напряжения из-за различий в свойствах материала, что приводит к созданию эпитаксиальных слоев более высокого качества по сравнению со слоями, выращенными на гетерогенных подложках. Используя GaN в качестве подложки, можно создать высококачественную эпистемологию GaN с внутренней плотностью дефектов, уменьшенной в тысячу раз по сравнению с такими подложками, как сапфир. Это способствует значительному снижению температуры перехода светодиодов и позволяет увеличить количество люменов на единицу площади в десять раз.

Однако обычная подложка GaN-устройств не представляет собой монокристаллы GaN из-за трудностей, связанных с их ростом. Прогресс в выращивании монокристаллов GaN продвигался значительно медленнее, чем в производстве традиционных полупроводниковых материалов. Задача заключается в выращивании кристаллов GaN, которые были бы удлиненными и экономически эффективными. Первый синтез GaN произошел в 1932 году с использованием аммиака и чистого металлического галлия для выращивания материала. С тех пор проводились обширные исследования монокристаллических материалов GaN, однако проблемы остаются. Неспособность GaN плавиться при нормальном давлении, его разложение на Ga и азот (N2) при повышенных температурах, а также давление декомпрессии, достигающее 6 гигапаскалей (ГПа) при температуре плавления 2300 градусов по Цельсию, затрудняют работу существующего оборудования для выращивания. синтез монокристаллов GaN при таких высоких давлениях. Традиционные методы выращивания из расплава не могут быть использованы для выращивания монокристаллов GaN, что приводит к необходимости использования гетерогенных подложек для эпитаксии. В нынешнем состоянии устройств на основе GaN рост обычно осуществляется на таких подложках, как кремний, карбид кремния и сапфир, а не на гомогенной подложке GaN, что затрудняет разработку эпитаксиальных устройств GaN и затрудняет приложения, требующие однородной подложки. выращенное устройство.

В эпитаксии GaN используются несколько типов подложек:

1. Сапфир:Сапфир, или α-Al2O3, является наиболее распространенным коммерческим субстратом для светодиодов, занимающим значительную часть рынка светодиодов. Его использование было отмечено его уникальными преимуществами, особенно в контексте эпитаксиального роста GaN, который позволяет получать пленки с такой же низкой плотностью дислокаций, как и пленки, выращенные на подложках из карбида кремния. Производство сапфира включает выращивание из расплава — зрелый процесс, который позволяет производить высококачественные монокристаллы с меньшими затратами и большими размерами, пригодные для промышленного применения. В результате сапфир стал одним из первых и наиболее распространенных материалов в светодиодной промышленности.

2. Карбид кремния:Карбид кремния (SiC) — полупроводниковый материал четвертого поколения, занимающий второе место на рынке подложек светодиодов после сапфира. SiC характеризуется разнообразием кристаллических форм, которые в основном подразделяются на три категории: кубические (3C-SiC), гексагональные (4H-SiC) и ромбоэдрические (15R-SiC). Большинство кристаллов SiC представляют собой 3C, 4H и 6H, при этом типы 4H и 6H-SiC используются в качестве подложек для устройств GaN.

Карбид кремния является отличным выбором в качестве подложки для светодиодов. Тем не менее, производство высококачественных монокристаллов SiC больших размеров остается сложной задачей, а слоистая структура материала делает его склонным к расколу, что влияет на его механическую целостность, потенциально создавая поверхностные дефекты, которые влияют на качество эпитаксиального слоя. Стоимость подложки из монокристаллического SiC примерно в несколько раз превышает стоимость сапфировой подложки того же размера, что ограничивает ее широкое применение из-за ее премиальной цены.

Semicorex  850 В высокомощная эпигалиевая пластина GaN-on-Si

3. Монокристаллический кремний:Кремний, являющийся наиболее широко используемым и промышленно признанным полупроводниковым материалом, обеспечивает прочную основу для производства эпитаксиальных подложек GaN. Наличие передовых технологий выращивания монокристаллического кремния обеспечивает экономичное крупномасштабное производство высококачественных подложек размером от 6 до 12 дюймов. Это значительно снижает стоимость светодиодов и открывает путь для интеграции светодиодных чипов и интегральных схем за счет использования подложек из монокристаллического кремния, что способствует прогрессу в области миниатюризации. Кроме того, по сравнению с сапфиром, который в настоящее время является наиболее распространенной подложкой для светодиодов, устройства на основе кремния обладают преимуществами с точки зрения теплопроводности, электропроводности, возможности изготовления вертикальных структур и лучше подходят для изготовления светодиодов высокой мощности.**