2024-07-01
ЗростанняGaN епітаксіяна підкладці GaN представляє унікальну проблему, незважаючи на чудові властивості матеріалу порівняно з кремнієм.GaN епітаксіяпропонує значні переваги щодо ширини забороненої зони, теплопровідності та електричного поля пробою над матеріалами на основі кремнію. Це робить прийняття GaN як основу для третього покоління напівпровідників, які забезпечують покращене охолодження, менші втрати провідності та покращену продуктивність за високих температур і частот, багатообіцяючим і важливим прогресом для фотонної та мікроелектронної промисловості.
GaN, як основний напівпровідниковий матеріал третього покоління, особливо блищить завдяки широкому застосуванню та вважається одним із найважливіших матеріалів після кремнію. Пристрої живлення GaN демонструють кращі характеристики порівняно з поточними пристроями на основі кремнію, такі як вища критична напруженість електричного поля, нижчий опір увімкнення та вищі частоти перемикання, що призводить до покращеної ефективності системи та продуктивності за високих робочих температур.
У ланцюжку вартості напівпровідників GaN, який включає підкладку,GaN епітаксія, проектування пристрою та виготовлення, підкладка служить основним компонентом. Природно, що GaN є найбільш підходящим матеріалом для використання в якості підкладки, на якійGaN епітаксіявирощується завдяки своїй внутрішній сумісності з однорідним процесом росту. Це забезпечує мінімальний ступінь напруги через відмінності у властивостях матеріалу, що призводить до створення епітаксійних шарів вищої якості порівняно з тими, що вирощуються на гетерогенних підкладках. Використовуючи GaN як підкладку, можна створити високоякісну епістемологію GaN із зменшенням внутрішньої щільності дефектів у тисячу разів порівняно з підкладками, такими як сапфір. Це сприяє значному зниженню температури переходу світлодіодів і забезпечує десятикратне збільшення люменів на одиницю площі.
Однак звичайна підкладка пристроїв GaN не є монокристалами GaN через труднощі, пов’язані з їх зростанням. Розвиток монокристалів GaN прогресує значно повільніше, ніж у звичайних напівпровідникових матеріалах. Проблема полягає у вирощуванні кристалів GaN, які є витягнутими та економічно ефективними. Перший синтез GaN відбувся в 1932 році з використанням аміаку та чистого металевого галію для вирощування матеріалу. Відтоді були проведені великі дослідження монокристалічних матеріалів GaN, але проблеми залишаються. Нездатність GaN плавитися за нормального тиску, його розкладання на Ga та азот (N2) при підвищених температурах, а також його тиск декомпресії, який досягає 6 гігапаскалів (ГПа) при температурі плавлення 2300 градусів за Цельсієм, ускладнюють адаптацію існуючого обладнання для вирощування. синтез монокристалів GaN при таких високих тисках. Традиційні методи вирощування з розплаву не можна використовувати для вирощування монокристалів GaN, тому для епітаксії необхідно використовувати гетерогенні підкладки. У поточному стані пристроїв на основі GaN вирощування зазвичай виконується на таких підкладках, як кремній, карбід кремнію та сапфір, а не на однорідній підкладці GaN, що перешкоджає розробці епітаксіальних пристроїв GaN і перешкоджає застосуванням, які вимагають однорідної підкладки. вирощений пристрій.
В епітаксії GaN використовуються кілька типів підкладок:
1. сапфір:Сапфір, або α-Al2O3, є найпоширенішою комерційною підкладкою для світлодіодів, яка займає значну частину ринку світлодіодів. Його використання було проголошено завдяки його унікальним перевагам, особливо в контексті епітаксійного росту GaN, який створює плівки з такою ж низькою щільністю дислокацій, як ті, що вирощуються на підкладках з карбіду кремнію. Виробництво Sapphire включає вирощування розплаву, зрілий процес, який дозволяє виробляти високоякісні монокристали з меншими витратами та більшими розмірами, придатні для промислового застосування. Як наслідок, сапфір є однією з найперших і найпоширеніших підкладок у світлодіодній індустрії.
2. Карбід кремнію:Карбід кремнію (SiC) — це напівпровідниковий матеріал четвертого покоління, який займає друге місце за часткою ринку світлодіодних підкладок після сапфіру. SiC характеризується різноманітністю кристалічних форм, які в основному класифікуються на три категорії: кубічна (3C-SiC), гексагональна (4H-SiC) і ромбоедрична (15R-SiC). Більшість кристалів SiC є 3C, 4H і 6H, причому типи 4H і 6H-SiC використовуються як підкладки для пристроїв GaN.
Карбід кремнію є відмінним вибором в якості світлодіодної підкладки. Тим не менш, виробництво високоякісних значних монокристалів SiC залишається складним завданням, а шарувата структура матеріалу робить його схильним до розщеплення, що впливає на його механічну цілісність, потенційно вводячи поверхневі дефекти, які впливають на якість епітаксійного шару. Вартість монокристалічної підкладки SiC приблизно в декілька разів перевищує вартість сапфірової підкладки такого ж розміру, що обмежує її широке застосування через високу ціну.
Semicorex 850 В високої потужності GaN-on-Si Epi Wafer
3. Монокристалічний кремній:Кремній, будучи найбільш широко використовуваним і промислово відомим напівпровідниковим матеріалом, забезпечує надійну основу для виробництва епітаксіальних підкладок GaN. Наявність передових методів вирощування монокристалів кремнію забезпечує економічно ефективне великомасштабне виробництво високоякісних підкладок розміром від 6 до 12 дюймів. Це значно знижує вартість світлодіодів і відкриває шлях для інтеграції світлодіодних чіпів та інтегральних схем за рахунок використання монокристалічних кремнієвих підкладок, що сприяє прогресу в мініатюризації. Крім того, порівняно з сапфіром, який наразі є найпоширенішою світлодіодною підкладкою, пристрої на основі кремнію пропонують переваги з точки зору теплопровідності та електропровідності, здатності виготовляти вертикальні структури та краще підходять для виробництва світлодіодів високої потужності.**