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

Væksten afGaN epitaksipå GaN-substrat giver en unik udfordring på trods af materialets overlegne egenskaber sammenlignet med silicium.GaN epitaksigiver betydelige fordele med hensyn til båndgab-bredde, termisk ledningsevne og nedbrydning af det elektriske felt i forhold til siliciumbaserede materialer. Dette gør vedtagelsen af ​​GaN som rygraden for tredje generation af halvledere, som giver forbedret køling, lavere ledningstab og forbedret ydeevne under høje temperaturer og frekvenser, til et lovende og afgørende fremskridt for den fotoniske og mikro-elektroniske industri.

GaN, som det primære tredjegenerations halvledermateriale, skinner især på grund af dets brede anvendelighed og er blevet betragtet som et af de vigtigste materialer efter silicium. GaN-strømenheder udviser overlegne egenskaber sammenlignet med nuværende siliciumbaserede enheder, såsom højere kritisk elektrisk feltstyrke, lavere tænd-modstand og hurtigere omskiftningsfrekvenser, hvilket fører til forbedret systemeffektivitet og ydeevne under høje driftstemperaturer.

I GaN-halvlederværdikæden, som inkluderer substrat,GaN epitaksi, enhedsdesign og fremstilling, fungerer substratet som den grundlæggende komponent. GaN er naturligvis det mest velegnede materiale til at fungere som underlaget påGaN epitaksidyrkes på grund af dets iboende kompatibilitet med en homogen vækstproces. Dette sikrer en minimal grad af stress på grund af uligheder i materialeegenskaber, hvilket resulterer i generering af epitaksiale lag af overlegen kvalitet sammenlignet med dem, der dyrkes på heterogene substrater. Ved at bruge GaN som substrat, kan højkvalitets GaN epistemologi fremstilles med internt reduceret defekttæthed med en faktor på tusind sammenlignet med substrater som safir. Dette bidrager til en betydelig reduktion i forbindelsestemperaturen for LED'er og muliggør en tidobling af lumen pr. arealenhed.

Imidlertid er det konventionelle substrat for GaN-enheder ikke GaN-enkeltkrystaller på grund af vanskeligheden forbundet med deres vækst. Fremskridtet inden for GaN-enkeltkrystalvækst er gået betydeligt langsommere end i konventionelle halvledermaterialer. Udfordringen ligger i dyrkningen af ​​GaN-krystaller, der er aflange og omkostningseffektive. Den første syntese af GaN fandt sted i 1932 ved at bruge ammoniak og et rent metalgallium til at dyrke materialet. Siden da er der blevet forfulgt omfattende forskning i GaN enkeltkrystalmaterialer, men der er stadig udfordringer. GaNs manglende evne til at smelte under normalt tryk, dets nedbrydning til Ga og nitrogen (N2) ved forhøjede temperaturer og dets dekompressionstryk, der når 6 gigapascal (GPa) ved dets smeltepunkt på 2.300 grader Celsius gør det vanskeligt for eksisterende vækstudstyr at rumme syntese af GaN enkeltkrystaller ved så høje tryk. Traditionelle smeltevækstmetoder kan ikke anvendes til GaN-enkeltkrystalvækst, hvilket nødvendiggør brugen af ​​heterogene substrater til epitaksi. I den nuværende tilstand af GaN-baserede enheder udføres vækst typisk på substrater som silicium, siliciumcarbid og safir i stedet for at bruge et homogent GaN-substrat, hvilket hæmmer udviklingen af ​​GaN-epitaksiale enheder og hindrer applikationer, der kræver et homogent substrat- vokset enhed.

Flere typer substrater anvendes i GaN-epitaksi:

1. Safir:Sapphire, eller α-Al2O3, er det mest udbredte kommercielle substrat for LED'er, der fanger en betydelig del af LED-markedet. Dets brug blev bebudet for dets unikke fordele, især i forbindelse med GaN epitaksial vækst, som producerer film med lige så lav dislokationstæthed som dem, der dyrkes på siliciumcarbidsubstrater. Sapphires fremstilling involverer smeltevækst, en moden proces, der muliggør produktion af højkvalitets enkeltkrystaller til lavere omkostninger og større størrelser, velegnet til industriel anvendelse. Som et resultat er safir et af de tidligste og mest udbredte substrater i LED-industrien.

2. Siliciumcarbid:Siliciumcarbid (SiC) er et fjerde generations halvledermateriale, der ligger på andenpladsen i markedsandel for LED-substrater efter safir. SiC er kendetegnet ved dets forskellige krystalformer, primært klassificeret i tre kategorier: kubisk (3C-SiC), sekskantet (4H-SiC) og rhomboedral (15R-SiC). Et flertal af SiC-krystaller er 3C, 4H og 6H, hvor 4H- og 6H-SiC-typerne anvendes som substrater for GaN-enheder.

Siliciumcarbid er et glimrende valg som LED-substrat. Ikke desto mindre forbliver produktionen af ​​højkvalitets, betydelige SiC-enkeltkrystaller udfordrende, og materialets lagdelte struktur gør det tilbøjeligt til at spalte, hvilket påvirker dets mekaniske integritet, hvilket potentielt introducerer overfladedefekter, der påvirker kvaliteten af ​​det epitaksiske lag. Omkostningerne ved et enkelt krystal SiC-substrat er omtrent flere gange højere end for et safirsubstrat af samme størrelse, hvilket begrænser dets udbredte anvendelse på grund af dets premium-priser.

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

3. Enkelt krystal silicium:Silicium, som er det mest udbredte og industrielt etablerede halvledermateriale, giver et solidt grundlag for produktionen af ​​GaN epitaksiale substrater. Tilgængeligheden af ​​avancerede enkeltkrystal siliciumvækstteknikker sikrer en omkostningseffektiv produktion i stor skala af 6 til 12 tommer substrater af høj kvalitet. Dette reducerer betydeligt omkostningerne ved LED'er og baner vejen for integration af LED-chips og integrerede kredsløb gennem brugen af ​​enkeltkrystal siliciumsubstrater, hvilket driver fremskridt inden for miniaturisering. Ydermere, sammenlignet med safir, som i øjeblikket er det mest almindelige LED-substrat, tilbyder siliciumbaserede enheder fordele med hensyn til termisk ledningsevne, elektrisk ledningsevne, evne til at fremstille vertikale strukturer og bedre egnethed til højeffekt LED-fremstilling.**