Introduktion till tredje generationens halvledare: GaN och relaterade epitaxialteknologier

1. Tredje generationens halvledare

(1) Första generationens halvledare

Den första generationens halvledarteknologi är baserad på material som kisel (Si) och germanium (Ge). Dessa material lade grunden för transistor- och integrerad kretsteknik (IC), som i sin tur lade grunden för 1900-talets elektronikindustri.

(2) Andra generationens halvledare
Den andra generationens halvledarmaterial inkluderar främst galliumarsenid (GaAs), indiumfosfid (InP), galliumfosfid (GaP), indiumarsenid (InAs), aluminiumarsenid (AlAs) och deras ternära föreningar. Dessa material utgör ryggraden i den optoelektroniska informationsindustrin, vilket har lett till utvecklingen av belysning, display, laser, solceller och andra relaterade industrier. De används i stor utsträckning inom modern informationsteknologi och optoelektronisk displayindustri.

(3) Tredje generationens halvledare
Representativa material för tredje generationens halvledare inkluderar galliumnitrid (GaN) och kiselkarbid (SiC). På grund av deras breda bandgap, höga elektronmättnadsdrifthastighet, höga värmeledningsförmåga och stora elektriska nedbrytningsfält är dessa material idealiska för elektroniska enheter med hög effekttäthet, hög frekvens och låga förluster. SiC-kraftenheter har hög energitäthet, låg energiförbrukning och liten storlek, vilket gör dem lämpliga för applikationer inom elfordon, solceller, järnvägstransporter och stora datasektorer. GaN RF-enheter har hög frekvens, hög effekt, bred bandbredd, låg strömförbrukning och liten storlek, vilket är fördelaktigt för 5G-kommunikation, Internet of Things (IoT) och militära radarapplikationer. Dessutom används GaN-baserade kraftenheter nu i stor utsträckning i lågspänningstillämpningar. Framväxande galliumoxidmaterial (Ga2O3) visar också potential för att komplettera befintliga SiC- och GaN-teknologier, särskilt i lågfrekventa högspänningstillämpningar.

Jämfört med andra generationens halvledarmaterial har tredje generationens material bredare bandgap (typiskt Si har ett bandgap på cirka 1,1 eV, GaAs cirka 1,42 eV, medan GaN överstiger 2,3 eV), starkare strålningsmotstånd, högre prestanda för elektrisk fältnedbrytning och bättre prestanda. uthållighet vid hög temperatur. Dessa egenskaper gör tredje generationens halvledarmaterial särskilt lämpliga för strålningsbeständiga, högfrekventa, högeffekts- och högintegrerade elektroniska enheter. De gör betydande framsteg inom RF-mikrovågsenheter, lysdioder, lasrar och kraftenheter och visar lovande framtidsutsikter inom mobil kommunikation, smarta nät, järnvägstransporter, elfordon, hemelektronik och enheter med ultraviolett och blågrönt ljus[1].

Figur 1: Marknadsstorlek och prognos för GaN Power Devices

2. Struktur och egenskaper hos GaN

Galliumnitrid (GaN) är en direkt bandgap-halvledare med ett bandgap på cirka 3,26 eV vid rumstemperatur i sin wurtzite-struktur. GaN finns främst i tre kristallina strukturer: wurtzite, zincblende och bergsalt. Wurtzite-strukturen är den mest stabila bland dessa.Figur 2 visar den hexagonala wurtzitestrukturen för GaN. I wurtzite-strukturen tillhör GaN den hexagonala tätpackade konfigurationen. Varje enhetscell innehåller 12 atomer, inklusive 6 kväve (N) atomer och 6 gallium (Ga) atomer. Varje Ga (N)-atom är bunden till 4 närmaste N (Ga)-atomer, som bildar en staplingssekvens längs [0001]-riktningen i ett ABABAB...-mönster[2].

Figur 2: Wurtzite-struktur för GaN-enhetscell

3. Vanliga substrat för GaN-epitaxi

Vid första anblicken verkar homoepitaxi på GaN-substrat vara det optimala valet för GaN-epitaxi. På grund av den höga bindningsenergin hos GaN, vid dess smältpunkt (2500°C), är emellertid motsvarande sönderdelningstryck ungefär 4,5 GPa. Under detta tryck smälter GaN inte utan sönderdelas direkt. Detta gör traditionella substratberedningstekniker, såsom Czochralski-metoden, olämpliga för beredning av GaN-enkristallsubstrat. Följaktligen är GaN-substrat svåra att massproducera och är dyra. Därför inkluderar de ofta använda substraten för GaN-epitaxi Si, SiC och safir [3].

Figur 3: Parametrar för GaN och gemensamma substratmaterial

(1) GaN Epitaxi på Sapphire

Safir är kemiskt stabilt, billigt och har en hög mognadsgrad i massproduktion, vilket gör det till ett av de tidigaste och mest använda substratmaterialen inom halvledarteknik. Som ett vanligt substrat för GaN-epitaxi måste safirsubstrat ta itu med följande nyckelfrågor:

✔ Hög gitterfelpassning: Gittermissanpassningen mellan safir (Al2O3) och GaN är signifikant (ungefär 15%), vilket leder till en hög defektdensitet vid gränsytan mellan det epitaxiella lagret och substratet. För att mildra denna negativa effekt måste substratet genomgå komplex förbearbetning innan den epitaxiella processen börjar. Detta inkluderar grundlig rengöring för att ta bort föroreningar och kvarvarande poleringsskador, skapa steg och ytstrukturer i steg, ytnitridering för att ändra vätningsegenskaperna hos det epitaxiala lagret, och slutligen avsättning av ett tunt AlN-buffertlager (typiskt 10-100 nm tjockt) följt av låg -temperaturglödgning för att förbereda den slutliga epitaxiella tillväxten. Trots dessa åtgärder förblir dislokationstätheten i GaN epitaxiella filmer odlade på safirsubstrat hög (~10^10 cm^-2) jämfört med homoepitaxi på kisel eller GaAs (dislokationsdensitet på 0 till 102-104 cm^-2). Höga defektdensiteter minskar bärarens rörlighet, förkortar minoritetsbärarnas livslängder och minskar värmeledningsförmågan, vilket allt försämrar enhetens prestanda[4].

✔ Termisk expansionskoefficient felöverensstämmelse: Safir har en högre termisk expansionskoefficient än GaN, vilket resulterar i biaxiell tryckspänning i det epitaxiella lagret när det svalnar från deponeringstemperatur till rumstemperatur. För tjockare epitaxiella filmer kan denna spänning leda till film eller till och med substratsprickor.

✔ Dålig värmeledningsförmåga: Jämfört med andra substrat har safir en lägre värmeledningsförmåga (~0,25 Wcm^-1K^-1 vid 100°C), vilket är ofördelaktigt för värmeavledning.

✔ Låg elektrisk ledningsförmåga: Safirens dåliga elektriska ledningsförmåga hindrar dess integration och tillämpning med andra halvledarenheter.

Trots den höga defekttätheten i GaN epitaxiella lager odlade på safir, verkar dess optiska och elektroniska prestanda i GaN-baserade blågröna lysdioder inte nämnvärt minskad. Därför är safirsubstrat fortfarande vanliga för GaN-baserade lysdioder. Men när fler GaN-enheter som lasrar och andra högdensitetskraftenheter utvecklas, blir de inneboende begränsningarna för safirsubstrat alltmer uppenbara.

(2) GaN-epitaxi på SiC

Jämfört med safir har SiC-substrat (4H- och 6H-polytyper) en mindre gittermissanpassning med GaN-epitaxialskikt (3,1 % längs [0001]-riktningen), högre värmeledningsförmåga (ungefär 3,8 Wcm^-1K^-1), och elektrisk ledningsförmåga som möjliggör elektriska kontakter på baksidan, vilket förenklar enhetsstrukturer. Dessa fördelar lockar ett ökande antal forskare att utforska GaN-epitaxi på SiC-substrat. Men direkt tillväxt av GaN-epitaxiallager på SiC-substrat står också inför flera utmaningar:

✔ Ytjämnhet: SiC-substrat har mycket högre ytjämnhet än safirsubstrat (0,1 nm RMS för safir, 1 nm RMS för SiC). SiC:s höga hårdhet och dåliga bearbetbarhet bidrar till denna grovhet och kvarvarande poleringsskada, som är källor till defekter i GaN epitaxiella lager.

✔ Hög gängdislokationsdensitet: SiC-substrat har höga gängdislokationsdensiteter (103-104 cm^-2), som kan fortplantas in i GaN-epitaxialskiktet och försämra enhetens prestanda.

✔ Staplingsfel: Atomarrangemanget på substratytan kan inducera staplingsfel (BSF) i GaN-epitaxiallagren. Flera möjliga atomarrangemang på SiC-substratet leder till olikformiga initiala atomstaplingssekvenser i GaN-skiktet, vilket ökar sannolikheten för staplingsfel. BSF:er längs c-axeln introducerar inbyggda elektriska fält, vilket orsakar bärarseparation och läckageproblem i enheter.

✔ Termisk expansionskoefficient Missmatch: Termisk expansionskoefficient för SiC är mindre än den för AlN och GaN, vilket leder till termisk spänningsackumulering mellan det epitaxiella lagret och substratet under kylning. Waltereit och Brands forskning tyder på att detta problem kan mildras genom att odla GaN-epitaxialskiktet på ett tunt, koherent ansträngt AlN-kärnbildande skikt.

✔ Dålig vätning av Ga-atomer: Direkt tillväxt av GaN på SiC-ytor är svår på grund av dålig vätning av Ga-atomer. GaN tenderar att växa i ett 3D-öläge, att införa buffertlager är en vanlig lösning för att förbättra kvaliteten på epitaxiella material. Införande av AlN- eller AlxGa1-xN-buffertlager kan förbättra vätningen på SiC-ytan, främja 2D-tillväxt av GaN-epitaxialskiktet och verka för att modulera stress och blockera substratdefekter från att föröka sig in i GaN-skiktet.

✔ Hög kostnad och begränsat utbud: Tekniken för beredning av kiselkarbid substrat är omogen, vilket leder till höga substratkostnader och begränsat utbud från få leverantörer.

Forskning av Torres et al. indikerar att företsning av SiC-substrat med H2 vid höga temperaturer (1600°C) skapar mer ordnade stegstrukturer, vilket resulterar i AlN-epitaxialfilmer av högre kvalitet jämfört med de som odlas direkt på obehandlade substrat. Xie och hans team visade också att etsningsförbehandling av SiC-substrat avsevärt förbättrar ytmorfologin och kristallkvaliteten hos GaN-epitaxiallager. Smith et al. fann att gängdislokationer från gränssnitten mellan substrat/buffertskiktet och buffertskikt/epitaxialskikt är relaterade till substratets planhet[5].

Figur 4: TEM-morfologi för GaN epitaxiala lager odlade på (0001) yta av 6H-SiC-substrat under olika ytbehandlingar: (a) Kemisk rengöring; (b) Kemisk rengöring + väteplasmabehandling; © Kemisk rengöring + Hydrogen Plasma Treatment + 1300°C Hydrogen Thermal Treatment i 30 min

(3) GaN-epitaxi på Si

Jämfört med kiselkarbid och safirsubstrat har kiselsubstrat mogna beredningsprocesser, stabil tillförsel av stora substrat, kostnadseffektivitet och utmärkt termisk och elektrisk ledningsförmåga. Dessutom erbjuder den mogna elektroniska kiselteknologin potentialen för perfekt integration av optoelektroniska GaN-enheter med elektroniska kiselenheter, vilket gör GaN-epitaxi på kisel mycket attraktiv. Den signifikanta gitterkonstanta oöverensstämmelsen mellan Si-substrat och GaN-material presenterar dock flera utmaningar.

✔ Gränssnittsenergiproblem: När GaN odlas på Si-substrat, bildar Si-ytan först ett amorft SiNx-skikt, vilket är skadligt för GaN-kärnbildning med hög densitet. Dessutom reagerar Si-ytor initialt med Ga, vilket orsakar ytkorrosion, och vid höga temperaturer kan Si-ytsönderdelning diffundera in i GaN-epitaxialskiktet och bilda svarta kiselfläckar.

✔ Gitterfelmatchning: Den stora gitterkonstantmissanpassningen (~17%) mellan GaN och Si resulterar i gängförskjutningar med hög densitet, vilket avsevärt minskar kvaliteten på det epitaxiala lagret.

✔ Termisk expansionskoefficient felöverensstämmelse: GaN har en större termisk expansionskoefficient än Si (GaN ~5,6×10^-6 K^-1, Si ~2,6×10^-6 K^-1), vilket kan orsaka sprickor i GaN epitaxiellt skikt under kylning från epitaxiell tillväxttemperatur till rumstemperatur.

✔ Högtemperaturreaktioner: Si reagerar med NH3 vid höga temperaturer och bildar polykristallin SiNx. AlN kan inte preferentiellt bilda kärnor på polykristallint SiNx, vilket leder till starkt desorienterad GaN-tillväxt med mycket höga defektdensiteter, vilket gör det utmanande att bilda enkristallina GaN-epitaxiallager[6].

För att ta itu med den stora gallermissanpassningen har forskare försökt introducera material som AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO och SiC som buffertlager på Si-substrat. För att förhindra bildandet av polykristallint SiNx och minska dess negativa effekter på kristallkvaliteten hos GaN/AlN/Si (111), introduceras TMAl vanligtvis före epitaxiell tillväxt av AlN-buffertskiktet för att förhindra NH3 från att reagera med den exponerade Si-ytan. Dessutom används tekniker såsom mönstrade substrat för att förbättra kvaliteten på epitaxialskiktet. Dessa utvecklingar hjälper till att undertrycka bildandet av SiNx vid det epitaxiella gränssnittet, främja 2D-tillväxt av GaN-epitaxialskiktet och förbättra tillväxtkvaliteten. Införandet av AlN-buffertskikt kompenserar för dragspänningar orsakade av skillnader i termiska expansionskoefficienter, vilket förhindrar sprickor i GaN-skiktet på kiselsubstrat. Krosts forskning indikerar en positiv korrelation mellan AlN-buffertskiktets tjocklek och minskad töjning, vilket tillåter tillväxt av över 6 μm tjocka epitaxiella skikt på kiselsubstrat utan att spricka, genom lämpliga tillväxtscheman.

Tack vare omfattande forskningsinsatser har kvaliteten på GaN epitaxiella lager som odlats på kiselsubstrat förbättrats avsevärt. Fälteffekttransistorer, Schottky-barriär ultravioletta detektorer, blågröna lysdioder och ultravioletta lasrar har alla gjort betydande framsteg.

Sammanfattningsvis är de vanliga GaN-epitaxialsubstraten alla heteroepitaxiella och möter varierande grader av gittermissanpassning och skillnader i termisk expansionskoefficient. Homoepitaxial GaN-substrat begränsas av omogen teknologi, höga produktionskostnader, små substratstorlekar och suboptimal kvalitet, vilket gör utvecklingen av nya GaN-epitaxialsubstrat och förbättring av epitaxiell kvalitet kritiska faktorer för ytterligare industriframsteg.

4. Vanliga metoder för GaN-epitaxi

(1) MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)

Även om homoepitaxi på GaN-substrat verkar vara det optimala valet för GaN-epitaxi, erbjuder Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) betydande fördelar. Genom att använda trimetylgallium och ammoniak som prekursorer, och väte som bärargas, arbetar MOCVD vanligtvis vid tillväxttemperaturer runt 1000-1100°C. Tillväxthastigheten för MOCVD är i intervallet flera mikrometer per timme. Denna metod kan producera atomärt skarpa gränssnitt, vilket gör den idealisk för odling av heterojunctions, kvantbrunnar och supergitter. Dess relativt höga tillväxthastighet, utmärkta enhetlighet och lämplighet för tillväxt med stora ytor och flera skivor gör den till en standardmetod för industriell produktion.

(2) MBE (Molecular Beam Epitaxy)

I Molecular Beam Epitaxy (MBE) används elementära källor för gallium, och aktivt kväve genereras via RF-plasma från kvävgas. Jämfört med MOCVD arbetar MBE vid betydligt lägre tillväxttemperaturer, runt 350-400°C. Denna lägre temperatur kan undvika en del av de föroreningsproblem som kan uppstå i högtemperaturmiljöer. MBE-system fungerar under förhållanden med ultrahögt vakuum, vilket möjliggör integration av fler in-situ övervakningstekniker. Tillväxttakten och produktionskapaciteten för MBE kan dock inte matcha den för MOCVD, vilket gör den mer lämpad för forskningsapplikationer[7].

Figur 5: (a) Schematisk av Eiko-MBE (b) Schematisk av MBE:s huvudreaktionskammare

(3) HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxi)

Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE) använder GaCl3 och NH3 som prekursorer. Detchprohm et al. använde denna metod för att odla flera hundra mikrometer tjocka GaN epitaxiella lager på safirsubstrat. I deras experiment odlades ett ZnO-buffertskikt mellan safirsubstratet och epitaxialskiktet, vilket gjorde att det epitaxiella skiktet kunde skalas av från substratytan. Jämfört med MOCVD och MBE är den främsta fördelen med HVPE dess höga tillväxthastighet, vilket gör den lämplig för att producera tjocka lager och bulkmaterial. Men när den epitaxiella skikttjockleken överstiger 20μm, är skikt som odlats av HVPE benägna att spricka.

Akira USUI introducerade mönstrad substratteknologi baserad på HVPE-metoden. Inledningsvis odlades ett tunt GaN epitaxiellt lager, 1-1,5 μm tjockt, på ett safirsubstrat med användning av MOCVD. Detta skikt bestod av ett 20 nm tjockt GaN-buffertskikt med låg temperatur och ett GaN-skikt med hög temperatur. Därefter, vid 430°C, avsattes ett lager av SiO2 på det epitaxiella lagrets yta, och fönsterränder skapades på SiO2-filmen genom fotolitografi. Randavståndet var 7μm, med maskbredder från 1μm till 4μm. Denna modifiering gjorde det möjligt för dem att producera GaN epitaxiella lager på 2-tums safirsubstrat, som förblev sprickfria och spegelsläta även när tjockleken ökade till tiotals eller till och med hundratals mikrometer. Defektdensiteten reducerades från den traditionella HVPE-metodens 109-1010 cm^-2 till cirka 6×10^7 cm^-2. De noterade också att provytan blev grov när tillväxthastigheten översteg 75μm/h[8]. 

                                                                                                                   

                                                                                                                                     Figur 6: Schematisk beskrivning av mönstrat substrat

5. Sammanfattning och Outlook

Den enorma efterfrågan på marknaden kommer utan tvekan att driva på betydande framsteg inom GaN-relaterade industrier och teknologier. När den industriella kedjan för GaN mognar och förbättras kommer nuvarande utmaningar inom GaN-epitaxi så småningom att mildras eller övervinnas. Framtida utveckling kommer sannolikt att introducera nya epitaxiella tekniker och överlägsna substratalternativ. Dessa framsteg kommer att möjliggöra valet av den mest lämpliga epitaxiella teknologin och substratet baserat på egenskaperna hos olika applikationsscenarier, vilket leder till produktion av mycket konkurrenskraftiga, skräddarsydda produkter.**

Referenser:

[1] "Attention"-halvledarmaterial - galliumnitrid (baidu.com)

[2] Tang Linjiang, Wan Chengan, Zhang Minghua, Li Ying, Forskningsstatus för halvledarmaterial med breda bandgap SiC och GaN, Militär och civil teknik och produkter med dubbla användningsområden, mars 2020, nummer 437, 21-28.

[3] Wang Huan, Tian Ye, Research on large mismatch stress control method of galliumnitrid on silicon substrate, Science and Technology Innovation and Application, Issue 3, 2023

[4]L.Liu, J.H.Edgar, Substrates for gallium nitride epitaxy, Materialss Science and Engineering R, 37(2002) 61-127.

[5]P.Ruterana, Philippe Vermaut, G.Nouet, A.Salvador, H.Morkoc, Ytbehandling och lagerstruktur i 2H-GaN-tillväxt på (0001)Si-ytan av 6H-SiC av MBE, MRS Internet J. Nitrid Semicond. Res. 2(1997)42.

[6]M.A.Sanchez-Garcia, F.B. Naranjo, J.L.Pau, A.Jimenez, E.Calleja, E.Munoz,Ultraviolett elektroluminescens i GaN/AlGaN enkelheterojunction lysdioder odlade på Si(111), Journal of Applied Physics 87,1569(2000).

[7]Xinqiang Wang, Akihiko Yoshikawa, Molecular beam epitaxi growth of GaN, AlN and InN, Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials 48/49 (2004) 42-103.

[8]Akira Usui，Haruo Sunakawa，Akira Sakai och A. atsushi Yamaguchi, Tjock GaN epitaxiell tillväxt med låg dislokationsdensitet genom hydridångfasepitaxi, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 36 (1997) sid. 899-902.