Varför växer inte Gllium Nitride (GaN) epitaxi på ett GaN-substrat?

Tillväxten avGaN epitaxipå GaN-substrat utgör en unik utmaning, trots materialets överlägsna egenskaper jämfört med kisel.GaN epitaxierbjuder betydande fördelar i form av bandgapbredd, värmeledningsförmåga och elektriskt fältnedbrytning jämfört med kiselbaserade material. Detta gör antagandet av GaN som ryggraden för den tredje generationens halvledare, som ger förbättrad kylning, lägre ledningsförluster och förbättrad prestanda under höga temperaturer och frekvenser, till ett lovande och avgörande framsteg för den fotoniska och mikro-elektroniska industrin.

GaN, som det primära tredje generationens halvledarmaterial, lyser särskilt på grund av dess breda tillämpbarhet och har betraktats som ett av de viktigaste materialen efter kisel. GaN kraftenheter uppvisar överlägsna egenskaper jämfört med nuvarande kiselbaserade enheter, såsom högre kritisk elektrisk fältstyrka, lägre på-motstånd och snabbare switchfrekvenser, vilket leder till förbättrad systemeffektivitet och prestanda under höga driftstemperaturer.

I GaN-halvledarvärdekedjan, som inkluderar substrat,GaN epitaxi, enhetsdesign och tillverkning, substratet fungerar som den grundläggande komponenten. GaN är naturligtvis det mest lämpliga materialet för att fungera som substrat på vilketGaN epitaxiodlas på grund av dess inneboende kompatibilitet med en homogen tillväxtprocess. Detta säkerställer en minimal grad av stress på grund av skillnader i materialegenskaper, vilket resulterar i generering av epitaxiella lager av överlägsen kvalitet jämfört med de som odlas på heterogena substrat. Genom att använda GaN som substrat kan högkvalitativ GaN epistemologi produceras, med internt reducerad defektdensitet med en faktor på tusen jämfört med substrat som safir. Detta bidrar till en betydande minskning av kopplingstemperaturen för lysdioder och möjliggör en tiofaldig ökning av lumen per ytenhet.

Det konventionella substratet för GaN-anordningar är emellertid inte GaN-enkristaller på grund av svårigheten förknippad med deras tillväxt. Framstegen inom GaN enkristalltillväxt har gått betydligt långsammare än i konventionella halvledarmaterial. Utmaningen ligger i odlingen av GaN-kristaller som är långsträckta och kostnadseffektiva. Den första syntesen av GaN skedde 1932, med ammoniak och en ren metallgallium för att odla materialet. Sedan dess har omfattande forskning bedrivits om GaN enkristallmaterial, men utmaningar kvarstår. GaN:s oförmåga att smälta under normalt tryck, dess sönderdelning till Ga och kväve (N2) vid förhöjda temperaturer och dess dekompressionstryck som når 6 gigapascal (GPa) vid sin smältpunkt på 2 300 grader Celsius gör det svårt för befintlig odlingsutrustning att ta emot syntes av GaN-enkristaller vid så höga tryck. Traditionella smälttillväxtmetoder kan inte användas för GaN-enkristalltillväxt, vilket gör det nödvändigt att använda heterogena substrat för epitaxi. I det nuvarande tillståndet för GaN-baserade enheter utförs tillväxt vanligtvis på substrat som kisel, kiselkarbid och safir, snarare än att använda ett homogent GaN-substrat, vilket hämmar utvecklingen av GaN-epitaxialenheter och hindrar applikationer som kräver ett homogent substrat- odlad enhet.

Flera typer av substrat används i GaN epitaxi:

1. Safir:Sapphire, eller α-Al2O3, är det mest utbredda kommersiella substratet för lysdioder, och fångar en betydande del av LED-marknaden. Dess användning hyllades för sina unika fördelar, särskilt i samband med GaN epitaxiell tillväxt, som producerar filmer med lika låg dislokationsdensitet som de som odlas på kiselkarbidsubstrat. Sapphires tillverkning involverar smälttillväxt, en mogen process som möjliggör produktion av högkvalitativa enkristaller till lägre kostnader och större storlekar, lämpliga för industriell tillämpning. Som ett resultat är safir ett av de tidigaste och mest utbredda substraten i LED-industrin.

2. Kiselkarbid:Kiselkarbid (SiC) är ett fjärde generationens halvledarmaterial som ligger på andra plats i marknadsandel för LED-substrat, efter safir. SiC kännetecknas av dess olika kristallformer, primärt indelade i tre kategorier: kubisk (3C-SiC), hexagonal (4H-SiC) och romboedrisk (15R-SiC). En majoritet av SiC-kristaller är 3C, 4H och 6H, med 4H- och 6H-SiC-typerna som används som substrat för GaN-enheter.

Kiselkarbid är ett utmärkt val som LED-substrat. Ändå är produktionen av högkvalitativa, stora SiC-enkristaller fortfarande utmanande, och materialets skiktade struktur gör det benäget att spjälka, vilket påverkar dess mekaniska integritet, vilket potentiellt kan introducera ytdefekter som påverkar kvaliteten på det epitaxiella lagret. Kostnaden för ett enkristall-SiC-substrat är ungefär flera gånger högre än för ett safirsubstrat av samma storlek, vilket begränsar dess utbredda tillämpning på grund av dess premiumprissättning.

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

3. Single Crystal Silicon:Kisel, som är det mest använda och industriellt etablerade halvledarmaterialet, ger en solid grund för produktion av GaN epitaxiella substrat. Tillgången till avancerade tekniker för tillväxt av enkristallkisel säkerställer en kostnadseffektiv, storskalig produktion av högkvalitativa 6 till 12 tums substrat. Detta minskar kostnaden för lysdioder avsevärt och banar väg för integrering av LED-chips och integrerade kretsar genom användning av enkristallkiselsubstrat, vilket driver framsteg inom miniatyrisering. Jämfört med safir, som för närvarande är det vanligaste LED-substratet, erbjuder kiselbaserade enheter fördelar när det gäller värmeledningsförmåga, elektrisk ledningsförmåga, förmåga att tillverka vertikala strukturer och bättre passform för högeffekts LED-tillverkning.**