2024-05-31
1. Third-Generation Semiconductors
(1) First-Generation Semiconductor
Ang unang henerasyong teknolohiya ng semiconductor ay batay sa mga materyales tulad ng silicon (Si) at germanium (Ge). Ang mga materyales na ito ay naglatag ng pundasyon para sa transistor at integrated circuit (IC) na teknolohiya, na siya namang nagtatag ng batayan ng ika-20 siglong industriya ng electronics.
Kung ikukumpara sa mga second-generation semiconductor na materyales, ang mga third-generation na materyales ay nagtataglay ng mas malawak na bandgap (karaniwang Si ay may bandgap na humigit-kumulang 1.1 eV, GaAs mga 1.42 eV, habang ang GaN ay lumampas sa 2.3 eV), mas malakas na radiation resistance, mas mataas na electric field breakdown performance, at mas mahusay. mataas na temperatura na pagtitiis. Ang mga katangiang ito ay gumagawa ng mga third-generation na semiconductor na materyales na partikular na angkop para sa radiation-resistant, high-frequency, high-power, at high-integration density na mga electronic device. Gumagawa sila ng mga makabuluhang hakbang sa mga microwave RF device, LED, laser, at power device, at nagpapakita ng mga magagandang prospect sa mga mobile communication, smart grids, rail transport, electric vehicles, consumer electronics, at ultraviolet at blue-green light device[1].
Figure 1: Sukat ng Market at Pagtataya ng GaN Power Devices
2. Istruktura at Katangian ng GaN
Ang Gallium Nitride (GaN) ay isang direktang bandgap semiconductor na may bandgap na humigit-kumulang 3.26 eV sa temperatura ng silid sa istraktura ng wurtzite nito. Pangunahing umiiral ang GaN sa tatlong kristal na istruktura: wurtzite, zincblende, at rock-salt. Ang istraktura ng wurtzite ay ang pinaka-matatag sa mga ito.Ipinapakita ng Figure 2 ang hexagonal wurtzite na istraktura ng GaN. Sa istraktura ng wurtzite, kabilang ang GaN sa hexagonal na malapit na naka-pack na configuration. Ang bawat unit cell ay naglalaman ng 12 atoms, kabilang ang 6 nitrogen (N) atoms at 6 gallium (Ga) atoms. Ang bawat Ga (N) atom ay nakagapos sa 4 na pinakamalapit na N (Ga) atoms, na bumubuo ng stacking sequence sa [0001] na direksyon sa isang AABAB… pattern[2].
Figure 2: Wurtzite Structure ng GaN Unit Cell
Sa unang sulyap, ang homoepitaxy sa mga substrate ng GaN ay lumilitaw na pinakamainam na pagpipilian para sa GaN epitaxy. Gayunpaman, dahil sa mataas na enerhiya ng bono ng GaN, sa punto ng pagkatunaw nito (2500 ° C), ang kaukulang presyon ng agnas ay humigit-kumulang 4.5 GPa. Sa ilalim ng presyon na ito, ang GaN ay hindi natutunaw ngunit direktang nabubulok. Ginagawa nitong hindi angkop ang mga tradisyunal na diskarte sa paghahanda ng substrate, tulad ng pamamaraang Czochralski para sa paghahanda ng mga solong kristal na substrate ng GaN. Dahil dito, ang mga substrate ng GaN ay mahirap gawing mass at magastos. Samakatuwid, ang karaniwang ginagamit na mga substrate para sa GaN epitaxy ay kinabibilangan ng Si, SiC, at sapphire[3].
Larawan 3: Mga Parameter ng GaN at Mga Karaniwang Substrate na Materyal
(1) GaN Epitaxy on Sapphire
Ang sapphire ay chemically stable, mura, at may mataas na antas ng maturity sa mass production, na ginagawa itong isa sa pinakamaagang at pinakamalawak na ginagamit na substrate materials sa semiconductor device engineering. Bilang karaniwang substrate para sa GaN epitaxy, kailangang tugunan ng mga sapphire substrate ang mga sumusunod na pangunahing isyu:
✔ High Lattice Mismatch: Ang lattice mismatch sa pagitan ng sapphire (Al2O3) at GaN ay makabuluhan (humigit-kumulang 15%), na humahantong sa mataas na density ng depekto sa interface sa pagitan ng epitaxial layer at substrate. Upang mapagaan ang masamang epekto na ito, ang substrate ay dapat sumailalim sa kumplikadong pre-processing bago magsimula ang proseso ng epitaxial. Kabilang dito ang masusing paglilinis upang maalis ang mga kontaminant at natitirang pinsala sa buli, paglikha ng mga hakbang at hakbang na mga istruktura sa ibabaw, nitridation sa ibabaw upang baguhin ang mga katangian ng basa ng epitaxial layer, at sa wakas ay magdeposito ng manipis na AlN buffer layer (karaniwang 10-100 nm ang kapal) na sinusundan ng mababang -temperature annealing upang maghanda para sa huling paglaki ng epitaxial. Sa kabila ng mga hakbang na ito, ang dislocation density sa GaN epitaxial films na lumago sa sapphire substrates ay nananatiling mataas (~10^10 cm^-2) kumpara sa homoepitaxy sa silicon o GaAs (dislocation density na 0 hanggang 102-104 cm^-2). Binabawasan ng mga mataas na depekto ang kadaliang mapakilos ng carrier, pinapaikli ang buhay ng carrier ng minorya, at binabawasan ang thermal conductivity, na lahat ay nakakasira sa performance ng device[4].
✔ Thermal Expansion Coefficient Mismatch: Ang Sapphire ay may mas malaking thermal expansion coefficient kaysa sa GaN, na nagreresulta sa biaxial compressive stress sa loob ng epitaxial layer habang lumalamig ito mula sa deposition temperature hanggang sa room temperature. Para sa mas makapal na epitaxial film, ang stress na ito ay maaaring humantong sa film o kahit na substrate cracking.
✔ Hindi magandang Thermal Conductivity: Kung ikukumpara sa ibang mga substrate, ang sapphire ay may mas mababang thermal conductivity (~0.25 Wcm^-1K^-1 sa 100°C), na hindi kanais-nais para sa pag-alis ng init.
✔ Mababang Electrical Conductivity: Ang mahinang electrical conductivity ng sapphire ay humahadlang sa pagsasama at paggamit nito sa iba pang mga semiconductor device.
Sa kabila ng mataas na densidad ng depekto sa mga layer ng epitaxial ng GaN na lumaki sa sapiro, ang optical at electronic na pagganap nito sa mga blue-green na LED na nakabatay sa GaN ay hindi lumilitaw na makabuluhang nabawasan. Samakatuwid, ang mga substrate ng sapphire ay nananatiling karaniwan para sa mga LED na nakabatay sa GaN. Gayunpaman, habang dumarami ang mga GaN device gaya ng mga laser at iba pang high-density na power device, lalong lumilitaw ang mga likas na limitasyon ng sapphire substrates.
(2) GaN Epitaxy sa SiC
Kung ikukumpara sa sapphire, ang mga substrate ng SiC (4H- at 6H-polytypes) ay may mas maliit na sala-sala na hindi tugma sa mga layer ng epitaxial ng GaN (3.1% sa direksyon ng [0001]), mas mataas na thermal conductivity (humigit-kumulang 3.8 Wcm^-1K^-1), at electrical conductivity na nagbibigay-daan para sa backside electrical contacts, pagpapasimple ng mga istruktura ng device. Ang mga bentahe na ito ay nakakakuha ng dumaraming bilang ng mga mananaliksik upang tuklasin ang GaN epitaxy sa mga substrate ng SiC. Gayunpaman, ang direktang paglaki ng mga layer ng epitaxial ng GaN sa mga substrate ng SiC ay nahaharap din sa ilang mga hamon:
✔ Kagaspang sa Ibabaw: Ang mga substrate ng SiC ay may mas mataas na pagkamagaspang sa ibabaw kaysa sa mga substrate ng sapphire (0.1 nm RMS para sa sapphire, 1 nm RMS para sa SiC). Ang mataas na tigas at mahinang machinability ng SiC ay nag-aambag sa pagkamagaspang na ito at natitirang pagkasira ng buli, na pinagmumulan ng mga depekto sa mga layer ng epitaxial ng GaN.
✔ High Threading Dislocation Density: Ang mga SiC substrate ay may mataas na threading dislocation density (103-104 cm^-2), na maaaring dumami sa GaN epitaxial layer at pababain ang performance ng device.
✔ Stacking Faults: Ang atomic arrangement sa substrate surface ay maaaring magdulot ng stacking faults (BSFs) sa GaN epitaxial layers. Maramihang posibleng atomic arrangement sa SiC substrate ay humahantong sa hindi pare-parehong paunang atomic stacking sequence sa GaN layer, na nagdaragdag ng posibilidad ng stacking faults. Ang mga BSF sa kahabaan ng c-axis ay nagpapakilala ng mga built-in na electric field, na nagiging sanhi ng paghihiwalay ng carrier at mga isyu sa pagtagas sa mga device.
✔ Thermal Expansion Coefficient Mismatch: Ang thermal expansion coefficient ng SiC ay mas maliit kaysa sa AlN at GaN, na humahantong sa thermal stress accumulation sa pagitan ng epitaxial layer at substrate habang pinapalamig. Ang pananaliksik ni Waltereit at Brand ay nagmumungkahi na ang isyung ito ay maaaring pagaanin sa pamamagitan ng pagpapalaki ng GaN epitaxial layer sa isang manipis, magkakaugnay na strained AlN nucleation layer.
✔ Mahinang Pagbasa ng Ga Atoms: Ang direktang paglaki ng GaN sa mga ibabaw ng SiC ay mahirap dahil sa mahinang basa ng mga Ga atom. Ang GaN ay may posibilidad na lumago sa isang 3D island mode, ang pagpapakilala ng mga buffer layer ay isang karaniwang solusyon upang mapabuti ang kalidad ng mga epitaxial na materyales. Ang pagpapakilala ng AlN o AlxGa1-xN buffer layer ay maaaring mapabuti ang basa sa ibabaw ng SiC, na nagpo-promote ng 2D na paglaki ng GaN epitaxial layer at kumikilos upang baguhin ang stress at harangan ang mga depekto ng substrate mula sa pagpapalaganap sa layer ng GaN.
✔ Mataas na Gastos at Limitadong Supply: Ang teknolohiya sa paghahanda ng substrate ng SiC ay hindi pa gulang, na humahantong sa mataas na gastos ng substrate at limitadong supply mula sa ilang mga vendor.
Pananaliksik ni Torres et al. ay nagpapahiwatig na ang pre-etching na mga substrate ng SiC na may H2 sa mataas na temperatura (1600°C) ay lumilikha ng mas maayos na mga istruktura ng hakbang, na nagreresulta sa mas mataas na kalidad na mga AlN epitaxial film kumpara sa mga direktang lumaki sa hindi ginagamot na mga substrate. Ipinakita rin ni Xie at ng kanyang koponan na ang pag-ukit ng pretreatment ng mga substrate ng SiC ay makabuluhang nagpapabuti sa morpolohiya sa ibabaw at kalidad ng kristal ng mga layer ng epitaxial ng GaN. Smith et al. natagpuan na ang mga threading dislocations mula sa substrate/buffer layer at buffer layer/epitaxial layer interface ay nauugnay sa substrate flatness[5].
Figure 4: TEM Morphology ng GaN Epitaxial Layers na Lumago sa (0001) Mukha ng 6H-SiC Substrates Sa ilalim ng Iba't ibang Surface Treatments: (a) Chemical Cleaning; (b) Paglilinis ng Kemikal + Paggamot sa Hydrogen Plasma; © Chemical Cleaning + Hydrogen Plasma Treatment + 1300°C Hydrogen Thermal Treatment sa loob ng 30 min
(3) GaN Epitaxy sa Si
Kung ikukumpara sa mga substrate ng SiC at sapphire, ipinagmamalaki ng mga substrate ng silikon ang mga mature na proseso ng paghahanda, matatag na supply ng substrate na may malalaking sukat, pagiging epektibo sa gastos, at mahusay na thermal at electrical conductivity. Bukod pa rito, ang teknolohiya ng mature na silicon na elektronikong aparato ay nag-aalok ng potensyal para sa perpektong pagsasama ng mga optoelectronic na GaN device sa mga silicon na elektronikong device, na ginagawang lubos na kaakit-akit ang GaN epitaxy sa silicon. Gayunpaman, ang makabuluhang sala-sala na patuloy na mismatch sa pagitan ng mga substrate ng Si at mga materyales ng GaN ay nagpapakita ng ilang mga hamon.
✔ Mga Isyu sa Enerhiya ng Interface: Kapag lumaki ang GaN sa mga substrate ng Si, ang Si surface ay unang bumubuo ng isang amorphous na layer ng SiNx, na nakakasama sa high-density na GaN nucleation. Bilang karagdagan, ang mga ibabaw ng Si ay unang tumutugon sa Ga, na nagiging sanhi ng kaagnasan sa ibabaw, at sa mataas na temperatura, ang pagkabulok ng ibabaw ng Si ay maaaring kumalat sa layer ng epitaxial ng GaN, na bumubuo ng mga itim na silicon spot.
✔ Lattice Mismatch: Ang malaking lattice constant mismatch (~17%) sa pagitan ng GaN at Si ay nagreresulta sa high-density threading dislocations, na makabuluhang binabawasan ang kalidad ng epitaxial layer.
✔ Thermal Expansion Coefficient Mismatch: Ang GaN ay may mas malaking thermal expansion coefficient kaysa Si (GaN ~5.6×10^-6 K^-1, Si ~2.6×10^-6 K^-1), na maaaring magdulot ng mga bitak sa GaN epitaxial layer sa panahon ng paglamig mula sa epitaxial growth temperature hanggang sa room temperature.
✔ High-Temperature Reactions: Ang Si ay tumutugon sa NH3 sa mataas na temperatura, na bumubuo ng polycrystalline SiNx. Ang AlN ay hindi maaaring mag-nucleate sa polycrystalline SiNx, na humahantong sa lubos na disoriented na paglaki ng GaN na may napakataas na densidad ng depekto, na ginagawang hamon ang pagbuo ng mga single-crystal na GaN na epitaxial layer[6].
Upang matugunan ang malaking sala-sala na mismatch, sinubukan ng mga mananaliksik na ipakilala ang mga materyales gaya ng AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, at SiC bilang mga buffer layer sa mga substrate ng Si. Upang maiwasan ang pagbuo ng polycrystalline SiNx at bawasan ang masamang epekto nito sa kalidad ng kristal ng GaN/AlN/Si (111), karaniwang ipinakilala ang TMal bago ang epitaxial growth ng AlN buffer layer upang maiwasan ang NH3 na tumugon sa nakalantad na Si surface. Bilang karagdagan, ang mga diskarte tulad ng mga patterned substrates ay ginagamit upang mapabuti ang kalidad ng epitaxial layer. Ang mga pagpapaunlad na ito ay nakakatulong na sugpuin ang pagbuo ng SiNx sa epitaxial interface, i-promote ang 2D na paglaki ng GaN epitaxial layer, at pahusayin ang kalidad ng paglago. Ang pagpapakilala ng mga layer ng buffer ng AlN ay nagbabayad para sa tensile stress na dulot ng mga pagkakaiba sa mga thermal expansion coefficient, na pumipigil sa mga bitak sa layer ng GaN sa mga substrate ng silikon. Ang pananaliksik ni Krost ay nagpapahiwatig ng isang positibong ugnayan sa pagitan ng kapal ng layer ng buffer ng AlN at pinababang strain, na nagpapahintulot sa paglaki ng higit sa 6 μm na kapal ng epitaxial layer sa mga substrate ng silikon nang walang pag-crack, sa pamamagitan ng naaangkop na mga scheme ng paglago.
Salamat sa malawak na pagsusumikap sa pagsasaliksik, ang kalidad ng GaN epitaxial layer na lumago sa mga substrate ng silikon ay bumuti nang malaki. Ang mga field-effect transistor, Schottky barrier ultraviolet detector, blue-green na LED, at ultraviolet laser ay gumawa ng makabuluhang pag-unlad.
Sa konklusyon, ang mga karaniwang GaN epitaxial substrates ay heteroepitaxial lahat, na nakaharap sa iba't ibang antas ng sala-sala mismatch at mga pagkakaiba sa koepisyent ng thermal expansion. Ang mga substrate ng Homoepitaxial GaN ay nililimitahan ng hindi pa nabubuong teknolohiya, mataas na gastos sa produksyon, maliliit na sukat ng substrate, at suboptimal na kalidad, na ginagawang pagbuo ng mga bagong substrate ng GaN epitaxial at pagpapabuti ng mga kritikal na salik ng kalidad ng epitaxial para sa karagdagang pagsulong ng industriya.
4. Mga Karaniwang Paraan para sa GaN Epitaxy
(1) MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)
Habang ang homoepitaxy sa mga substrate ng GaN ay lumilitaw na pinakamainam na pagpipilian para sa GaN epitaxy, ang Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) ay nag-aalok ng mga makabuluhang bentahe. Gamit ang trimethylgallium at ammonia bilang mga precursor, at hydrogen bilang carrier gas, karaniwang gumagana ang MOCVD sa mga temperatura ng paglago sa paligid ng 1000-1100°C. Ang rate ng paglago ng MOCVD ay nasa hanay ng ilang micrometer kada oras. Ang pamamaraang ito ay maaaring makagawa ng mga atomically sharp interface, na ginagawa itong perpekto para sa lumalaking heterojunctions, quantum wells, at superlattices. Ang medyo mataas na bilis ng paglago nito, mahusay na pagkakapareho, at pagiging angkop para sa malaking lugar at multi-wafer na paglago ay ginagawa itong isang karaniwang paraan para sa pang-industriyang produksyon.
(2) MBE (Molecular Beam Epitaxy)
Sa Molecular Beam Epitaxy (MBE), ang mga elemental na mapagkukunan ay ginagamit para sa gallium, at ang aktibong nitrogen ay nabuo sa pamamagitan ng RF plasma mula sa nitrogen gas. Kung ikukumpara sa MOCVD, gumagana ang MBE sa makabuluhang mas mababang temperatura ng paglaki, sa paligid ng 350-400°C. Maaaring maiwasan ng mas mababang temperatura na ito ang ilan sa mga isyu sa kontaminasyon na maaaring lumitaw sa mga kapaligiran na may mataas na temperatura. Ang mga MBE system ay gumagana sa ilalim ng napakataas na mga kondisyon ng vacuum, na nagbibigay-daan para sa pagsasama ng higit pang mga in-situ na diskarte sa pagsubaybay. Gayunpaman, ang rate ng paglago at kapasidad ng produksyon ng MBE ay hindi maaaring tumugma sa MOCVD, na ginagawa itong mas angkop para sa mga aplikasyon ng pananaliksik[7].
Figure 5: (a) Schematic ng Eiko-MBE (b) Schematic ng MBE Main Reaction Chamber
(3) HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy)
Ang Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE) ay gumagamit ng GaCl3 at NH3 bilang mga precursor. Detchprohm et al. ginamit ang pamamaraang ito upang palaguin ang ilang daang micrometer na makapal na mga layer ng epitaxial ng GaN sa mga substrate ng sapiro. Sa kanilang mga eksperimento, isang ZnO buffer layer ay lumaki sa pagitan ng sapphire substrate at ng epitaxial layer, na nagpapahintulot sa epitaxial layer na ma-peel off mula sa substrate surface. Kung ikukumpara sa MOCVD at MBE, ang pangunahing bentahe ng HVPE ay ang mataas na rate ng paglago nito, na ginagawa itong angkop para sa paggawa ng makapal na layer at maramihang materyales. Gayunpaman, kapag ang kapal ng epitaxial layer ay lumampas sa 20μm, ang mga layer na pinalaki ng HVPE ay madaling ma-crack.
Ipinakilala ng Akira USUI ang naka-pattern na teknolohiya ng substrate batay sa paraan ng HVPE. Sa una, isang manipis na GaN epitaxial layer, 1-1.5μm ang kapal, ay lumaki sa isang sapphire substrate gamit ang MOCVD. Ang layer na ito ay binubuo ng isang 20nm na makapal na low-temperature na GaN buffer layer at isang high-temperature na GaN layer. Kasunod nito, sa 430 ° C, ang isang layer ng SiO2 ay idineposito sa ibabaw ng epitaxial layer, at ang mga guhit ng bintana ay nilikha sa SiO2 film sa pamamagitan ng photolithography. Ang stripe spacing ay 7μm, na may mga lapad ng mask mula 1μm hanggang 4μm. Ang pagbabagong ito ay nagbigay-daan sa kanila na makagawa ng GaN epitaxial layer sa 2-inch diameter na sapphire substrates, na nanatiling crack-free at mirror-smooth kahit na tumaas ang kapal sa sampu o kahit na daan-daang micrometer. Ang density ng depekto ay nabawasan mula sa tradisyonal na pamamaraan ng HVPE na 109-1010 cm^-2 hanggang humigit-kumulang 6×10^7 cm^-2. Napansin din nila na ang sample na ibabaw ay naging magaspang kapag ang rate ng paglago ay lumampas sa 75μm/h[8].
Figure 6: Schematic ng Patterned Substrate
5. Buod at Outlook
Ang napakalaking pangangailangan sa merkado ay walang alinlangan na magtutulak ng mga makabuluhang pagsulong sa mga industriya at teknolohiyang nauugnay sa GaN. Habang tumatanda at umuunlad ang industriyal na chain para sa GaN, ang mga kasalukuyang hamon sa GaN epitaxy ay mababawasan o malalampasan. Ang mga pag-unlad sa hinaharap ay malamang na magpakilala ng mga bagong epitaxial technique at superior substrate na opsyon. Ang pag-unlad na ito ay magbibigay-daan sa pagpili ng pinaka-angkop na epitaxial na teknolohiya at substrate batay sa mga katangian ng iba't ibang mga sitwasyon ng aplikasyon, na humahantong sa produksyon ng lubos na mapagkumpitensya, customized na mga produkto.**
Mga sanggunian:
[1] "Attention" Semiconductor Material-Gallium Nitride (baidu.com)
[2] Tang Linjiang, Wan Chengan, Zhang Minghua, Li Ying, Status ng pananaliksik ng malawak na bandgap na semiconductor na materyales na SiC at GaN, Militar at Sibilyan na Dual-use na Teknolohiya at Produkto, Marso 2020, Isyu 437, 21-28.
[3] Wang Huan, Tian Ye, Pananaliksik sa malaking mismatch stress control na paraan ng gallium nitride sa silicon substrate, Science and Technology Innovation and Application, Isyu 3, 2023
[4]L.Liu, J.H.Edgar, Substrates para sa gallium nitride epitaxy,Materialss Science and Engineering R, 37(2002) 61-127.
[5]P.Ruterana, Philippe Vermaut, G.Nouet, A.Salvador, H.Morkoc, Surface treatment at layer structure sa 2H-GaN growth sa (0001)Si surface ng 6H-SiC ng MBE, MRS Internet J. Nitride Semicond. Res.2(1997)42.
[6]M.A.Sanchez-Garcia, F.B. Naranjo, J.L.Pau, A.Jimenez, E.Calleja, E.Munoz,Ultraviolet electroluminescence sa GaN/AlGaN single-heterojunction light-emitting diodes na lumago sa Si(111),Journal of Applied Physics 87,1569(2000).
[7]Xinqiang Wang, Akihiko Yoshikawa, Molecular beam epitaxy growth ng GaN, AlN at InN, Progress in Crystal Growth at Characterization of Materials 48/49 (2004) 42-103.
[8]Akira Usui,Haruo Sunakawa,Akira Sakai at A. atsushi Yamaguchi, Thick GaN epitaxial growth na may mababang dislocation density sa pamamagitan ng hydride vapor phase epitaxy, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 36 (1997) pp.899-902.