Bakit Hindi Lumalaki ang Gllium Nitride (GaN) Epitaxy sa substrate ng GaN?

Ang paglaki ngGaN epitaxysa substrate ng GaN ay nagpapakita ng isang natatanging hamon, sa kabila ng mga superior na katangian ng materyal kung ihahambing sa silikon.GaN epitaxynag-aalok ng makabuluhang mga pakinabang sa mga tuntunin ng lapad ng band gap, thermal conductivity, at pagkasira ng electric field sa mga materyales na nakabatay sa silikon. Ginagawa nitong pag-ampon ang GaN bilang backbone para sa ikatlong henerasyon ng mga semiconductors, na nagbibigay ng pinahusay na paglamig, mas mababang pagkawala ng pagpapadaloy, at pinahusay na pagganap sa ilalim ng mataas na temperatura at mga frequency, isang promising at mahalagang pagsulong para sa photonic at micro-electronic na industriya.

Ang GaN, bilang pangunahing materyal na semiconductor ng ikatlong henerasyon, lalo na nagniningning dahil sa malawak na kakayahang magamit nito at itinuturing na isa sa pinakamahalagang materyales kasunod ng silikon. Ang mga GaN power device ay nagpapakita ng mga mahuhusay na katangian kumpara sa kasalukuyang mga device na nakabatay sa silicon, tulad ng mas mataas na kritikal na lakas ng electric field, mas mababang on-resistance, at mas mabilis na switching frequency, na humahantong sa pinahusay na kahusayan at performance ng system sa ilalim ng mataas na temperatura ng pagpapatakbo.

Sa GaN semiconductor value chain, na kinabibilangan ng substrate,GaN epitaxy, disenyo ng device, at pagmamanupaktura, ang substrate ay nagsisilbing pangunahing bahagi. Ang GaN ay natural na pinaka-angkop na materyal para sa pagsisilbing substrate kung saanGaN epitaxyay lumago dahil sa kanyang intrinsic compatibility sa isang homogenous na proseso ng paglago. Tinitiyak nito ang kaunting antas ng stress dahil sa mga pagkakaiba-iba sa mga materyal na katangian, na nagreresulta sa pagbuo ng mga epitaxial layer na may mataas na kalidad kumpara sa mga lumaki sa mga heterogenous na substrate. Sa pamamagitan ng paggamit ng GaN bilang substrate, maaaring magawa ang mataas na kalidad na epistemology ng GaN, na may panloob na pagbawas sa density ng depekto sa pamamagitan ng isang kadahilanan na isang libo kumpara sa mga substrate tulad ng sapphire. Nag-aambag ito sa isang makabuluhang pagbawas sa temperatura ng junction ng mga LED at nagbibigay-daan sa isang sampung beses na pagpapahusay sa lumens bawat unit area.

Gayunpaman, ang maginoo na substrate ng GaN device ay hindi GaN solong kristal dahil sa kahirapan na nauugnay sa kanilang paglaki. Ang pagsulong sa paglago ng solong kristal ng GaN ay umunlad nang mas mabagal kaysa sa mga maginoo na materyales na semiconductor. Ang hamon ay nakasalalay sa paglilinang ng mga kristal ng GaN na pinahaba at cost-effective. Ang unang synthesis ng GaN ay naganap noong 1932, gamit ang ammonia at purong metal gallium upang palaguin ang materyal. Simula noon, ang malawak na pananaliksik ay hinabol sa GaN solong kristal na materyales, ngunit nananatili ang mga hamon. Ang kawalan ng kakayahan ng GaN na matunaw sa ilalim ng normal na presyon, ang pagkabulok nito sa Ga at nitrogen (N2) sa matataas na temperatura, at ang decompression pressure nito na umabot sa 6 gigapascal (GPa) sa punto ng pagkatunaw nito na 2,300 degrees Celsius ay nagpapahirap para sa mga kasalukuyang kagamitan sa paglago upang ma-accommodate ang synthesis ng GaN solong kristal sa naturang mataas na presyon. Ang mga tradisyunal na pamamaraan ng paglago ng matunaw ay hindi maaaring gamitin para sa paglaki ng solong kristal ng GaN, kaya nangangailangan ng paggamit ng mga heterogenous na substrate para sa epitaxy. Sa kasalukuyang estado ng GaN-based na mga device, ang paglago ay karaniwang ginagawa sa mga substrate tulad ng silicon, silicon carbide, at sapphire, sa halip na gumamit ng homogenous na GaN substrate, na humahadlang sa pagbuo ng GaN epitaxial device at humahadlang sa mga application na nangangailangan ng homogenous substrate- lumaki na aparato.

Maraming uri ng substrate ang ginagamit sa GaN epitaxy:

1. Sapiro:Ang Sapphire, o α-Al2O3, ay ang pinakalaganap na komersyal na substrate para sa mga LED, na kumukuha ng malaking bahagi ng LED market. Ang paggamit nito ay ipinahayag para sa mga natatanging pakinabang nito, lalo na sa konteksto ng paglago ng epitaxial ng GaN, na gumagawa ng mga pelikulang may pantay na mababang dislokasyon na densidad tulad ng mga lumaki sa mga substrate ng silicon carbide. Kasama sa pagmamanupaktura ng Sapphire ang melt growth, isang mature na proseso na nagbibigay-daan sa paggawa ng mga de-kalidad na solong kristal sa mas mababang gastos at mas malalaking sukat, na angkop para sa pang-industriyang aplikasyon. Bilang resulta, ang sapphire ay isa sa pinakamaagang at pinakalaganap na substrate sa industriya ng LED.

2. Silicon Carbide:Ang Silicon carbide (SiC) ay isang pang-apat na henerasyong semiconductor na materyal na pumapangalawa sa market share para sa LED substrates, kasunod ng sapphire. Ang SiC ay nailalarawan sa pamamagitan ng magkakaibang mga anyo ng kristal, pangunahing inuri sa tatlong kategorya: kubiko (3C-SiC), hexagonal (4H-SiC), at rhombohedral (15R-SiC). Karamihan sa mga kristal ng SiC ay 3C, 4H, at 6H, na ang mga uri ng 4H at 6H-SiC ay ginagamit bilang mga substrate para sa mga GaN device.

Ang Silicon carbide ay isang mahusay na pagpipilian bilang isang LED substrate. Gayunpaman, ang paggawa ng mataas na kalidad, malalaking SiC na solong kristal ay nananatiling mapaghamong, at ang layered na istraktura ng materyal ay nagiging prone sa cleavage, na nakakaapekto sa mekanikal na integridad nito, na posibleng magpasok ng mga depekto sa ibabaw na nakakaapekto sa kalidad ng epitaxial layer. Ang halaga ng isang kristal na SiC substrate ay humigit-kumulang ilang beses kaysa sa isang sapphire substrate na may parehong laki, na nililimitahan ang malawakang aplikasyon nito dahil sa premium na pagpepresyo nito.

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

3. Single Crystal Silicon:Ang Silicon, bilang ang pinaka-malawakang ginagamit at industriyal na itinatag na semiconductor na materyal, ay nagbibigay ng matibay na pundasyon para sa paggawa ng GaN epitaxial substrates. Ang pagkakaroon ng advanced na single crystal silicon growth techniques ay nagsisiguro ng cost-effective, malakihang produksyon ng mataas na kalidad, 6 hanggang 12 inch substrates. Ito ay makabuluhang binabawasan ang gastos ng mga LED at binibigyang daan ang pagsasama-sama ng mga LED chip at integrated circuit sa pamamagitan ng paggamit ng mga solong kristal na silikon na substrate, na nagtutulak ng mga pagsulong sa miniaturization. Higit pa rito, kumpara sa sapphire, na kasalukuyang pinakakaraniwang LED substrate, ang mga aparatong nakabatay sa silicon ay nag-aalok ng mga pakinabang sa mga tuntunin ng thermal conductivity, electrical conductivity, kakayahang gumawa ng mga vertical na istruktura, at mas angkop para sa high power na LED fabrication.**