Увод у полупроводнике треће генерације: ГаН и сродне епитаксијалне технологије

1. Полупроводници треће генерације

(1) Полупроводници прве генерације

Технологија полупроводника прве генерације заснована је на материјалима као што су силицијум (Си) и германијум (Ге). Ови материјали су поставили темеље за технологију транзистора и интегрисаних кола (ИЦ), која је заузврат поставила основу електронске индустрије 20. века.

(2) Полупроводници друге генерације
Полупроводнички материјали друге генерације првенствено укључују галијум арсенид (ГаАс), индијум фосфид (ИнП), галијум фосфид (ГаП), индијум арсенид (ИнАс), алуминијум арсенид (АлАс) и њихова тернарна једињења. Ови материјали чине окосницу индустрије оптоелектронских информација, што је довело до развоја осветљења, дисплеја, ласера, фотонапонских и других сродних индустрија. Они се широко користе у савременој информационој технологији и индустрији оптоелектронских дисплеја.

(3) Полупроводници треће генерације
Репрезентативни материјали полупроводника треће генерације укључују галијум нитрид (ГаН) и силицијум карбид (СиЦ). Због свог широког појаса, велике брзине дрифта засићења електрона, високе топлотне проводљивости и великих електричних поља у квару, ови материјали су идеални за електронске уређаје велике густине снаге, високе фреквенције и малих губитака. СиЦ енергетски уређаји имају велику густину енергије, ниску потрошњу енергије и малу величину, што их чини погодним за примену у електричним возилима, фотонапонским системима, железничком транспорту и секторима великих података. ГаН РФ уређаји имају високу фреквенцију, велику снагу, широк пропусни опсег, ниску потрошњу енергије и малу величину, што је предност за 5Г комуникације, Интернет ствари (ИоТ) и војне радарске апликације. Поред тога, уређаји за напајање засновани на ГаН-у сада се широко користе у нисконапонским апликацијама. Нови материјали галијум оксида (Га2О3) такође показују потенцијал за допуну постојећих СиЦ и ГаН технологија, посебно у нискофреквентним, високонапонским апликацијама.

У поређењу са полупроводничким материјалима друге генерације, материјали треће генерације поседују шири појас (типични Си има појас од око 1,1 еВ, ГаАс око 1,42 еВ, док ГаН прелази 2,3 еВ), јачу отпорност на зрачење, веће перформансе разбијања електричног поља и боље издржљивост на високим температурама. Ове карактеристике чине полупроводничке материјале треће генерације посебно погодним за електронске уређаје отпорне на зрачење, високе фреквенције, велике снаге и високе густине интеграције. Они чине значајан напредак у микроталасним РФ уређајима, ЛЕД диодама, ласерима и уређајима за напајање и показују обећавајуће изгледе у мобилним комуникацијама, паметним мрежама, железничком транспорту, електричним возилима, потрошачкој електроници и уређајима за ултраљубичасто и плаво-зелено светло[1].

Слика 1: Величина тржишта и прогноза ГаН енергетских уређаја

2. Структура и карактеристике ГаН

Галијум нитрид (ГаН) је полупроводник са директним размаком појаса са размаком од приближно 3,26 еВ на собној температури у својој структури вирцита. ГаН првенствено постоји у три кристалне структуре: вурцит, цинкбленда и камена со. Структура вурцита је најстабилнија међу њима.Слика 2 приказује хексагоналну структуру вурцита ГаН. У структури вурцита, ГаН припада хексагоналној конфигурацији затвореног типа. Свака јединична ћелија садржи 12 атома, укључујући 6 атома азота (Н) и 6 атома галијума (Га). Сваки атом Га (Н) је везан за 4 најближа Н (Га) атома, формирајући секвенцу слагања дуж [0001] правца у АБАБАБ… обрасцу[2].

Слика 2: Структура вирцита ГаН јединичне ћелије

3. Уобичајени супстрати за ГаН епитаксију

На први поглед, чини се да је хомоепитаксија на ГаН супстратима оптималан избор за ГаН епитаксију. Међутим, због високе енергије везе ГаН, на његовој тачки топљења (2500°Ц), одговарајући притисак распадања је приближно 4,5 ГПа. Испод овог притиска, ГаН се не топи већ се директно распада. Ово чини традиционалне технике припреме супстрата, као што је Цзоцхралски метод, неприкладним за припрему монокристалних супстрата ГаН. Сходно томе, ГаН супстрате је тешко масовно производити и скупи су. Према томе, најчешће коришћени супстрати за ГаН епитаксију укључују Си, СиЦ и сафир[3].

Слика 3: Параметри ГаН и уобичајених материјала супстрата

(1) ГаН епитаксија на сафиру

Сафир је хемијски стабилан, јефтин и има висок степен зрелости у масовној производњи, што га чини једним од најранијих и најчешће коришћених супстратних материјала у инжењерству полупроводничких уређаја. Као уобичајени супстрат за ГаН епитаксију, сафирне подлоге треба да реше следеће кључне проблеме:

✔ Висока неусклађеност решетке: Неусклађеност решетке између сафира (Ал2О3) и ГаН је значајна (приближно 15%), што доводи до велике густине дефеката на интерфејсу између епитаксијалног слоја и супстрата. Да би се ублажио овај негативан ефекат, супстрат мора проћи сложену претходну обраду пре него што почне епитаксијални процес. Ово укључује темељно чишћење да би се уклонили загађивачи и заостала оштећења од полирања, стварање степеница и степенастих површинских структура, површинска нитридација да би се променила својства влажења епитаксијалног слоја, и коначно наношење танког АлН пуферског слоја (обично дебљине 10-100 нм) праћеног ниским -температурно жарење за припрему за коначни епитаксијални раст. Упркос овим мерама, густина дислокација у ГаН епитаксијалним филмовима узгајаним на сафирним супстратима остаје висока (~10^10 цм^-2) у поређењу са хомоепитаксијом на силицијуму или ГаАс (густина дислокација од 0 до 102-104 цм^-2). Висока густина дефеката смањује покретљивост носача, скраћује животни век мањинских носача и смањује топлотну проводљивост, а све то умањује перформансе уређаја[4].

✔ Неусклађеност коефицијента термичке експанзије: Сафир има већи коефицијент термичког ширења од ГаН, што доводи до биаксијалног компресионог напрезања унутар епитаксијалног слоја док се хлади од температуре таложења до собне температуре. За дебље епитаксијалне филмове, ово напрезање може довести до пуцања филма или чак подлоге.

✔ Лоша топлотна проводљивост: У поређењу са другим подлогама, сафир има нижу топлотну проводљивост (~0,25 Вцм^-1К^-1 на 100°Ц), што је неповољно за расипање топлоте.

✔ Ниска електрична проводљивост: Лоша електрична проводљивост сафира омета његову интеграцију и примену са другим полупроводничким уређајима.

Упркос високој густини дефеката у ГаН епитаксијалним слојевима узгојеним на сафиру, његове оптичке и електронске перформансе у плаво-зеленим ЛЕД диодама на бази ГаН не изгледају значајно смањене. Стога, сафирне подлоге остају уобичајене за ЛЕД диоде на бази ГаН. Међутим, како се све више ГаН уређаја као што су ласери и други уређаји високе густине развијају, инхерентна ограничења сафирних супстрата постају све очигледнија.

(2) ГаН епитаксија на СиЦ

У поређењу са сафиром, СиЦ супстрати (4Х- и 6Х-политипови) имају мању неусклађеност решетке са епитаксијалним слојевима ГаН (3,1% дуж правца [0001]), већу топлотну проводљивост (приближно 3,8 Вцм^-1К^-1) и електрична проводљивост која омогућава електричне контакте са задње стране, поједностављујући структуре уређаја. Ове предности привлаче све већи број истраживача да истраже ГаН епитаксију на СиЦ супстратима. Међутим, директан раст ГаН епитаксијалних слојева на СиЦ супстратима такође се суочава са неколико изазова:

✔ Површинска храпавост: СиЦ супстрати имају много већу површинску храпавост од сафирних супстрата (0,1 нм РМС за сафир, 1 нм РМС за СиЦ). Висока тврдоћа и лоша обрадивост СиЦ доприносе овој храпавости и заосталом оштећењу полирања, који су извори дефеката у епитаксијалним слојевима ГаН.

✔ Висока густина дислокације навоја: СиЦ супстрати имају велику густину дислокације навоја (103-104 цм^-2), која се може ширити у епитаксијални слој ГаН и деградирати перформансе уређаја.

✔ Грешке при слагању: атомски распоред на површини супстрата може изазвати грешке у слагању (БСФ) у епитаксијалним слојевима ГаН. Вишеструки могући атомски распореди на СиЦ супстрату доводе до неуједначених почетних атомских секвенци слагања у слоју ГаН, повећавајући вероватноћу грешака у слагању. БСФ дуж ц-осе уводе уграђена електрична поља, узрокујући одвајање носача и проблеме са цурењем у уређајима.

✔ Неусклађеност коефицијента термичке експанзије: Коефицијент термичког ширења СиЦ је мањи од коефицијента топлотног ширења АлН и ГаН, што доводи до акумулације термичког напрезања између епитаксијалног слоја и подлоге током хлађења. Истраживање Валтереита и Бранда сугерише да се овај проблем може ублажити узгајањем епитаксијалног слоја ГаН на танком, кохерентно напетом слоју нуклеације АлН.

✔ Слабо влажење Га атома: Директан раст ГаН на СиЦ површинама је тежак због слабог влажења Га атома. ГаН има тенденцију да расте у 3Д режиму острва, увођење пуферских слојева је уобичајено решење за побољшање квалитета епитаксијалних материјала. Увођење АлН или АлкГа1-кН пуферских слојева може побољшати влажење на површини СиЦ, промовишући 2Д раст епитаксијалног слоја ГаН и делујући на модулацију напона и блокирајући ширење дефекта супстрата у слој ГаН.

✔ Висока цена и ограничена понуда: Технологија припреме СиЦ супстрата је незрела, што доводи до високих трошкова супстрата и ограничене понуде од неколико добављача.

Истраживање Торреса ет ал. указује да претходно нагризање СиЦ супстрата са Х2 на високим температурама (1600°Ц) ствара уређеније структуре корака, што резултира квалитетнијим АлН епитаксијалним филмовима у поређењу са онима који се директно узгајају на необрађеним супстратима. Ксие и његов тим су такође показали да предтретман јеткањем СиЦ супстрата значајно побољшава морфологију површине и квалитет кристала ГаН епитаксијалних слојева. Смитх ет ал. открили су да су навојне дислокације са интерфејса супстрата/тампон слоја и међуслоја бафера/епитаксијалног слоја повезане са равношћу супстрата[5].

Слика 4: ТЕМ морфологија ГаН епитаксијалних слојева узгојених на (0001) површини 6Х-СиЦ супстрата под различитим површинским третманима: (а) хемијско чишћење; (б) хемијско чишћење + третман водоничном плазмом; © Хемијско чишћење + Третман водоничном плазмом + 1300°Ц Термички третман водоником у трајању од 30 мин

(3) ГаН Епитаксија на Си

У поређењу са СиЦ и сафирним подлогама, силицијумске подлоге се могу похвалити зрелим процесима припреме, стабилним снабдевањем супстрата великих димензија, економичношћу и одличном топлотном и електричном проводљивошћу. Поред тога, технологија зрелог силицијумског електронског уређаја нуди потенцијал за савршену интеграцију оптоелектронских ГаН уређаја са силицијумским електронским уређајима, чинећи ГаН епитаксију на силицијум веома атрактивном. Међутим, значајна неусклађеност константне решетке између Си супстрата и ГаН материјала представља неколико изазова.

✔ Проблеми са енергијом на интерфејсу: Када се ГаН узгаја на Си супстратима, површина Си прво формира аморфни СиНк слој, који је штетан за нуклеацију ГаН високе густине. Поред тога, површине Си у почетку реагују са Га, изазивајући површинску корозију, а на високим температурама, разградња површине Си може да дифундује у епитаксијални слој ГаН, формирајући црне силицијумске мрље.

✔ Неусклађеност решетке: Велика неусклађеност константе решетке (~17%) између ГаН и Си доводи до дислокација навоја високе густине, значајно смањујући квалитет епитаксијалног слоја.

✔ Неусклађеност коефицијента термичке експанзије: ГаН има већи коефицијент топлотног ширења од Си (ГаН ~5,6×10^-6 К^-1, Си ~2,6×10^-6 К^-1), што може изазвати пукотине у ГаН епитаксијални слој током хлађења од епитаксијалне температуре раста до собне температуре.

✔ Реакције при високим температурама: Си реагује са НХ3 на високим температурама, формирајући поликристални СиНк. АлН не може првенствено да нуклеира на поликристалном СиНк-у, што доводи до високо дезоријентисаног раста ГаН са веома великом густином дефеката, што чини изазовом формирање монокристалних ГаН епитаксијалних слојева [6].

Да би решили велику неусклађеност решетке, истраживачи су покушали да уведу материјале као што су АлАс, ГаАс, АлН, ГаН, ЗнО и СиЦ као пуферске слојеве на Си супстратима. Да би се спречило формирање поликристалног СиНк и смањило његово штетно дејство на квалитет кристала ГаН/АлН/Си (111), ТМАл се обично уноси пре епитаксијалног раста АлН пуферског слоја како би се спречило да НХ3 реагује са изложеном површином Си. Поред тога, технике као што су подлоге са узорком се користе за побољшање квалитета епитаксијалног слоја. Ови развоји помажу у сузбијању формирања СиНк на епитаксијалном интерфејсу, промовишу 2Д раст епитаксијалног слоја ГаН и побољшавају квалитет раста. Увођење АлН пуферских слојева компензује затезна напрезања узрокована разликама у коефицијентима топлотног ширења, спречавајући пукотине у ГаН слоју на силицијумским подлогама. Кростово истраживање указује на позитивну корелацију између дебљине пуферског слоја АлН и смањеног напрезања, омогућавајући раст епитаксијалних слојева дебљине преко 6 μм на силицијумским подлогама без пуцања, кроз одговарајуће шеме раста.

Захваљујући опсежним истраживачким напорима, квалитет ГаН епитаксијалних слојева узгојених на силицијумским подлогама значајно је побољшан. Транзистори са ефектом поља, ултраљубичасти детектори Шоткијеве баријере, плаво-зелене ЛЕД диоде и ултраљубичасти ласери су постигли значајан напредак.

У закључку, сви уобичајени ГаН епитаксијални супстрати су хетероепитаксиални, суочавају се са различитим степеном неусклађености решетке и разликама у коефицијенту термичког ширења. Хомоепитаксијални ГаН супстрати су ограничени незрелом технологијом, високим трошковима производње, малим величинама супстрата и неоптималним квалитетом, што чини развој нових ГаН епитаксијалних супстрата и побољшање епитаксијалног квалитета критичним факторима за даљи напредак индустрије.

4. Уобичајене методе за ГаН епитаксију

(1) МОЦВД (метално-органско хемијско таложење паре)

Док се чини да је хомоепитаксија на ГаН супстратима оптималан избор за ГаН епитаксију, метал-Органиц Цхемицал Вапор Депоситион (МОЦВД) нуди значајне предности. Користећи триметилгалијум и амонијак као прекурсоре и водоник као гас носач, МОЦВД обично ради на температурама раста око 1000-1100°Ц. Стопа раста МОЦВД је у распону од неколико микрометара на сат. Овај метод може произвести атомски оштре интерфејсе, што га чини идеалним за узгој хетероспојница, квантних бунара и суперрешетка. Његова релативно велика брзина раста, одлична униформност и погодност за раст на великим површинама и више плоча чине га стандардним методом за индустријску производњу.

(2) МБЕ (Молецулар Беам Епитаки)

У епитаксији молекуларног зрака (МБЕ), елементарни извори се користе за галијум, а активни азот се генерише преко РФ плазме из азотног гаса. У поређењу са МОЦВД, МБЕ ради на знатно нижим температурама раста, око 350-400°Ц. Ова нижа температура може избећи неке од проблема контаминације који могу настати у окружењима са високом температуром. МБЕ системи раде у условима ултра високог вакуума, омогућавајући интеграцију више техника надзора на лицу места. Међутим, стопа раста и производни капацитет МБЕ-а не могу да се подударају са МОЦВД-ом, што га чини погоднијим за истраживачке апликације[7].

Слика 5: (а) Шема Еико-МБЕ (б) Шема главне реакционе коморе МБЕ

(3) ХВПЕ (Епитаксија хидридне парне фазе)

Епитаксија хидридне парне фазе (ХВПЕ) користи ГаЦл3 и НХ3 као прекурсоре. Детцхпрохм ет ал. користио је ову методу за узгој епитаксијалних слојева ГаН дебљине неколико стотина микрометара на сафирним подлогама. У њиховим експериментима, ЗнО пуферски слој је узгајан између сафирне подлоге и епитаксијалног слоја, омогућавајући епитаксијалном слоју да се одлепи са површине супстрата. У поређењу са МОЦВД и МБЕ, примарна предност ХВПЕ-а је његова висока стопа раста, што га чини погодним за производњу дебелих слојева и расутих материјала. Међутим, када дебљина епитаксијалног слоја прелази 20 μм, слојеви узгојени ХВПЕ су склони пуцању.

Акира УСУИ је представио технологију супстрата са узорком засновану на ХВПЕ методи. У почетку је танак ГаН епитаксијални слој, дебљине 1-1,5 μм, узгајан на сафирној подлози користећи МОЦВД. Овај слој се састојао од 20нм дебелог нискотемпературног ГаН слоја и слоја ГаН високе температуре. Након тога, на 430°Ц, слој СиО2 је депонован на површину епитаксијалног слоја, а на СиО2 филму су путем фотолитографије створене прозорске траке. Размак између трака био је 7 μм, са ширином маске од 1 μм до 4 μм. Ова модификација им је омогућила да производе ГаН епитаксијалне слојеве на сафирним подлогама пречника 2 инча, који су остали без пукотина и глатки као огледало чак и када се дебљина повећала на десетине или чак стотине микрометара. Густина дефекта је смањена са 109-1010 цм^-2 традиционалне ХВПЕ методе на приближно 6×10^7 цм^-2. Такође су приметили да је површина узорка постала храпава када је стопа раста прешла 75 μм/х[8]. 

                                                                                                                   

                                                                                                                                     Слика 6: Шема подлоге са узорком

5. Резиме и Оутлоок

Огромна потражња тржишта ће несумњиво довести до значајног напретка у индустријама и технологијама везаним за ГаН. Како индустријски ланац за ГаН сазрева и побољшава, тренутни изазови у ГаН епитаксији ће на крају бити ублажени или превазиђени. Будући развој ће вероватно увести нове епитаксијалне технике и супериорне опције супстрата. Овај напредак ће омогућити избор најпогодније епитаксијалне технологије и подлоге на основу карактеристика различитих сценарија примене, што ће довести до производње високо конкурентних, прилагођених производа.**

Референце:

[1] „Пажња“ полупроводнички материјал – галијум нитрид (баиду.цом)

[2] Танг Лињианг, Ван Цхенган, Зханг Мингхуа, Ли Иинг, Статус истраживања полупроводничких материјала са широким појасом СиЦ и ГаН, Војна и цивилна технологија и производи двоструке намене, март 2020, број 437, 21-28.

[3] Ванг Хуан, Тиан Ие, Истраживање о методи контроле напрезања великих неусклађености галијум нитрида на силицијум супстрату, Наука и технолошке иновације и примена, издање 3, 2023.

[4]Л.Лиу, Ј.Х.Едгар, Супстрати за епитаксију галијум нитрида, Наука о материјалима и инжењерство Р, 37(2002) 61-127.

[5]П.Рутерана, Пхилиппе Вермаут, Г.Ноует, А.Салвадор, Х.Моркоц, Обрада површине и структура слоја у расту 2Х-ГаН на (0001)Си површини 6Х-СиЦ од МБЕ, МРС Интернет Ј. Нитриде Семицон. Рес.2(1997)42.

[6]М.А.Санчез-Гарсија, Ф.Б. Нарањо, Ј.Л.Пау, А.Хименез, Е.Цаллеја, Е.Муноз,Ултраљубичаста електролуминисценција у ГаН/АлГаН једнохетеројукционим светлећим диодама узгојеним на Си(111), Јоурнал оф Апплиед Пхисицс 87,1569(2000).

[7] Ксинкианг Ванг, Акихико Иосхикава, Раст епитаксије молекуларног зрака ГаН, АлН и ИнН, Прогрес ин Цристал Гровтх анд Цхарацтеризатион оф Материалс 48/49 (2004) 42-103.

[8]Акира Усуи, Харуо Сунакава, Акира Сакаи и А. атсусхи Иамагуцхи, Тхицк ГаН епитаксијални раст са малом густином дислокација епитаксијом хидридне парне фазе, Јпн. Ј. Аппл. Пхис. Вол. 36 (1997) стр.899-902.