Зашто епитаксија глиијум нитрида (ГаН) не расте на ГаН супстрату?

Раст одГаН епитаксијана ГаН супстрату представља јединствен изазов, упркос супериорним особинама материјала у поређењу са силицијумом.ГаН епитаксијануди значајне предности у погледу ширине појаса, топлотне проводљивости и електричног поља у односу на материјале на бази силицијума. Ово чини усвајање ГаН-а као окоснице за трећу генерацију полупроводника, који обезбеђују побољшано хлађење, мањи губитак проводљивости и побољшане перформансе под високим температурама и фреквенцијама, обећавајућим и кључним напретком за фотонску и микроелектронску индустрију.

ГаН, као примарни полупроводнички материјал треће генерације, посебно сија због своје широке применљивости и сматра се једним од најважнијих материјала после силицијума. ГаН уређаји за напајање показују супериорне карактеристике у поређењу са тренутним уређајима на бази силицијума, као што су већа јачина критичног електричног поља, нижи отпор на укључење и брже фреквенције пребацивања, што доводи до побољшане ефикасности система и перформанси при високим радним температурама.

У ланцу вредности ГаН полупроводника, који укључује супстрат,ГаН епитаксија, дизајн уређаја и производњу, подлога служи као темељна компонента. ГаН је природно најпогоднији материјал за служење као подлога на којојГаН епитаксијасе узгаја због своје суштинске компатибилности са хомогеним процесом раста. Ово обезбеђује минималан степен напрезања услед диспаритета у својствима материјала, што резултира стварањем епитаксијалних слојева супериорног квалитета у поређењу са онима узгајаним на хетерогеним подлогама. Коришћењем ГаН као супстрата, може се произвести висококвалитетна ГаН епистемологија, са интерно смањеном густином дефеката за фактор од хиљаду у поређењу са супстратима као што је сафир. Ово доприноси значајном смањењу температуре споја ЛЕД диода и омогућава десетоструко повећање лумена по јединици површине.

Међутим, конвенционални супстрат ГаН уређаја нису монокристали ГаН због потешкоћа повезаних са њиховим растом. Напредак у расту монокристала ГаН напредовао је знатно спорије него код конвенционалних полупроводничких материјала. Изазов лежи у култивацији ГаН кристала који су издужени и исплативи. Прва синтеза ГаН десила се 1932. године, користећи амонијак и чисти метални галијум за узгој материјала. Од тада су спроведена опсежна истраживања монокристалних материјала ГаН, али изазови остају. Немогућност ГаН-а да се топи под нормалним притиском, његово разлагање на Га и азот (Н2) на повишеним температурама и његов декомпресијски притисак који достиже 6 гигапаскала (ГПа) на тачки топљења од 2.300 степени Целзијуса отежавају постојећој опреми за раст да се прилагоди синтеза монокристала ГаН при тако високим притисцима. Традиционалне методе раста растопа не могу се користити за раст монокристала ГаН, што захтева употребу хетерогених супстрата за епитаксију. У тренутном стању уређаја заснованих на ГаН, раст се обично врши на подлогама као што су силицијум, силицијум карбид и сафир, уместо да се користи хомогени ГаН супстрат, што омета развој ГаН епитаксијалних уређаја и омета примене које захтевају хомогену подлогу. одрастао уређај.

Неколико типова супстрата се користи у ГаН епитаксији:

1. сафир:Сафир, или α-Ал2О3, је најраспрострањенији комерцијални супстрат за ЛЕД диоде, који заузима значајан део ЛЕД тржишта. Његова употреба је најављена због својих јединствених предности, посебно у контексту епитаксијалног раста ГаН, који производи филмове са једнако ниском густином дислокације као они који се узгајају на подлогама од силицијум карбида. Производња Саппхире-а укључује раст талине, зрео процес који омогућава производњу висококвалитетних монокристала по нижим трошковима и већим величинама, погодних за индустријску примену. Као резултат тога, сафир је један од најранијих и најраспрострањенијих супстрата у ЛЕД индустрији.

2. Силицијум карбид:Силицијум карбид (СиЦ) је полупроводнички материјал четврте генерације који заузима друго место по тржишном уделу за ЛЕД подлоге, после сафира. СиЦ карактеришу разноврсни кристални облици, првенствено класификовани у три категорије: кубни (3Ц-СиЦ), хексагонални (4Х-СиЦ) и ромбоедарски (15Р-СиЦ). Већина кристала СиЦ су 3Ц, 4Х и 6Х, а типови 4Х и 6Х-СиЦ се користе као супстрати за ГаН уређаје.

Силицијум карбид је одличан избор као ЛЕД подлога. Ипак, производња висококвалитетних, великих СиЦ монокристала остаје изазовна, а слојевита структура материјала чини га склоним цепању, што утиче на његов механички интегритет, потенцијално уводећи површинске дефекте који утичу на квалитет епитаксијалног слоја. Цена једнокристалног СиЦ супстрата је отприлике неколико пута већа од цене сафирне подлоге исте величине, што ограничава његову широку примену због премијум цене.

Семицорек  850В ГаН-он-Си Епи плочица велике снаге

3. Силицијум од једног кристала:Силицијум, који је најчешће коришћен и индустријски утврђен полупроводнички материјал, пружа чврсту основу за производњу ГаН епитаксијалних супстрата. Доступност напредних техника раста монокристалног силицијума осигурава економичну производњу великих размера висококвалитетних подлога од 6 до 12 инча. Ово значајно смањује цену ЛЕД диода и утире пут за интеграцију ЛЕД чипова и интегрисаних кола кроз употребу монокристалних силицијумских супстрата, што доводи до напретка у минијатуризацији. Штавише, у поређењу са сафиром, који је тренутно најчешћи ЛЕД супстрат, уређаји засновани на силикону нуде предности у погледу топлотне проводљивости, електричне проводљивости, способности за производњу вертикалних структура и боље пристајања за производњу ЛЕД диода велике снаге.**