Proč neroste epitaxe Gllium Nitride (GaN) na substrátu GaN?

RůstGaN epitaxena substrátu GaN představuje jedinečnou výzvu, a to i přes vynikající vlastnosti materiálu ve srovnání s křemíkem.GaN epitaxenabízí oproti materiálům na bázi křemíku významné výhody, pokud jde o šířku pásma, tepelnou vodivost a průrazné elektrické pole. Díky tomu je přijetí GaN jako páteře pro třetí generaci polovodičů, které poskytují vylepšené chlazení, nižší ztráty vedení a zlepšený výkon při vysokých teplotách a frekvencích, slibným a zásadním pokrokem pro fotonický a mikroelektronický průmysl.

GaN, jako primární polovodičový materiál třetí generace, září zejména díky své široké použitelnosti a je považován za jeden z nejdůležitějších materiálů po křemíku. Napájecí zařízení GaN vykazují vynikající vlastnosti ve srovnání se současnými zařízeními na bázi křemíku, jako je vyšší kritická síla elektrického pole, nižší odpor při zapnutí a rychlejší spínací frekvence, což vede ke zlepšení účinnosti systému a výkonu při vysokých provozních teplotách.

V polovodičovém hodnotovém řetězci GaN, který zahrnuje substrát,GaN epitaxePři návrhu zařízení a výrobě substrát slouží jako základní komponenta. GaN je přirozeně nejvhodnější materiál, který slouží jako substrát, na kterémGaN epitaxese pěstuje díky své vnitřní kompatibilitě s homogenním růstovým procesem. To zajišťuje minimální stupeň napětí v důsledku rozdílů ve vlastnostech materiálu, což má za následek vytvoření epitaxních vrstev vynikající kvality ve srovnání s vrstvami pěstovanými na heterogenních substrátech. Použitím GaN jako substrátu lze vytvořit vysoce kvalitní GaN epistemologii s vnitřně sníženou hustotou defektů o faktor tisíc ve srovnání se substráty, jako je safír. To přispívá k významnému snížení teploty přechodu LED a umožňuje desetinásobné zvýšení lumenů na jednotku plochy.

Konvenčním substrátem zařízení GaN však nejsou monokrystaly GaN kvůli obtížnosti spojené s jejich růstem. Pokrok v růstu monokrystalů GaN postupoval výrazně pomaleji než u konvenčních polovodičových materiálů. Výzva spočívá v kultivaci krystalů GaN, které jsou protáhlé a nákladově efektivní. K první syntéze GaN došlo v roce 1932, k pěstování materiálu byl použit čpavek a čisté kovové gallium. Od té doby proběhl rozsáhlý výzkum monokrystalických materiálů GaN, ale problémy přetrvávají. Neschopnost GaN tát za normálního tlaku, jeho rozklad na Ga a dusík (N2) při zvýšených teplotách a jeho dekompresní tlak, který dosahuje 6 gigapascalů (GPa) při teplotě tání 2 300 stupňů Celsia, znesnadňují stávající růstové zařízení přizpůsobit se syntéza monokrystalů GaN při tak vysokých tlacích. Tradiční metody růstu v tavenině nelze použít pro růst monokrystalů GaN, což vyžaduje použití heterogenních substrátů pro epitaxi. V současném stavu zařízení na bázi GaN se růst obvykle provádí na substrátech, jako je křemík, karbid křemíku a safír, spíše než na použití homogenního substrátu GaN, což brzdí vývoj epitaxních zařízení GaN a brání aplikacím, které vyžadují homogenní substrát- pěstované zařízení.

V epitaxi GaN se používá několik typů substrátů:

1. Safír:Safír neboli α-Al2O3 je nejrozšířenějším komerčním substrátem pro LED diody, zachycující významnou část trhu LED. Jeho použití bylo ohlašováno pro své jedinečné výhody, zejména v kontextu epitaxního růstu GaN, který produkuje filmy se stejně nízkou hustotou dislokací jako filmy pěstované na substrátech z karbidu křemíku. Výroba Sapphire zahrnuje růst taveniny, vyzrálý proces, který umožňuje výrobu vysoce kvalitních monokrystalů při nižších nákladech a větších velikostech, vhodných pro průmyslové aplikace. V důsledku toho je safír jedním z prvních a nejrozšířenějších substrátů v průmyslu LED.

2. Karbid křemíku:Karbid křemíku (SiC) je polovodičový materiál čtvrté generace, který zaujímá druhé místo na trhu s LED substráty, hned po safíru. SiC je charakteristický svými rozmanitými krystalovými formami, primárně klasifikovanými do tří kategorií: kubický (3C-SiC), hexagonální (4H-SiC) a romboedrický (15R-SiC). Většina krystalů SiC je 3C, 4H a 6H, přičemž typy 4H a 6H-SiC se používají jako substráty pro zařízení GaN.

Karbid křemíku je vynikající volbou jako substrát LED. Nicméně výroba vysoce kvalitních, rozměrných monokrystalů SiC zůstává náročná a vrstvená struktura materiálu jej činí náchylným ke štěpení, což ovlivňuje jeho mechanickou integritu, což může způsobit povrchové defekty, které ovlivňují kvalitu epitaxní vrstvy. Cena monokrystalického substrátu SiC je přibližně několikrát vyšší než cena safírového substrátu stejné velikosti, což omezuje jeho široké použití kvůli jeho prémiové ceně.

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

3. Jednokrystalový křemík:Křemík, který je nejrozšířenějším a průmyslově zavedeným polovodičovým materiálem, poskytuje pevný základ pro výrobu epitaxních substrátů GaN. Dostupnost pokročilých technik růstu monokrystalů křemíku zajišťuje nákladově efektivní velkovýrobu vysoce kvalitních 6 až 12palcových substrátů. To výrazně snižuje náklady na LED a připravuje cestu pro integraci LED čipů a integrovaných obvodů pomocí monokrystalických křemíkových substrátů, což pohání pokrok v miniaturizaci. Kromě toho, ve srovnání se safírem, který je v současnosti nejběžnějším substrátem LED, zařízení na bázi křemíku nabízí výhody, pokud jde o tepelnou vodivost, elektrickou vodivost, schopnost vyrábět vertikální struktury a lépe se hodí pro výrobu vysoce výkonných LED.**