2024-05-31
1. Üçüncü nəsil yarımkeçiricilər
(1) Birinci nəsil yarımkeçiricilər
Birinci nəsil yarımkeçirici texnologiyası silikon (Si) və germanium (Ge) kimi materiallara əsaslanır. Bu materiallar tranzistor və inteqral sxem (IC) texnologiyasının əsasını qoydu və bu da öz növbəsində 20-ci əsr elektronika sənayesinin əsasını qoydu.
İkinci nəsil yarımkeçirici materiallarla müqayisədə üçüncü nəsil materiallar daha geniş bant boşluqlarına malikdir (tipik Si təxminən 1,1 eV, GaAs təxminən 1,42 eV, GaN isə 2,3 eV-dən çoxdur), daha güclü radiasiya müqavimətinə, daha yüksək elektrik sahəsinin parçalanma performansına və daha yaxşı yüksək temperatura davamlılıq. Bu xüsusiyyətlər üçüncü nəsil yarımkeçirici materialları radiasiyaya davamlı, yüksək tezlikli, yüksək gücə malik və yüksək inteqrasiya sıxlığı olan elektron cihazlar üçün xüsusilə uyğun edir. Onlar mikrodalğalı RF cihazlarında, LED-lərdə, lazerlərdə və güc cihazlarında əhəmiyyətli irəliləyişlər əldə edirlər və mobil rabitə, ağıllı şəbəkələr, dəmir yolu nəqliyyatı, elektrik nəqliyyat vasitələri, istehlak elektronikası, ultrabənövşəyi və mavi-yaşıl işıq cihazlarında perspektivli perspektivlər nümayiş etdirirlər[1].
Şəkil 1: GaN Güc Cihazlarının Bazar Ölçüsü və Proqnozu
2. GaN-in strukturu və xüsusiyyətləri
Qallium Nitridi (GaN) vurtsit strukturunda otaq temperaturunda təqribən 3,26 eV bant aralığına malik birbaşa zolaqlı yarımkeçiricidir. GaN ilk növbədə üç kristal quruluşda mövcuddur: vurtsit, sinkblend və qaya duzu. Vurtzit quruluşu bunlar arasında ən dayanıqlıdır.Şəkil 2-də GaN-nin altıbucaqlı vurtzit quruluşu göstərilir. Wurtzite strukturunda GaN altıbucaqlı sıx yığılmış konfiqurasiyaya aiddir. Hər vahid hüceyrədə 6 azot (N) atomu və 6 qallium (Ga) atomu da daxil olmaqla 12 atom var. Hər Ga (N) atomu 4 ən yaxın N (Ga) atomu ilə birləşərək ABABAB… nümunəsində [0001] istiqaməti boyunca yığılma ardıcıllığı əmələ gətirir[2].
Şəkil 2: GaN Vahid Hüceyrəsinin Wurtzite Strukturu
İlk baxışdan GaN substratlarında homoepitaksiyanın GaN epitaksiyası üçün optimal seçim olduğu görünür. Bununla belə, GaN-nin yüksək bağlanma enerjisinə görə ərimə nöqtəsində (2500°C) müvafiq parçalanma təzyiqi təxminən 4,5 GPa təşkil edir. Bu təzyiqin altında GaN ərimir, birbaşa parçalanır. Bu, Czochralski üsulu kimi ənənəvi substrat hazırlama üsullarını GaN monokristal substratlarının hazırlanması üçün yararsız edir. Nəticə etibarilə, GaN substratlarının kütləvi istehsalı çətindir və baha başa gəlir. Buna görə də, GaN epitaksi üçün ümumi istifadə olunan substratlara Si, SiC və sapfir daxildir[3].
Şəkil 3: GaN və Ümumi Substrat Materiallarının Parametrləri
(1) Sapphire üzərində GaN Epitaxy
Sapphire kimyəvi cəhətdən sabitdir, ucuzdur və kütləvi istehsalda yüksək yetkinlik dərəcəsinə malikdir, bu da onu yarımkeçirici cihaz mühəndisliyində ən erkən və ən çox istifadə olunan substrat materiallarından birinə çevirir. GaN epitaksiyası üçün ümumi substrat kimi sapfir substratlar aşağıdakı əsas məsələləri həll etməlidir:
✔ Yüksək Nəfəs Uyğunsuzluğu: Sapfir (Al2O3) və GaN arasındakı qəfəs uyğunsuzluğu əhəmiyyətlidir (təxminən 15%), epitaksial təbəqə ilə substrat arasındakı interfeysdə yüksək qüsur sıxlığına səbəb olur. Bu mənfi təsirləri azaltmaq üçün epitaksial proses başlamazdan əvvəl substrat kompleks ilkin emaldan keçməlidir. Buraya çirkləndiriciləri və qalıq cilalanmış zədələri aradan qaldırmaq üçün hərtərəfli təmizləmə, pillələr və pilləli səth strukturlarının yaradılması, epitaksial təbəqənin nəmləndirici xüsusiyyətlərini dəyişdirmək üçün səthin nitridasiyası və nəhayət, nazik AlN tampon qatının (adətən 10-100 nm qalınlığında) qoyulması daxildir. -son epitaksial böyüməyə hazırlamaq üçün temperaturun yumşaldılması. Bu tədbirlərə baxmayaraq, sapfir substratlarda yetişdirilmiş GaN epitaksial filmlərində dislokasiya sıxlığı silikon və ya GaAs üzərindəki homoepitaksiya ilə müqayisədə yüksək olaraq qalır (~10^10 sm^-2) (dislokasiya sıxlığı 0-dan 102-104 sm^-2). Yüksək qüsur sıxlığı daşıyıcının hərəkətliliyini azaldır, azlıqların daşıyıcısının ömrünü qısaldır və istilik keçiriciliyini azaldır, bunların hamısı cihazın işinə xələl gətirir[4].
✔ İstilik genişlənmə əmsalı uyğunsuzluğu: Safir GaN-dən daha böyük istilik genişlənmə əmsalına malikdir, bu da çökmə temperaturundan otaq temperaturuna qədər soyuduqca epitaksial təbəqədə ikioxlu sıxılma gərginliyinə səbəb olur. Daha qalın epitaksial filmlər üçün bu gərginlik film və ya hətta substratın çatlamasına səbəb ola bilər.
✔ Zəif istilik keçiriciliyi: Digər substratlarla müqayisədə sapfir daha aşağı istilik keçiriciliyinə malikdir (100°C-də ~0,25 Wcm^-1K^-1), bu da istilik yayılması üçün əlverişsizdir.
✔ Aşağı elektrik keçiriciliyi: sapfirin zəif elektrik keçiriciliyi onun digər yarımkeçirici cihazlarla inteqrasiyasına və tətbiqinə mane olur.
Safir üzərində yetişdirilən GaN epitaksial təbəqələrində yüksək qüsur sıxlığına baxmayaraq, GaN əsaslı mavi-yaşıl LED-lərdə onun optik və elektron performansı əhəmiyyətli dərəcədə azalmır. Buna görə də, sapfir substratları GaN əsaslı LED-lər üçün ümumi olaraq qalır. Bununla belə, lazerlər və digər yüksək sıxlıqlı güc cihazları kimi daha çox GaN cihazları inkişaf etdikcə, sapfir substratların xas məhdudiyyətləri getdikcə daha aydın olur.
(2) SiC-də GaN Epitaksiyası
Safirlə müqayisədə, SiC substratları (4H- və 6H-politipləri) GaN epitaksial təbəqələri ([0001] istiqaməti üzrə 3.1%), daha yüksək istilik keçiriciliyi (təxminən 3.8 Wcm^-1K^-1) və daha kiçik qəfəs uyğunsuzluğuna malikdir. cihaz strukturlarını sadələşdirən arxa elektrik kontaktlarına imkan verən elektrik keçiriciliyi. Bu üstünlüklər, SiC substratlarında GaN epitaksiyasını araşdırmaq üçün artan sayda tədqiqatçı cəlb edir. Bununla belə, SiC substratlarında GaN epitaksial təbəqələrinin birbaşa böyüməsi də bir sıra problemlərlə üzləşir:
✔ Səth pürüzlülüyü: SiC substratları sapfir substratlara nisbətən daha yüksək səth pürüzlülüyünə malikdir (sapfir üçün 0,1 nm RMS, SiC üçün 1 nm RMS). SiC-nin yüksək sərtliyi və zəif emal qabiliyyəti GaN epitaksial təbəqələrində qüsurların mənbəyi olan bu pürüzlülük və qalıq cilalama zədələnməsinə kömək edir.
✔ Yüksək Yivli Dislokasiya Sıxlığı: SiC substratları GaN epitaksial təbəqəsinə yayıla və cihazın işini pisləşdirə bilən yüksək yivli dislokasiya sıxlığına malikdir (103-104 sm^-2).
✔ İstifadə xətaları: Substratın səthindəki atom quruluşu GaN epitaksial təbəqələrində yığılma xətalarına (BSFs) səbəb ola bilər. SiC substratında bir çox mümkün atom quruluşu GaN qatında qeyri-bərabər ilkin atom yığma ardıcıllığına gətirib çıxarır, bu da yığılma xətalarının ehtimalını artırır. c oxu boyunca BSF-lər quraşdırılmış elektrik sahələrini təqdim edir, bu da daşıyıcının ayrılmasına və cihazlarda sızma problemlərinə səbəb olur.
✔ İstilik genişlənmə əmsalı uyğunsuzluğu: SiC-nin istilik genişlənmə əmsalı AlN və GaN-dən kiçikdir, bu da soyutma zamanı epitaksial təbəqə ilə substrat arasında istilik gərginliyinin yığılmasına səbəb olur. Waltereit və Brandın araşdırmaları göstərir ki, bu problem GaN epitaksial təbəqəsini nazik, əlaqəli şəkildə gərginləşdirilmiş AlN nüvə təbəqəsi üzərində böyütməklə yüngülləşdirilə bilər.
✔ Ga atomlarının zəif islanması: Ga atomlarının zəif islanması səbəbindən SiC səthlərində GaN-in birbaşa artımı çətindir. GaN 3D ada rejimində böyüməyə meyllidir, bufer təbəqələrinin tətbiqi epitaksial materialların keyfiyyətini yaxşılaşdırmaq üçün ümumi bir həlldir. AlN və ya AlxGa1-xN bufer təbəqələrinin tətbiqi SiC səthində nəmlənməni yaxşılaşdıra, GaN epitaksial təbəqəsinin 2D böyüməsini təşviq edə və stressi modulyasiya etməyə və substrat qüsurlarının GaN təbəqəsinə yayılmasının qarşısını ala bilər.
✔ Yüksək Qiymət və Məhdud Təchizat: SiC substratının hazırlanması texnologiyası yetişməmişdir, bu da yüksək substrat xərclərinə və bir neçə satıcıdan məhdud tədarükə səbəb olur.
Torres və başqalarının tədqiqatı. yüksək temperaturda (1600°C) SiC substratlarının H2 ilə əvvəlcədən aşındırılmasının daha nizamlı pilləli strukturlar yaratdığını və nəticədə təmizlənməmiş substratlarda birbaşa böyüyənlərlə müqayisədə daha yüksək keyfiyyətli AlN epitaksial filmlərin meydana gəldiyini göstərir. Xie və onun komandası həmçinin nümayiş etdirdilər ki, SiC substratlarının aşındırmadan əvvəl işlənməsi GaN epitaksial təbəqələrinin səth morfologiyasını və kristal keyfiyyətini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır. Smith et al. Substrat/tampon təbəqəsi və bufer təbəqəsi/epitaksial təbəqə interfeyslərindən yivli dislokasiyaların substratın hamarlığı ilə əlaqəli olduğunu aşkar etdi[5].
Şəkil 4: (0001) 6H-SiC Substratların Üzündə Fərqli Səth Müalicələri Altında Yetişən GaN Epitaksial Qatların TEM Morfologiyası: (a) Kimyəvi Təmizləmə; (b) Kimyəvi Təmizləmə + Hidrogen Plazma Müalicəsi; © Kimyəvi Təmizləmə + Hidrogen Plazma Müalicəsi + 1300°C Hidrogen Termal Müalicəsi 30 dəqiqə
(3) Si üzərində GaN Epitaksiyası
SiC və sapfir substratlarla müqayisədə, silikon substratlar yetkin hazırlıq prosesləri, sabit böyük ölçülü substrat təchizatı, iqtisadi səmərəlilik və əla istilik və elektrik keçiriciliyi ilə öyünür. Bundan əlavə, yetkin silikon elektron cihaz texnologiyası silikon elektron cihazları ilə optoelektronik GaN cihazlarının mükəmməl inteqrasiyası üçün potensial təklif edir və silikon üzərində GaN epitaksiyasını yüksək dərəcədə cəlbedici edir. Bununla belə, Si substratları və GaN materialları arasında əhəmiyyətli qəfəs sabit uyğunsuzluğu bir sıra çətinliklər yaradır.
✔ İnterfeys Enerji Problemləri: GaN Si substratlarında yetişdirildikdə, Si səthi əvvəlcə yüksək sıxlıqlı GaN nüvələşməsinə zərər verən amorf SiNx təbəqəsi əmələ gətirir. Bundan əlavə, Si səthləri əvvəlcə Ga ilə reaksiya verərək səthin korroziyasına səbəb olur və yüksək temperaturda Si səthinin parçalanması GaN epitaksial təbəqəsinə yayılaraq qara silikon ləkələr əmələ gətirir.
✔ Şəbəkə Uyğunsuzluğu: GaN və Si arasında böyük qəfəs sabit uyğunsuzluğu (~17%) yüksək sıxlıqlı yivlərin dislokasiyası ilə nəticələnir və epitaksial təbəqənin keyfiyyətini əhəmiyyətli dərəcədə azaldır.
✔ İstilik genişlənmə əmsalı uyğunsuzluğu: GaN, Si (GaN ~5.6×10^-6 K^-1, Si ~2.6×10^-6 K^-1) ilə müqayisədə daha böyük istilik genişlənmə əmsalına malikdir, bu da GaN-də çatlara səbəb ola bilər. epitaksial böyümə temperaturundan otaq temperaturuna qədər soyutma zamanı epitaksial təbəqə.
✔ Yüksək temperatur reaksiyaları: Si yüksək temperaturda NH3 ilə reaksiyaya girərək polikristal SiNx əmələ gətirir. AlN üstünlüklə polikristal SiNx üzərində nüvələşə bilməz, bu da çox yüksək qüsur sıxlığı ilə yüksək disorientasiya olunmuş GaN artımına gətirib çıxarır, bu da onu tək kristallı GaN epitaksial təbəqələrinin əmələ gəlməsini çətinləşdirir[6].
Böyük qəfəs uyğunsuzluğunu aradan qaldırmaq üçün tədqiqatçılar AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO və SiC kimi materialları Si substratlarında bufer təbəqələri kimi təqdim etməyə çalışdılar. Polikristal SiNx əmələ gəlməsinin qarşısını almaq və GaN/AlN/Si (111) kristal keyfiyyətinə onun mənfi təsirlərini azaltmaq üçün TMAl adətən NH3-ün məruz qalmış Si səthi ilə reaksiya verməsinin qarşısını almaq üçün AlN tampon təbəqəsinin epitaksial böyüməsindən əvvəl tətbiq edilir. Bundan əlavə, epitaksial təbəqənin keyfiyyətini yaxşılaşdırmaq üçün naxışlı substratlar kimi üsullardan istifadə olunur. Bu inkişaflar epitaksial interfeysdə SiNx meydana gəlməsini boğmağa kömək edir, GaN epitaksial təbəqəsinin 2D böyüməsini təşviq edir və böyümə keyfiyyətini artırır. AlN tampon təbəqələrinin tətbiqi istilik genişlənmə əmsallarındakı fərqlərdən yaranan dartılma gərginliyini kompensasiya edir, silikon substratlarda GaN təbəqəsində çatların qarşısını alır. Krostun tədqiqatı AlN tampon təbəqəsinin qalınlığı ilə azaldılmış gərginlik arasında müsbət korrelyasiya olduğunu göstərir ki, bu da müvafiq böyümə sxemləri vasitəsilə krekinq olmadan silisium substratlarda 6 μm qalınlığında epitaksial təbəqələrin böyüməsinə imkan verir.
Geniş tədqiqat səyləri sayəsində silikon substratlarda yetişdirilən GaN epitaksial təbəqələrinin keyfiyyəti əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşmışdır. Sahə effektli tranzistorlar, Schottky maneəli ultrabənövşəyi detektorlar, mavi-yaşıl LED-lər və ultrabənövşəyi lazerlər əhəmiyyətli irəliləyişlər əldə etdilər.
Nəticə olaraq, ümumi GaN epitaksial substratların hamısı heteroepitaksialdır, müxtəlif dərəcələrdə şəbəkə uyğunsuzluğu və istilik genişlənmə əmsalı fərqləri ilə üzləşir. Homoepitaksial GaN substratları yetişməmiş texnologiya, yüksək istehsal xərcləri, kiçik substrat ölçüləri və suboptimal keyfiyyətlə məhdudlaşır, bu da yeni GaN epitaksial substratlarının inkişafını və sənayenin gələcək inkişafı üçün epitaksial keyfiyyətin kritik amillərini yaxşılaşdırır.
4. GaN Epitaksiyası üçün Ümumi Metodlar
(1) MOCVD (Metal-Üzvi Kimyəvi Buxar Depoziti)
GaN substratlarında homoepitaksiyanın GaN epitaksiyası üçün optimal seçim olduğu görünsə də, Metal-Üzvi Kimyəvi Buxar Çöküntüsü (MOCVD) əhəmiyyətli üstünlüklər təklif edir. Trimetilqallium və ammonyakdan prekursorlar kimi, hidrogeni isə daşıyıcı qaz kimi istifadə edərək MOCVD adətən 1000-1100°C ətrafında böyümə temperaturunda işləyir. MOCVD-nin böyümə sürəti saatda bir neçə mikrometr diapazonundadır. Bu üsul atomik cəhətdən kəskin interfeyslər yarada bilər ki, bu da onu heteroqovşaqlar, kvant quyuları və super şəbəkələr üçün ideal edir. Nisbətən yüksək böyümə sürəti, əla vahidliyi və geniş ərazidə və çox vafli böyümə üçün uyğunluğu onu sənaye istehsalı üçün standart üsula çevirir.
(2) MBE (Molekulyar Şüa Epitaksiyası)
Molekulyar Şüa Epitaksiyasında (MBE) elementar mənbələr qallium üçün istifadə olunur və aktiv azot azot qazından RF plazması vasitəsilə yaradılır. MOCVD ilə müqayisədə MBE əhəmiyyətli dərəcədə aşağı böyümə temperaturunda, 350-400°C ətrafında işləyir. Bu aşağı temperatur yüksək temperaturlu mühitlərdə yarana biləcək bəzi çirklənmə problemlərindən qaça bilər. MBE sistemləri ultra yüksək vakuum şəraitində işləyir və daha çox in-situ monitorinq üsullarının inteqrasiyasına imkan verir. Bununla belə, MBE-nin böyümə sürəti və istehsal gücü MOCVD-ninkinə uyğun gəlmir, bu da onu tədqiqat tətbiqləri üçün daha uyğun edir[7].
Şəkil 5: (a) Eiko-MBE sxemi (b) MBE Əsas Reaksiya Kamerasının sxemi
(3) HVPE (Hidrid Buxar Faza Epitaksisi)
Hidrid Buxar Fazalı Epitaksiyası (HVPE) prekursorlar kimi GaCl3 və NH3-dən istifadə edir. Detchprohm et al. sapfir substratlarında bir neçə yüz mikrometr qalınlığında GaN epitaksial təbəqələri böyütmək üçün bu üsuldan istifadə etdi. Təcrübələrində sapfir substratı ilə epitaksial təbəqə arasında ZnO bufer təbəqəsi yetişdirilmiş, epitaksial təbəqənin substrat səthindən soyulmasına imkan verilmişdir. MOCVD və MBE ilə müqayisədə HVPE-nin əsas üstünlüyü onun yüksək böyümə sürətidir ki, bu da onu qalın təbəqələr və toplu materialların istehsalı üçün əlverişli edir. Bununla belə, epitaksial təbəqənin qalınlığı 20μm-dən çox olduqda, HVPE tərəfindən yetişdirilən təbəqələr çatlamağa meyllidir.
Akira USUI, HVPE metoduna əsaslanan naxışlı substrat texnologiyasını təqdim etdi. Əvvəlcə MOCVD istifadə edərək sapfir substratda 1-1.5μm qalınlığında nazik GaN epitaksial təbəqə yetişdirildi. Bu təbəqə 20 nm qalınlığında aşağı temperaturlu GaN tampon qatından və yüksək temperaturlu GaN təbəqəsindən ibarət idi. Daha sonra 430°C-də epitaksial təbəqənin səthində SiO2 təbəqəsi çökdü və fotolitoqrafiya vasitəsilə SiO2 filmində pəncərə zolaqları yaradıldı. Zolaqlar arası məsafə 7μm, maskanın eni 1μm ilə 4μm arasında dəyişirdi. Bu modifikasiya onlara 2 düym diametrli sapfir substratlarda qalınlıq onlarla və hətta yüzlərlə mikrometrə qədər artdıqda belə çatsız və güzgü kimi hamar qalan GaN epitaksial təbəqələr istehsal etməyə imkan verdi. Qüsur sıxlığı ənənəvi HVPE metodunun 109-1010 sm^-2-dən təxminən 6×10^7 sm^-2-ə endirildi. Onlar həmçinin qeyd etdilər ki, böyümə sürəti 75μm/saatdan çox olduqda nümunə səthi kobud olur[8].
Şəkil 6: Naxışlı Substratın Sxemi
5. Xülasə və Outlook
Böyük bazar tələbi, şübhəsiz ki, GaN ilə əlaqəli sənaye və texnologiyalarda əhəmiyyətli irəliləyişlərə səbəb olacaqdır. GaN üçün sənaye zənciri yetkinləşdikcə və təkmilləşdikcə, GaN epitaksiyasındakı mövcud problemlər nəhayət yumşaldılacaq və ya aradan qaldırılacaq. Gələcək inkişaflar çox güman ki, yeni epitaksial üsullar və üstün substrat variantları təqdim edəcək. Bu irəliləyiş müxtəlif tətbiq ssenarilərinin xüsusiyyətlərinə əsaslanaraq ən uyğun epitaksial texnologiya və substratın seçilməsinə imkan verəcək və yüksək rəqabətə davamlı, fərdiləşdirilmiş məhsulların istehsalına səbəb olacaqdır.**
İstinadlar:
[1] "Diqqət" Yarımkeçirici Material-Qallium Nitrid (baidu.com)
[2] Tang Linjiang, Wan Chengan, Zhang Minghua, Li Ying, SiC və GaN geniş diapazonlu yarımkeçirici materialların tədqiqat vəziyyəti, Hərbi və Mülki İkili İstifadə Texnologiyası və Məhsulları, Mart 2020, Sayı 437, 21-28.
[3] Wang Huan, Tian Ye, Silikon substratda qallium nitridin böyük uyğunsuzluq stresinə nəzarət metodu üzrə araşdırma, Elm və Texnologiya İnnovasiyası və Tətbiqi, 3-cü buraxılış, 2023
[4]L.Liu, J.H.Edgar, Gallium nitride epitaxy üçün substratlar, Materials Science and Engineering R, 37(2002) 61-127.
[5]P.Ruterana, Philippe Vermaut, G.Nouet, A.Salvador, H.Morkoc, MBE, MRS Internet J tərəfindən 6H-SiC-nin (0001)Si səthində 2H-GaN artımında səth müalicəsi və təbəqə quruluşu. Nitrid Yarım Sabitlik. Res.2(1997)42.
[6]M.A.Sançes-Qarsiya, F.B. Naranjo, J.L.Pau, A.Jimenez, E.Calleja, E.Munoz,Si(111)-də yetişdirilmiş GaN/AlGaN tək heteroqovşaqlı işıq yayan diodlarda ultrabənövşəyi elektroluminesans, Journal of Applied Physics 87,1569(2000).
[7]Xinqiang Wang, Akihiko Yoshikawa, GaN, AlN və InN-nin molekulyar şüa epitaksi artımı, Kristal artımında irəliləyiş və materialların xarakteristikası 48/49 (2004) 42-103.
[8]Akira Usui,Haruo Sunakawa,Akira Sakai və A.atsushi Yamaguchi, hidrid buxar fazasının epitaksisi ilə aşağı dislokasiya sıxlığı ilə qalın GaN epitaksial böyümə, Jpn. J. Tətbiq. Fizik. Cild. 36 (1997) s.899-902.