Εισαγωγή στους ημιαγωγούς τρίτης γενιάς: GaN και σχετικές επιταξιακές τεχνολογίες

1. Ημιαγωγοί τρίτης γενιάς

(1) Ημιαγωγοί πρώτης γενιάς

Η τεχνολογία ημιαγωγών πρώτης γενιάς βασίζεται σε υλικά όπως το πυρίτιο (Si) και το γερμάνιο (Ge). Αυτά τα υλικά έθεσαν τα θεμέλια για την τεχνολογία τρανζίστορ και ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (IC), τα οποία με τη σειρά τους έθεσαν τη βάση της βιομηχανίας ηλεκτρονικών του 20ου αιώνα.

(2) Ημιαγωγοί δεύτερης γενιάς
Τα υλικά ημιαγωγών δεύτερης γενιάς περιλαμβάνουν κυρίως αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs), φωσφίδιο ινδίου (InP), φωσφίδιο του γαλλίου (GaP), αρσενίδιο του ινδίου (InAs), αρσενίδιο αργιλίου (AlAs) και τις τριμερείς ενώσεις τους. Αυτά τα υλικά αποτελούν τη ραχοκοκαλιά της βιομηχανίας οπτοηλεκτρονικών πληροφοριών, η οποία οδήγησε στην ανάπτυξη του φωτισμού, της οθόνης, του λέιζερ, των φωτοβολταϊκών και άλλων συναφών βιομηχανιών. Χρησιμοποιούνται ευρέως στη σύγχρονη τεχνολογία πληροφοριών και βιομηχανίες οπτικοηλεκτρονικών οθονών.

(3) Ημιαγωγοί τρίτης γενιάς
Τα αντιπροσωπευτικά υλικά ημιαγωγών τρίτης γενιάς περιλαμβάνουν το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN) και το καρβίδιο του πυριτίου (SiC). Λόγω του μεγάλου χάσματος ζώνης, της υψηλής ταχύτητας μετατόπισης κορεσμού ηλεκτρονίων, της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας και των μεγάλων ηλεκτρικών πεδίων διάσπασης, αυτά τα υλικά είναι ιδανικά για ηλεκτρονικές συσκευές υψηλής πυκνότητας ισχύος, υψηλής συχνότητας και χαμηλών απωλειών. Οι συσκευές ισχύος SiC έχουν υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και μικρό μέγεθος, γεγονός που τις καθιστά κατάλληλες για εφαρμογές σε ηλεκτρικά οχήματα, φωτοβολταϊκά, σιδηροδρομικές μεταφορές και τομείς μεγάλων δεδομένων. Οι συσκευές GaN RF διαθέτουν υψηλή συχνότητα, υψηλή ισχύ, μεγάλο εύρος ζώνης, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και μικρό μέγεθος, τα οποία είναι πλεονεκτήματα για τις επικοινωνίες 5G, το Internet of Things (IoT) και τις στρατιωτικές εφαρμογές ραντάρ. Επιπλέον, οι συσκευές ισχύος που βασίζονται σε GaN χρησιμοποιούνται πλέον ευρέως σε εφαρμογές χαμηλής τάσης. Τα αναδυόμενα υλικά οξειδίου του γαλλίου (Ga2O3) δείχνουν επίσης δυνατότητες συμπλήρωσης των υπαρχουσών τεχνολογιών SiC και GaN, ειδικά σε εφαρμογές χαμηλής συχνότητας και υψηλής τάσης.

Σε σύγκριση με τα υλικά ημιαγωγών δεύτερης γενιάς, τα υλικά τρίτης γενιάς διαθέτουν ευρύτερα διάκενα ζώνης (το τυπικό Si έχει διάκενο ζώνης περίπου 1,1 eV, το GaAs περίπου 1,42 eV, ενώ το GaN υπερβαίνει τα 2,3 eV), ισχυρότερη αντίσταση ακτινοβολίας, υψηλότερη απόδοση διάσπασης ηλεκτρικού πεδίου και καλύτερη αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν τα υλικά ημιαγωγών τρίτης γενιάς ιδιαίτερα κατάλληλα για ηλεκτρονικές συσκευές ανθεκτικές στην ακτινοβολία, υψηλής συχνότητας, υψηλής ισχύος και πυκνότητας υψηλής ολοκλήρωσης. Κάνουν σημαντικά βήματα προόδου σε συσκευές μικροκυμάτων ραδιοσυχνοτήτων, LED, λέιζερ και συσκευές ισχύος και δείχνουν πολλά υποσχόμενες προοπτικές στις κινητές επικοινωνίες, τα έξυπνα δίκτυα, τις σιδηροδρομικές μεταφορές, τα ηλεκτρικά οχήματα, τα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης και τις συσκευές υπεριώδους και μπλε-πράσινου φωτός[1].

Εικόνα 1: Μέγεθος αγοράς και πρόβλεψη συσκευών GaN Power

2. Δομή και Χαρακτηριστικά του GaN

Το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN) είναι ένας ημιαγωγός άμεσης ζώνης με διάκενο ζώνης περίπου 3,26 eV σε θερμοκρασία δωματίου στη δομή του wurtzite. Το GaN υπάρχει κυρίως σε τρεις κρυσταλλικές δομές: wurtzite, zincblende και rock-alt. Η δομή του wurtzite είναι η πιο σταθερή από αυτές.Το σχήμα 2 δείχνει την εξαγωνική δομή wurtzite του GaN. Στη δομή του wurtzite, το GaN ανήκει στην εξαγωνική κλειστή διαμόρφωση. Κάθε κύτταρο μονάδας περιέχει 12 άτομα, συμπεριλαμβανομένων 6 ατόμων αζώτου (N) και 6 ατόμων γαλλίου (Ga). Κάθε άτομο Ga (N) συνδέεται με 4 πλησιέστερα άτομα N (Ga), σχηματίζοντας μια ακολουθία στοίβαξης κατά μήκος της διεύθυνσης [0001] σε ένα μοτίβο ABABAB…[2].

Εικόνα 2: Δομή Wurtzite του κυττάρου μονάδας GaN

3. Κοινά Υποστρώματα για Επιταξία GaN

Με την πρώτη ματιά, η ομοεπιταξία σε υποστρώματα GaN φαίνεται να είναι η βέλτιστη επιλογή για την επίταση GaN. Ωστόσο, λόγω της υψηλής ενέργειας δεσμού του GaN, στο σημείο τήξης του (2500°C), η αντίστοιχη πίεση αποσύνθεσης είναι περίπου 4,5 GPa. Κάτω από αυτή την πίεση, το GaN δεν λιώνει αλλά αποσυντίθεται απευθείας. Αυτό καθιστά τις παραδοσιακές τεχνικές προετοιμασίας υποστρώματος, όπως η μέθοδος Czochralski, ακατάλληλες για την παρασκευή μονοκρυσταλλικών υποστρωμάτων GaN. Κατά συνέπεια, τα υποστρώματα GaN είναι δύσκολο να παραχθούν μαζικά και είναι δαπανηρά. Επομένως, τα συνήθως χρησιμοποιούμενα υποστρώματα για την επιταξία GaN περιλαμβάνουν Si, SiC και ζαφείρι[3].

Εικόνα 3: Παράμετροι GaN και κοινών υλικών υποστρώματος

(1) GaN Epitaxy on Sapphire

Το Sapphire είναι χημικά σταθερό, φθηνό και έχει υψηλό βαθμό ωριμότητας στη μαζική παραγωγή, καθιστώντας το ένα από τα πρώτα και πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα υλικά υποστρώματος στη μηχανική συσκευών ημιαγωγών. Ως κοινό υπόστρωμα για την επιταξία GaN, τα υποστρώματα από ζαφείρι πρέπει να αντιμετωπίζουν τα ακόλουθα βασικά ζητήματα:

✔ Υψηλή αναντιστοιχία πλέγματος: Η αναντιστοιχία πλέγματος μεταξύ ζαφείριου (Al2O3) και GaN είναι σημαντική (περίπου 15%), οδηγώντας σε υψηλή πυκνότητα ελαττώματος στη διεπιφάνεια μεταξύ του επιταξιακού στρώματος και του υποστρώματος. Για να μετριαστεί αυτή η αρνητική επίδραση, το υπόστρωμα πρέπει να υποβληθεί σε πολύπλοκη προεπεξεργασία πριν ξεκινήσει η επιταξιακή διαδικασία. Αυτό περιλαμβάνει ενδελεχή καθαρισμό για την απομάκρυνση ρύπων και υπολειπόμενη ζημιά στίλβωσης, δημιουργία βαθμίδων και επιφανειακών δομών βημάτων, νιτρίωση της επιφάνειας για αλλαγή των ιδιοτήτων διαβροχής του επιταξιακού στρώματος και, τέλος, εναπόθεση λεπτού στρώματος ρυθμιστικού διαλύματος AlN (συνήθως πάχους 10-100 nm) ακολουθούμενη από χαμηλή -θερμοκρασιακή ανόπτηση για προετοιμασία για την τελική επιταξιακή ανάπτυξη. Παρά αυτά τα μέτρα, η πυκνότητα εξάρθρωσης στα επιταξιακά φιλμ GaN που αναπτύσσονται σε υποστρώματα ζαφείρι παραμένει υψηλή (~10^10 cm^-2) σε σύγκριση με την ομοεπιταξία σε πυρίτιο ή GaAs (πυκνότητα εξάρθρωσης από 0 έως 102-104 cm^-2). Οι υψηλές πυκνότητες ελαττωμάτων μειώνουν την κινητικότητα του φορέα, μειώνουν τη διάρκεια ζωής του μειοψηφικού φορέα και μειώνουν τη θερμική αγωγιμότητα, τα οποία επηρεάζουν την απόδοση της συσκευής[4].

✔ Αναντιστοιχία συντελεστή θερμικής διαστολής: Το Sapphire έχει μεγαλύτερο συντελεστή θερμικής διαστολής από το GaN, με αποτέλεσμα διαξονική θλιπτική τάση εντός του επιταξιακού στρώματος καθώς ψύχεται από τη θερμοκρασία εναπόθεσης σε θερμοκρασία δωματίου. Για παχύτερες επιταξιακές μεμβράνες, αυτή η τάση μπορεί να οδηγήσει σε ρωγμές μεμβράνης ή ακόμα και υποστρώματος.

✔ Κακή θερμική αγωγιμότητα: Σε σύγκριση με άλλα υποστρώματα, το ζαφείρι έχει χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα (~0,25 Wcm^-1K^-1 στους 100°C), η οποία είναι μειονεκτική για την απαγωγή θερμότητας.

✔ Χαμηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα: Η κακή ηλεκτρική αγωγιμότητα του ζαφείρι εμποδίζει την ενσωμάτωση και την εφαρμογή του με άλλες συσκευές ημιαγωγών.

Παρά την υψηλή πυκνότητα ελαττώματος στα επιταξιακά στρώματα GaN που αναπτύσσονται σε ζαφείρι, η οπτική και ηλεκτρονική του απόδοση σε μπλε-πράσινα LED που βασίζονται σε GaN δεν φαίνεται να μειώνονται σημαντικά. Επομένως, τα υποστρώματα από ζαφείρι παραμένουν κοινά για τα LED που βασίζονται σε GaN. Ωστόσο, καθώς αναπτύσσονται περισσότερες συσκευές GaN, όπως λέιζερ και άλλες συσκευές υψηλής πυκνότητας ισχύος, οι εγγενείς περιορισμοί των υποστρωμάτων από ζαφείρι γίνονται όλο και πιο εμφανείς.

(2) GaN Epitaxy on SiC

Σε σύγκριση με το ζαφείρι, τα υποστρώματα SiC (πολύτυποι 4H- και 6H) έχουν μικρότερη αναντιστοιχία πλέγματος με επιταξιακά στρώματα GaN (3,1% κατά μήκος της κατεύθυνσης [0001]), υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα (περίπου 3,8 Wcm^-1K^-1) και ηλεκτρική αγωγιμότητα που επιτρέπει ηλεκτρικές επαφές στο πίσω μέρος, απλοποιώντας τις δομές της συσκευής. Αυτά τα πλεονεκτήματα προσελκύουν αυξανόμενους αριθμούς ερευνητών για να εξερευνήσουν την επιταξία GaN σε υποστρώματα SiC. Ωστόσο, η άμεση ανάπτυξη των επιταξιακών στρωμάτων GaN σε υποστρώματα SiC αντιμετωπίζει επίσης αρκετές προκλήσεις:

✔ Τραχύτητα επιφάνειας: Τα υποστρώματα SiC έχουν πολύ μεγαλύτερη τραχύτητα επιφάνειας από τα υποστρώματα ζαφείρι (0,1 nm RMS για ζαφείρι, 1 nm RMS για SiC). Η υψηλή σκληρότητα και η κακή μηχανική κατεργασία του SiC συμβάλλουν σε αυτή την τραχύτητα και την υπολειπόμενη ζημιά στίλβωσης, που είναι πηγές ελαττωμάτων στα επιταξιακά στρώματα GaN.

✔ Υψηλή πυκνότητα εξάρθρωσης νήματος: Τα υποστρώματα SiC έχουν υψηλές πυκνότητες εξάρθρωσης σπειρώματος (103-104 cm^-2), οι οποίες μπορούν να διαδοθούν στο επιταξιακό στρώμα GaN και να υποβαθμίσουν την απόδοση της συσκευής.

✔ Σφάλματα στοίβαξης: Η ατομική διάταξη στην επιφάνεια του υποστρώματος μπορεί να προκαλέσει σφάλματα στοίβαξης (BSF) στα επιταξιακά στρώματα GaN. Πολλαπλές πιθανές ατομικές διατάξεις στο υπόστρωμα SiC οδηγούν σε μη ομοιόμορφες αρχικές αλληλουχίες ατομικής στοίβαξης στο στρώμα GaN, αυξάνοντας την πιθανότητα σφαλμάτων στοίβαξης. Τα BSF κατά μήκος του άξονα c εισάγουν ενσωματωμένα ηλεκτρικά πεδία, προκαλώντας προβλήματα διαχωρισμού φορέα και διαρροής στις συσκευές.

✔ Αναντιστοιχία συντελεστή θερμικής διαστολής: Ο συντελεστής θερμικής διαστολής του SiC είναι μικρότερος από εκείνον του AlN και του GaN, οδηγώντας σε συσσώρευση θερμικής τάσης μεταξύ του επιταξιακού στρώματος και του υποστρώματος κατά την ψύξη. Η έρευνα των Waltereit και Brand προτείνει ότι αυτό το ζήτημα μπορεί να μετριαστεί με την ανάπτυξη του επιταξιακού στρώματος GaN σε ένα λεπτό, συνεκτικά τεντωμένο στρώμα πυρήνωσης AlN.

✔ Κακή διαβροχή των ατόμων Ga: Η άμεση ανάπτυξη του GaN σε επιφάνειες SiC είναι δύσκολη λόγω της κακής διαβροχής των ατόμων Ga. Το GaN τείνει να αναπτύσσεται σε τρισδιάστατη λειτουργία νησίδας, η εισαγωγή στρώσεων buffer είναι μια κοινή λύση για τη βελτίωση της ποιότητας των επιταξιακών υλικών. Η εισαγωγή στρώσεων ρυθμιστικού διαλύματος AlN ή AlxGa1-xN μπορεί να βελτιώσει τη διαβροχή στην επιφάνεια του SiC, προάγοντας τη δισδιάστατη ανάπτυξη του επιταξιακού στρώματος GaN και δρώντας για τη ρύθμιση της τάσης και εμποδίζοντας τη διάδοση των ελαττωμάτων του υποστρώματος στο στρώμα GaN.

✔ Υψηλό κόστος και περιορισμένη προμήθεια: Η τεχνολογία προετοιμασίας υποστρώματος SiC είναι ανώριμη, με αποτέλεσμα υψηλό κόστος υποστρώματος και περιορισμένη προσφορά από λίγους προμηθευτές.

Έρευνα των Torres et al. υποδεικνύει ότι η προεγχάραξη υποστρωμάτων SiC με Η2 σε υψηλές θερμοκρασίες (1600°C) δημιουργεί πιο τακτικές δομές σταδίου, με αποτέλεσμα υψηλότερης ποιότητας επιταξιακές μεμβράνες AlN σε σύγκριση με εκείνες που αναπτύσσονται απευθείας σε μη επεξεργασμένα υποστρώματα. Ο Xie και η ομάδα του απέδειξαν επίσης ότι η προεπεξεργασία με χάραξη των υποστρωμάτων SiC βελτιώνει σημαντικά τη μορφολογία της επιφάνειας και την ποιότητα των κρυστάλλων των επιταξιακών στρωμάτων GaN. Smith et al. διαπιστώθηκε ότι οι εξαρθρώσεις σπειρώματος από τις διεπαφές υποστρώματος/στρώματος απομόνωσης και στρώματος προσωρινής αποθήκευσης/επιταξιακής στρώσης σχετίζονται με την επιπεδότητα του υποστρώματος[5].

Εικόνα 4: Μορφολογία TEM των επιταξιακών στρωμάτων GaN που αναπτύσσονται σε (0001) όψη υποστρωμάτων 6H-SiC κάτω από διαφορετικές επιφανειακές επεξεργασίες: (α) Χημικός καθαρισμός. (β) Χημικός καθαρισμός + Επεξεργασία πλάσματος υδρογόνου. © Chemical Cleaning + Hydrogen Plasma Treatment + 1300°C Hydrogen Thermal Treatment για 30 λεπτά

(3) GaN Epitaxy on Si

Σε σύγκριση με τα υποστρώματα SiC και ζαφείρι, τα υποστρώματα πυριτίου διαθέτουν ώριμες διαδικασίες προετοιμασίας, σταθερή παροχή υποστρώματος μεγάλου μεγέθους, οικονομική αποδοτικότητα και εξαιρετική θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα. Επιπλέον, η τεχνολογία ώριμων ηλεκτρονικών συσκευών πυριτίου προσφέρει τη δυνατότητα για τέλεια ενσωμάτωση οπτοηλεκτρονικών συσκευών GaN με ηλεκτρονικές συσκευές πυριτίου, καθιστώντας την επιταξία GaN σε πυρίτιο εξαιρετικά ελκυστική. Ωστόσο, η σημαντική αναντιστοιχία σταθερών πλέγματος μεταξύ των υποστρωμάτων Si και των υλικών GaN παρουσιάζει αρκετές προκλήσεις.

✔ Θέματα Ενέργειας Διεπαφής: Όταν το GaN αναπτύσσεται σε υποστρώματα Si, η επιφάνεια του Si σχηματίζει πρώτα ένα άμορφο στρώμα SiNx, το οποίο είναι επιζήμιο για τον πυρήνα του GaN υψηλής πυκνότητας. Επιπλέον, οι επιφάνειες Si αρχικά αντιδρούν με το Ga, προκαλώντας διάβρωση της επιφάνειας, και σε υψηλές θερμοκρασίες, η επιφανειακή αποσύνθεση του Si μπορεί να διαχέεται στο επιταξιακό στρώμα GaN, σχηματίζοντας μαύρες κηλίδες πυριτίου.

✔ Αναντιστοιχία πλέγματος: Η μεγάλη αναντιστοιχία σταθερών πλέγματος (~17%) μεταξύ GaN και Si έχει ως αποτέλεσμα εξαρθρώσεις σπειρώματος υψηλής πυκνότητας, μειώνοντας σημαντικά την ποιότητα του επιταξιακού στρώματος.

✔ Αναντιστοιχία συντελεστή θερμικής διαστολής: Το GaN έχει μεγαλύτερο συντελεστή θερμικής διαστολής από το Si (GaN ~5,6×10^-6 K^-1, Si ~2,6×10^-6 K^-1), το οποίο μπορεί να προκαλέσει ρωγμές στο GaN επιταξιακό στρώμα κατά την ψύξη από τη θερμοκρασία επιταξιακής ανάπτυξης σε θερμοκρασία δωματίου.

✔ Αντιδράσεις σε υψηλή θερμοκρασία: Το Si αντιδρά με NH3 σε υψηλές θερμοκρασίες, σχηματίζοντας πολυκρυσταλλικό SiNx. Το AlN δεν μπορεί να πυρηνώσει κατά προτίμηση σε πολυκρυσταλλικό SiNx, οδηγώντας σε εξαιρετικά αποπροσανατολισμένη ανάπτυξη GaN με πολύ υψηλές πυκνότητες ελαττώματος, καθιστώντας δύσκολη τη δημιουργία μονοκρυσταλλικών επιταξιακών στρωμάτων GaN[6].

Για να αντιμετωπίσουν τη μεγάλη αναντιστοιχία πλέγματος, οι ερευνητές προσπάθησαν να εισαγάγουν υλικά όπως AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO και SiC ως ρυθμιστικά στρώματα σε υποστρώματα Si. Για να αποτραπεί ο σχηματισμός πολυκρυσταλλικού SiNx και να μειωθούν οι δυσμενείς επιπτώσεις του στην ποιότητα των κρυστάλλων του GaN/AlN/Si (111), το TMAl συνήθως εισάγεται πριν από την επιταξιακή ανάπτυξη του ρυθμιστικού στρώματος AlN για να αποτρέψει την αντίδραση του NH3 με την εκτεθειμένη επιφάνεια Si. Επιπλέον, τεχνικές όπως τα υποστρώματα με σχέδια χρησιμοποιούνται για τη βελτίωση της ποιότητας της επιταξιακής στρώσης. Αυτές οι εξελίξεις βοηθούν στην καταστολή του σχηματισμού SiNx στην επιταξιακή διεπιφάνεια, προάγουν τη δισδιάστατη ανάπτυξη του επιταξιακού στρώματος GaN και βελτιώνουν την ποιότητα ανάπτυξης. Η εισαγωγή στρώσεων ρυθμιστικού διαλύματος AlN αντισταθμίζει την τάση εφελκυσμού που προκαλείται από διαφορές στους συντελεστές θερμικής διαστολής, αποτρέποντας ρωγμές στο στρώμα GaN σε υποστρώματα πυριτίου. Η έρευνα του Krost δείχνει μια θετική συσχέτιση μεταξύ του πάχους του ρυθμιστικού στρώματος AlN και της μειωμένης καταπόνησης, επιτρέποντας την ανάπτυξη επιταξιακών στρωμάτων πάχους άνω των 6 μm σε υποστρώματα πυριτίου χωρίς ρωγμές, μέσω κατάλληλων σχημάτων ανάπτυξης.

Χάρη σε εκτεταμένες ερευνητικές προσπάθειες, η ποιότητα των επιταξιακών στρωμάτων GaN που αναπτύσσονται σε υποστρώματα πυριτίου έχει βελτιωθεί σημαντικά. Τα τρανζίστορ εφέ πεδίου, οι ανιχνευτές υπεριώδους φραγμού Schottky, τα μπλε-πράσινα LED και τα υπεριώδη λέιζερ έχουν κάνει όλα σημαντική πρόοδο.

Συμπερασματικά, τα κοινά επιταξιακά υποστρώματα GaN είναι όλα ετεροεπιταξιακά, αντιμετωπίζοντας ποικίλους βαθμούς αναντιστοιχίας πλέγματος και διαφορές συντελεστών θερμικής διαστολής. Τα ομοεπιταξιακά υποστρώματα GaN περιορίζονται από την ανώριμη τεχνολογία, το υψηλό κόστος παραγωγής, τα μικρά μεγέθη υποστρώματος και τη μη βέλτιστη ποιότητα, καθιστώντας την ανάπτυξη νέων επιταξιακών υποστρωμάτων GaN και τη βελτίωση της επιταξιακής ποιότητας κρίσιμους παράγοντες για την περαιτέρω εξέλιξη της βιομηχανίας.

4. Κοινές Μέθοδοι για την Επιταξία GaN

(1) MOCVD (Μεταλλική-Οργανική Χημική Εναπόθεση Ατμών)

Ενώ η ομοεπιταξία σε υποστρώματα GaN φαίνεται να είναι η βέλτιστη επιλογή για την επίταση GaN, η εναπόθεση ατμών μετάλλου-οργανικού χημικού (MOCVD) προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα. Χρησιμοποιώντας τριμεθυλογάλλιο και αμμωνία ως πρόδρομες ουσίες και υδρογόνο ως φέρον αέριο, το MOCVD τυπικά λειτουργεί σε θερμοκρασίες ανάπτυξης γύρω στους 1000-1100°C. Ο ρυθμός ανάπτυξης του MOCVD είναι στην περιοχή πολλών μικρομέτρων ανά ώρα. Αυτή η μέθοδος μπορεί να παράγει ατομικά ευκρινείς διεπαφές, καθιστώντας την ιδανική για την ανάπτυξη ετεροσυνδέσεων, κβαντικών φρεατίων και υπερδικτύων. Η σχετικά υψηλή ταχύτητα ανάπτυξής του, η εξαιρετική ομοιομορφία και η καταλληλότητά του για ανάπτυξη μεγάλων επιφανειών και πολλαπλών πλακιδίων το καθιστούν μια τυπική μέθοδο για βιομηχανική παραγωγή.

(2) MBE (Επιταξία μοριακής δέσμης)

Στη Μοριακή Επίταξη Δέσμης (MBE), στοιχειακές πηγές χρησιμοποιούνται για το γάλλιο και το ενεργό άζωτο παράγεται μέσω του πλάσματος RF από αέριο άζωτο. Σε σύγκριση με το MOCVD, το MBE λειτουργεί σε σημαντικά χαμηλότερες θερμοκρασίες ανάπτυξης, περίπου 350-400°C. Αυτή η χαμηλότερη θερμοκρασία μπορεί να αποφύγει ορισμένα από τα ζητήματα μόλυνσης που μπορεί να προκύψουν σε περιβάλλοντα υψηλής θερμοκρασίας. Τα συστήματα MBE λειτουργούν υπό συνθήκες εξαιρετικά υψηλού κενού, επιτρέποντας την ενσωμάτωση περισσότερων τεχνικών επιτόπιας παρακολούθησης. Ωστόσο, ο ρυθμός ανάπτυξης και η παραγωγική ικανότητα του MBE δεν μπορούν να ταιριάζουν με αυτόν του MOCVD, καθιστώντας το πιο κατάλληλο για ερευνητικές εφαρμογές[7].

Εικόνα 5: (α) Σχηματικό του Eiko-MBE (β) Σχηματικό του MBE Main Reaction Chamber

(3) HVPE (Επιταξία φάσης υδρατμών)

Η Επιταξία Φάσης Υδριδίου Ατμού (HVPE) χρησιμοποιεί GaCl3 και NH3 ως πρόδρομες ουσίες. Οι Detchprohm et al. χρησιμοποίησε αυτή τη μέθοδο για να αναπτύξει επιταξιακά στρώματα GaN πάχους πολλών εκατοντάδων μικρομέτρων σε υποστρώματα ζαφείρι. Στα πειράματά τους, ένα στρώμα ρυθμιστικού διαλύματος ZnO αναπτύχθηκε μεταξύ του υποστρώματος ζαφείρι και του επιταξιακού στρώματος, επιτρέποντας στο επιταξιακό στρώμα να αποκολληθεί από την επιφάνεια του υποστρώματος. Σε σύγκριση με το MOCVD και το MBE, το πρωταρχικό πλεονέκτημα του HVPE είναι ο υψηλός ρυθμός ανάπτυξής του, καθιστώντας το κατάλληλο για την παραγωγή παχύρρευστων στρωμάτων και χύδην υλικών. Ωστόσο, όταν το πάχος της επιταξιακής στρώσης υπερβαίνει τα 20μm, τα στρώματα που αναπτύσσονται με HVPE είναι επιρρεπή σε ρωγμές.

Η Akira USUI εισήγαγε την τεχνολογία υποστρώματος με μοτίβο που βασίζεται στη μέθοδο HVPE. Αρχικά, ένα λεπτό επιταξιακό στρώμα GaN, πάχους 1-1,5μm, αναπτύχθηκε σε υπόστρωμα ζαφείρι χρησιμοποιώντας MOCVD. Αυτό το στρώμα αποτελούνταν από ένα ρυθμιστικό στρώμα GaN χαμηλής θερμοκρασίας πάχους 20 nm και ένα στρώμα GaN υψηλής θερμοκρασίας. Στη συνέχεια, στους 430°C, ένα στρώμα SiO2 εναποτέθηκε στην επιφάνεια του επιταξιακού στρώματος και δημιουργήθηκαν λωρίδες παραθύρου στο φιλμ SiO2 μέσω φωτολιθογραφίας. Η απόσταση των λωρίδων ήταν 7μm, με τα πλάτη της μάσκας να κυμαίνονται από 1μm έως 4μm. Αυτή η τροποποίηση τους επέτρεψε να παράγουν επιταξιακά στρώματα GaN σε υποστρώματα ζαφείρι διαμέτρου 2 ιντσών, τα οποία παρέμεναν χωρίς ρωγμές και λεία σαν καθρέφτες ακόμα και όταν το πάχος αυξήθηκε σε δεκάδες ή και εκατοντάδες μικρόμετρα. Η πυκνότητα του ελαττώματος μειώθηκε από την παραδοσιακή μέθοδο HVPE 109-1010 cm^-2 σε περίπου 6×10^7 cm^-2. Σημείωσαν επίσης ότι η επιφάνεια του δείγματος έγινε τραχιά όταν ο ρυθμός ανάπτυξης ξεπέρασε τα 75μm/h[8]. 

                                                                                                                   

                                                                                                                                     Σχήμα 6: Σχηματικό Υπόστρωμα με Μοτίβο

5. Περίληψη και Outlook

Η τεράστια ζήτηση της αγοράς αναμφίβολα θα οδηγήσει σε σημαντικές προόδους σε βιομηχανίες και τεχνολογίες που σχετίζονται με το GaN. Καθώς η βιομηχανική αλυσίδα για το GaN ωριμάζει και βελτιώνεται, οι τρέχουσες προκλήσεις στην επιταξία GaN θα μετριαστούν ή θα ξεπεραστούν τελικά. Οι μελλοντικές εξελίξεις πιθανότατα θα εισάγουν νέες επιταξιακές τεχνικές και ανώτερες επιλογές υποστρώματος. Αυτή η πρόοδος θα επιτρέψει την επιλογή της καταλληλότερης επιταξιακής τεχνολογίας και υποστρώματος με βάση τα χαρακτηριστικά διαφορετικών σεναρίων εφαρμογής, οδηγώντας στην παραγωγή άκρως ανταγωνιστικών, προσαρμοσμένων προϊόντων.**

Βιβλιογραφικές αναφορές:

[1] Υλικό ημιαγωγών "Προσοχή"-Νιτρίδιο του γαλλίου (baidu.com)

[2] Tang Linjiang, Wan Chengan, Zhang Minghua, Li Ying, Κατάσταση έρευνας για υλικά ημιαγωγών ευρείας ζώνης SiC και GaN, Στρατιωτική και πολιτική τεχνολογία και προϊόντα διπλής χρήσης, Μάρτιος 2020, Τεύχος 437, 21-28.

[3] Wang Huan, Tian Ye, Έρευνα για τη μέθοδο ελέγχου της μεγάλης αναντιστοιχίας τάσεων του νιτριδίου του γαλλίου σε υπόστρωμα πυριτίου, Επιστήμη και Τεχνολογία Καινοτομία και Εφαρμογή, Τεύχος 3, 2023

[4]L.Liu, J.H.Edgar, Substrates for galium nitride epitaxy, Materialss Science and Engineering R, 37(2002) 61-127.

[5]P.Ruterana, Philippe Vermaut, G.Nouet, A.Salvador, H.Morkoc, Επεξεργασία επιφάνειας και δομή στρώματος σε ανάπτυξη 2H-GaN στην επιφάνεια (0001)Si του 6H-SiC από την MBE, MRS Internet J. Nitride Semicond. Res.2(1997)42.

[6]M.A.Sanchez-Garcia, F.B. Naranjo, JL.

[7]Xinqiang Wang, Akihiko Yoshikawa, Molecular beam epitaxy growth of GaN, AlN and InN, Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials 48/49 (2004) 42-103.

[8]Akira Usui，Haruo Sunakawa,Akira Sakai και A. atsushi Yamaguchi, Παχιά επιταξιακή ανάπτυξη GaN με χαμηλή πυκνότητα εξάρθρωσης με επίταση φάσης ατμού υδριδίου, Jpn. J. Appl. Phys. Τομ. 36 (1997) σσ.899-902.