Γιατί η Επιταξία Νιτριδίου Γλλίου (GaN) δεν αναπτύσσεται σε ένα υπόστρωμα GaN;

Η ανάπτυξη τουGaN epitaxyστο υπόστρωμα GaN παρουσιάζει μια μοναδική πρόκληση, παρά τις ανώτερες ιδιότητες του υλικού σε σύγκριση με το πυρίτιο.GaN epitaxyπροσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα όσον αφορά το πλάτος του διακένου ζώνης, τη θερμική αγωγιμότητα και το ηλεκτρικό πεδίο διάσπασης σε σχέση με υλικά με βάση το πυρίτιο. Αυτό καθιστά την υιοθέτηση του GaN ως τη ραχοκοκαλιά για την τρίτη γενιά ημιαγωγών, που παρέχουν βελτιωμένη ψύξη, χαμηλότερη απώλεια αγωγιμότητας και βελτιωμένη απόδοση σε υψηλές θερμοκρασίες και συχνότητες, μια πολλά υποσχόμενη και κρίσιμη πρόοδο για τη βιομηχανία φωτονικών και μικροηλεκτρονικών.

Το GaN, ως το κύριο υλικό ημιαγωγών τρίτης γενιάς, λάμπει ιδιαίτερα λόγω της ευρείας εφαρμογής του και έχει θεωρηθεί ως ένα από τα πιο σημαντικά υλικά μετά το πυρίτιο. Οι συσκευές ισχύος GaN επιδεικνύουν ανώτερα χαρακτηριστικά σε σύγκριση με τις τρέχουσες συσκευές με βάση το πυρίτιο, όπως υψηλότερη ένταση κρίσιμου ηλεκτρικού πεδίου, χαμηλότερη αντίσταση ενεργοποίησης και ταχύτερες συχνότητες μεταγωγής, οδηγώντας σε βελτιωμένη απόδοση και απόδοση του συστήματος σε υψηλές θερμοκρασίες λειτουργίας.

Στην αλυσίδα αξίας ημιαγωγών GaN, η οποία περιλαμβάνει υπόστρωμα,GaN epitaxy, το σχεδιασμό της συσκευής και την κατασκευή, το υπόστρωμα χρησιμεύει ως το βασικό συστατικό. Το GaN είναι φυσικά το πιο κατάλληλο υλικό για να χρησιμεύσει ως υπόστρωμα στο οποίοGaN epitaxyκαλλιεργείται λόγω της εγγενούς συμβατότητάς του με μια ομοιογενή διαδικασία ανάπτυξης. Αυτό εξασφαλίζει ελάχιστο βαθμό καταπόνησης λόγω διαφορών στις ιδιότητες του υλικού, με αποτέλεσμα τη δημιουργία επιταξιακών στρωμάτων ανώτερης ποιότητας σε σύγκριση με εκείνα που καλλιεργούνται σε ετερογενή υποστρώματα. Χρησιμοποιώντας το GaN ως υπόστρωμα, μπορεί να παραχθεί επιστημολογία GaN υψηλής ποιότητας, με εσωτερικά μειωμένη πυκνότητα ελαττώματος κατά χίλια ποσοστά σε σύγκριση με υποστρώματα όπως το ζαφείρι. Αυτό συμβάλλει στη σημαντική μείωση της θερμοκρασίας σύνδεσης των LED και επιτρέπει τη δεκαπλάσια ενίσχυση των lumens ανά μονάδα επιφάνειας.

Ωστόσο, το συμβατικό υπόστρωμα των συσκευών GaN δεν είναι μονοκρυστάλλοι GaN λόγω της δυσκολίας που σχετίζεται με την ανάπτυξή τους. Η πρόοδος στην ανάπτυξη μονοκρυστάλλου GaN έχει προχωρήσει σημαντικά πιο αργά από ότι στα συμβατικά υλικά ημιαγωγών. Η πρόκληση έγκειται στην καλλιέργεια κρυστάλλων GaN που είναι επιμήκεις και οικονομικά αποδοτικοί. Η πρώτη σύνθεση του GaN έγινε το 1932, χρησιμοποιώντας αμμωνία και ένα καθαρό μέταλλο γάλλιο για την ανάπτυξη του υλικού. Έκτοτε, έχει συνεχιστεί εκτεταμένη έρευνα στα μονοκρυσταλλικά υλικά GaN, ωστόσο παραμένουν προκλήσεις. Η αδυναμία του GaN να λιώσει υπό κανονική πίεση, η αποσύνθεσή του σε Ga και άζωτο (N2) σε υψηλές θερμοκρασίες και η πίεση αποσυμπίεσής του που φτάνει τα 6 gigapascal (GPa) στο σημείο τήξεως των 2.300 βαθμών Κελσίου, καθιστούν δύσκολο τον υπάρχοντα εξοπλισμό ανάπτυξης να φιλοξενήσει το σύνθεση μονοκρυστάλλων GaN σε τόσο υψηλές πιέσεις. Οι παραδοσιακές μέθοδοι ανάπτυξης τήγματος δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη μονοκρυστάλλου GaN, καθιστώντας έτσι αναγκαία τη χρήση ετερογενών υποστρωμάτων για την επιταξία. Στην τρέχουσα κατάσταση των συσκευών που βασίζονται σε GaN, η ανάπτυξη πραγματοποιείται συνήθως σε υποστρώματα όπως το πυρίτιο, το καρβίδιο του πυριτίου και το ζαφείρι, αντί να χρησιμοποιείται ένα ομοιογενές υπόστρωμα GaN, παρεμποδίζοντας την ανάπτυξη επιταξιακών συσκευών GaN και εμποδίζοντας εφαρμογές που απαιτούν ομοιογενές υπόστρωμα- καλλιεργημένη συσκευή.

Διάφοροι τύποι υποστρωμάτων χρησιμοποιούνται στην επιταξία GaN:

1. Ζαφείρι:Το Sapphire, ή α-Al2O3, είναι το πιο διαδεδομένο εμπορικό υπόστρωμα για LED, κατακτώντας ένα σημαντικό κομμάτι της αγοράς LED. Η χρήση του προαναγγέλθηκε για τα μοναδικά του πλεονεκτήματα, ιδιαίτερα στο πλαίσιο της επιταξιακής ανάπτυξης GaN, η οποία παράγει φιλμ με εξίσου χαμηλή πυκνότητα εξάρθρωσης με εκείνα που αναπτύσσονται σε υποστρώματα καρβιδίου του πυριτίου. Η κατασκευή του Sapphire περιλαμβάνει ανάπτυξη τήγματος, μια ώριμη διαδικασία που επιτρέπει την παραγωγή μονοκρυστάλλων υψηλής ποιότητας σε χαμηλότερο κόστος και μεγαλύτερα μεγέθη, κατάλληλων για βιομηχανική εφαρμογή. Ως αποτέλεσμα, το ζαφείρι είναι ένα από τα αρχαιότερα και πιο διαδεδομένα υποστρώματα στη βιομηχανία LED.

2. Καρβίδιο πυριτίου:Το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) είναι ένα ημιαγωγικό υλικό τέταρτης γενιάς που κατέχει τη δεύτερη θέση σε μερίδιο αγοράς για υποστρώματα LED, μετά το ζαφείρι. Το SiC χαρακτηρίζεται από τις ποικίλες κρυσταλλικές του μορφές, που ταξινομούνται κυρίως σε τρεις κατηγορίες: κυβικό (3C-SiC), εξαγωνικό (4H-SiC) και ρομβοεδρικό (15R-SiC). Η πλειοψηφία των κρυστάλλων SiC είναι 3C, 4H και 6H, με τους τύπους 4H και 6H-SiC να χρησιμοποιούνται ως υποστρώματα για συσκευές GaN.

Το καρβίδιο του πυριτίου είναι μια εξαιρετική επιλογή ως υπόστρωμα LED. Ωστόσο, η παραγωγή υψηλής ποιότητας, ευμεγέθους μονοκρυστάλλων SiC παραμένει προκλητική και η πολυεπίπεδη δομή του υλικού το καθιστά επιρρεπές σε διάσπαση, γεγονός που επηρεάζει τη μηχανική του ακεραιότητα, εισάγοντας δυνητικά επιφανειακά ελαττώματα που επηρεάζουν την ποιότητα του επιταξιακού στρώματος. Το κόστος ενός υποστρώματος SiC μονοκρυστάλλου είναι περίπου αρκετές φορές μεγαλύτερο από αυτό ενός υποστρώματος ζαφείρι ίδιου μεγέθους, περιορίζοντας την ευρεία εφαρμογή του λόγω της υψηλής τιμής του.

Semicorex  850V GaN-on-Si Epi Wafer υψηλής ισχύος

3. Μονόκρυσταλλο πυρίτιο:Το πυρίτιο, ως το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο και βιομηχανικά καθιερωμένο υλικό ημιαγωγών, παρέχει μια σταθερή βάση για την παραγωγή επιταξιακών υποστρωμάτων GaN. Η διαθεσιμότητα προηγμένων τεχνικών ανάπτυξης μονοκρυστάλλου πυριτίου εξασφαλίζει μια οικονομικά αποδοτική, μεγάλης κλίμακας παραγωγή υποστρωμάτων υψηλής ποιότητας, 6 έως 12 ιντσών. Αυτό μειώνει σημαντικά το κόστος των LED και ανοίγει το δρόμο για την ενσωμάτωση τσιπ LED και ολοκληρωμένων κυκλωμάτων μέσω της χρήσης υποστρωμάτων μονοκρυστάλλου πυριτίου, οδηγώντας τις εξελίξεις στη σμίκρυνση. Επιπλέον, σε σύγκριση με το ζαφείρι, το οποίο είναι σήμερα το πιο κοινό υπόστρωμα LED, οι συσκευές με βάση το πυρίτιο προσφέρουν πλεονεκτήματα όσον αφορά τη θερμική αγωγιμότητα, την ηλεκτρική αγωγιμότητα, την ικανότητα κατασκευής κάθετων κατασκευών και την καλύτερη εφαρμογή για κατασκευή LED υψηλής ισχύος.**