Gllium Nitrür (GaN) Epitaksi Neden GaN substratında Büyümüyor?

BüyümeGaN epitaksiMalzemenin silikonla karşılaştırıldığında üstün özelliklerine rağmen, GaN substratı üzerinde gerçekleştirilmesi benzersiz bir zorluk teşkil ediyor.GaN epitaksibant aralığı genişliği, termal iletkenlik ve elektrik alanı dağılımı açısından silikon bazlı malzemelere göre önemli avantajlar sunar. Bu, gelişmiş soğutma, daha düşük iletim kaybı ve yüksek sıcaklıklar ve frekanslar altında iyileştirilmiş performans sağlayan üçüncü nesil yarı iletkenlerin omurgası olarak GaN'nin benimsenmesini sağlar; bu, fotonik ve mikro elektronik endüstrileri için umut verici ve önemli bir ilerlemedir.

Birinci nesil üçüncü nesil yarı iletken malzeme olan GaN, özellikle geniş uygulanabilirliği nedeniyle öne çıkıyor ve silikondan sonra en önemli malzemelerden biri olarak kabul ediliyor. GaN güç cihazları, mevcut silikon bazlı cihazlarla karşılaştırıldığında daha yüksek kritik elektrik alan kuvveti, daha düşük direnç ve daha hızlı anahtarlama frekansları gibi üstün özellikler göstererek, yüksek çalışma sıcaklıklarında gelişmiş sistem verimliliği ve performansına yol açar.

Alt tabakayı içeren GaN yarı iletken değer zincirinde,GaN epitaksi, cihaz tasarımı ve imalatında alt tabaka temel bileşen görevi görür. GaN doğal olarak üzerinde substrat görevi görecek en uygun malzemedir.GaN epitaksihomojen bir büyüme süreci ile içsel uyumluluğu nedeniyle yetiştirilir. Bu, malzeme özelliklerindeki eşitsizliklerden kaynaklanan stresin minimum düzeyde olmasını sağlar ve heterojen alt tabakalar üzerinde büyütülenlerle karşılaştırıldığında üstün kalitede epitaksiyel katmanların üretilmesiyle sonuçlanır. Alt katman olarak GaN kullanılarak, safir gibi alt katmanlara kıyasla dahili olarak bin kat azaltılmış kusur yoğunluğuyla yüksek kaliteli GaN epistemolojisi üretilebilir. Bu, LED'lerin bağlantı sıcaklığında önemli bir azalmaya katkıda bulunur ve birim alan başına lümenin on kat artmasına olanak tanır.

Bununla birlikte, GaN cihazlarının geleneksel substratı, büyümeleriyle ilgili zorluktan dolayı GaN tek kristalleri değildir. GaN tek kristal büyümesindeki ilerleme, geleneksel yarı iletken malzemelere göre önemli ölçüde daha yavaş ilerledi. Buradaki zorluk, uzun ve uygun maliyetli GaN kristallerinin yetiştirilmesinde yatmaktadır. GaN'nin ilk sentezi, malzemeyi büyütmek için amonyak ve saf metal galyum kullanılarak 1932'de gerçekleşti. O zamandan bu yana, GaN tek kristal malzemelerine yönelik kapsamlı araştırmalar sürdürüldü, ancak zorluklar devam ediyor. GaN'nin normal basınç altında erimemesi, yüksek sıcaklıklarda Ga ve nitrojene (N2) ayrışması ve 2.300 santigrat derece erime noktasında 6 gigapaskal'a (GPa) ulaşan dekompresyon basıncı, mevcut büyüme ekipmanının bu kapasiteye uyum sağlamasını zorlaştırıyor. GaN tek kristallerinin bu kadar yüksek basınçlarda sentezi. GaN tek kristal büyümesi için geleneksel eriyik büyütme yöntemleri kullanılamaz, bu nedenle epitaksi için heterojen substratların kullanılmasını gerektirir. GaN tabanlı cihazların mevcut durumunda, büyüme tipik olarak homojen bir GaN substratı kullanmak yerine silikon, silikon karbür ve safir gibi substratlar üzerinde gerçekleştirilir, bu da GaN epitaksiyel cihazların gelişimini engeller ve homojen bir substrat gerektiren uygulamaları engeller. büyümüş cihaz

GaN epitaksisinde çeşitli substrat türleri kullanılır:

1. Safir:Safir veya α-Al2O3, LED'ler için en yaygın ticari alt tabakadır ve LED pazarının önemli bir bölümünü ele geçirir. Kullanımı, özellikle silikon karbür substratlar üzerinde büyütülenler kadar düşük dislokasyon yoğunluğuna sahip filmler üreten GaN epitaksiyel büyüme bağlamında benzersiz avantajları nedeniyle müjdelendi. Sapphire'in üretimi, endüstriyel uygulamaya uygun, daha düşük maliyetlerle ve daha büyük boyutlarda yüksek kaliteli tek kristallerin üretilmesini sağlayan olgun bir süreç olan eriyik büyümesini içerir. Sonuç olarak safir, LED endüstrisindeki en eski ve en yaygın alt tabakalardan biridir.

2. Silisyum Karbür:Silisyum karbür (SiC), LED alt katmanlar açısından pazar payında safirden sonra ikinci sırada yer alan dördüncü nesil bir yarı iletken malzemedir. SiC, öncelikle üç kategoriye ayrılan çeşitli kristal formlarıyla karakterize edilir: kübik (3C-SiC), altıgen (4H-SiC) ve eşkenar dörtgen (15R-SiC). SiC kristallerinin çoğunluğu 3C, 4H ve 6H'dir; 4H ve 6H-SiC tipleri GaN cihazları için substrat olarak kullanılır.

Silisyum karbür, LED alt tabaka olarak mükemmel bir seçimdir. Bununla birlikte, yüksek kaliteli, büyük boyutlu SiC tek kristallerinin üretimi hâlâ zorlu olmaya devam ediyor ve malzemenin katmanlı yapısı onu yarılmaya yatkın hale getiriyor, bu da mekanik bütünlüğünü etkiliyor ve potansiyel olarak epitaksiyel katman kalitesini etkileyen yüzey kusurlarına neden oluyor. Tek kristalli bir SiC alt katmanın maliyeti, aynı boyuttaki bir safir alt katmanın maliyetinin yaklaşık birkaç katıdır ve bu da yüksek fiyatı nedeniyle yaygın uygulamasını sınırlamaktadır.

Semicorex 850V Yüksek Güçlü GaN-on-Si Epi Gofret

3. Tek Kristal Silikon:En yaygın kullanılan ve endüstriyel olarak kurulmuş yarı iletken malzeme olan silikon, GaN epitaksiyel substratların üretimi için sağlam bir temel sağlar. Gelişmiş tek kristal silikon büyütme tekniklerinin mevcudiyeti, yüksek kaliteli, 6 ila 12 inçlik alt tabakaların uygun maliyetli, büyük ölçekli üretimini sağlar. Bu, LED'lerin maliyetini önemli ölçüde azaltır ve tek kristal silikon alt tabakaların kullanımı yoluyla LED çiplerinin ve entegre devrelerin entegrasyonunun önünü açarak minyatürleştirmede ilerlemelere yol açar. Ayrıca, şu anda en yaygın LED alt katmanı olan safirle karşılaştırıldığında silikon bazlı cihazlar, termal iletkenlik, elektriksel iletkenlik, dikey yapılar üretme yeteneği ve yüksek güçlü LED üretimine daha iyi uyum açısından avantajlar sunar.**