Pambuka Semikonduktor Generasi Katelu: GaN lan Teknologi Epitaxial sing Gegandhengan

1. Semikonduktor Generasi Katelu

(1) Semikonduktor Generasi Pertama

Teknologi semikonduktor generasi pisanan adhedhasar bahan kaya silikon (Si) lan germanium (Ge). Bahan-bahan kasebut minangka dhasar kanggo teknologi transistor lan sirkuit terpadu (IC), sing dadi basis industri elektronik abad kaping-20.

(2) Semikonduktor Generasi Kedua
Bahan semikonduktor generasi kapindho utamane kalebu gallium arsenide (GaAs), indium phosphide (InP), gallium phosphide (GaP), indium arsenide (InAs), aluminium arsenide (AlAs), lan senyawa terner. Bahan-bahan kasebut minangka tulang punggung industri informasi optoelektronik, sing nyebabake pangembangan lampu, tampilan, laser, fotovoltaik, lan industri liyane sing gegandhengan. Padha digunakake digunakake ing teknologi informasi kontemporer lan industri tampilan optoelektronik.

(3) Semikonduktor Generasi Katelu
Bahan perwakilan semikonduktor generasi katelu kalebu galium nitrida (GaN) lan silikon karbida (SiC). Amarga celah pita sing amba, kecepatan drift saturasi elektron sing dhuwur, konduktivitas termal sing dhuwur, lan medan listrik sing rusak, bahan kasebut cocog kanggo piranti elektronik kanthi daya dhuwur, frekuensi dhuwur, lan piranti elektronik sing ilang. Piranti daya SiC duwe kapadhetan energi sing dhuwur, konsumsi energi sing sithik, lan ukurane cilik, saengga cocog kanggo aplikasi ing kendaraan listrik, fotovoltaik, transportasi rel, lan sektor data gedhe. Piranti GaN RF nduweni fitur frekuensi dhuwur, daya dhuwur, bandwidth amba, konsumsi daya sing sithik, lan ukuran cilik, sing mupangati kanggo komunikasi 5G, Internet of Things (IoT), lan aplikasi radar militer. Kajaba iku, piranti listrik berbasis GaN saiki akeh digunakake ing aplikasi voltase sithik. Bahan galium oksida (Ga2O3) sing muncul uga nuduhake potensial kanggo nglengkapi teknologi SiC lan GaN sing wis ana, utamane ing aplikasi voltase dhuwur frekuensi rendah.

Dibandhingake karo bahan semikonduktor generasi kapindho, bahan generasi katelu nduweni celah pita sing luwih amba (khas Si nduweni celah pita kira-kira 1.1 eV, GaAs udakara 1.42 eV, nalika GaN ngluwihi 2.3 eV), resistensi radiasi sing luwih kuat, kinerja kerusakan medan listrik sing luwih dhuwur, lan luwih apik. toleransi suhu dhuwur. Karakteristik kasebut ndadekake bahan semikonduktor generasi katelu cocok kanggo piranti elektronik sing tahan radiasi, frekuensi dhuwur, daya dhuwur, lan integrasi dhuwur. Dheweke nggawe langkah sing signifikan ing piranti RF gelombang mikro, LED, laser, lan piranti listrik, lan nuduhake prospek sing njanjeni ing komunikasi seluler, jaringan cerdas, transportasi rel, kendaraan listrik, elektronik konsumen, lan piranti cahya ultraviolet lan biru-ijo [1].

Gambar 1: Ukuran Pasar lan Prakiraan Piranti GaN Power

2. Struktur lan Karakteristik GaN

Gallium Nitride (GaN) minangka semikonduktor celah pita langsung kanthi celah pita kira-kira 3,26 eV ing suhu kamar ing struktur wurtzite. GaN utamané ana ing telung struktur kristal: wurtzite, zincblende, lan rock-salt. Struktur wurtzite paling stabil ing antarane iki.Gambar 2 nampilake struktur wurtzite heksagonal saka GaN. Ing struktur wurtzite, GaN kalebu konfigurasi heksagonal sing rapet. Saben sel unit ngandhut 12 atom, kalebu 6 atom nitrogen (N) lan 6 atom galium (Ga). Saben atom Ga (N) diikat karo 4 atom N (Ga) sing paling cedhak, mbentuk urutan tumpukan ing arah [0001] kanthi pola AABAB…[2].

Gambar 2: Struktur Wurtzite Sel Unit GaN

3. Substrat umum kanggo GaN Epitaxy

Sepisanan, homoepitaxy ing substrat GaN katon minangka pilihan optimal kanggo epitaksi GaN. Nanging, amarga energi ikatan GaN sing dhuwur, ing titik lebur (2500 ° C), tekanan dekomposisi sing cocog kira-kira 4,5 GPa. Ing ngisor tekanan iki, GaN ora leleh nanging langsung decomposes. Iki nggawe teknik persiapan substrat tradisional, kayata metode Czochralski, ora cocog kanggo nyiapake substrat kristal tunggal GaN. Akibate, substrat GaN angel diprodhuksi massal lan larang regane. Mula, substrat sing umum digunakake kanggo epitaksi GaN kalebu Si, SiC, lan safir [3].

Gambar 3: Parameter GaN lan Bahan Substrat Umum

(1) GaN Epitaxy ing Sapphire

Sapphire kanthi kimia stabil, murah, lan nduweni tingkat kedewasaan sing dhuwur ing produksi massal, dadi salah sawijining bahan substrat sing paling wiwitan lan paling akeh digunakake ing teknik piranti semikonduktor. Minangka substrat umum kanggo epitaksi GaN, substrat sapir kudu ngatasi masalah utama ing ngisor iki:

✔ High Lattice Mismatch: Ing kisi mismatch antarane sapir (Al2O3) lan GaN iku signifikan (kira-kira 15%), anjog kanggo Kapadhetan cacat dhuwur ing antarmuka antarane lapisan epitaxial lan substrate. Kanggo nyuda efek ala iki, substrat kudu ngalami pra-proses sing rumit sadurunge proses epitaxial diwiwiti. Iki kalebu reresik pepek kanggo mbusak rereged lan karusakan polishing residual, nggawe langkah lan struktur lumahing langkah, nitridasi lumahing kanggo ngowahi sifat wetting saka lapisan epitaxial, lan pungkasanipun depositing lapisan buffer AlN tipis (biasane 10-100 nm nglukis) ngiring dening kurang. -suhu annealing kanggo nyiapake kanggo wutah epitaxial final. Senadyan langkah-langkah kasebut, kapadhetan dislokasi ing film epitaxial GaN sing ditanam ing substrat sapir tetep dhuwur (~ 10^10 cm^-2) dibandhingake karo homoepitaxy ing silikon utawa GaAs (kapadhetan dislokasi 0 nganti 102-104 cm^-2). Kapadhetan cacat sing dhuwur nyuda mobilitas operator, nyepetake umur operator minoritas, lan nyuda konduktivitas termal, kabeh bakal ngrusak kinerja piranti [4].

✔ Koefisien Ekspansi Termal Mismatch: Sapphire nduweni koefisien ekspansi termal sing luwih gedhe tinimbang GaN, sing nyebabake stres tekan biaxial ing lapisan epitaxial nalika adhem saka suhu deposisi menyang suhu kamar. Kanggo film epitaxial sing luwih kandel, stres iki bisa nyebabake film utawa malah retak substrat.

✔ Konduktivitas Thermal Miskin: Dibandhingake karo substrat liyane, safir nduweni konduktivitas termal sing luwih murah (~ 0,25 Wcm^-1K^-1 ing 100°C), sing ngrugekake kanggo disipasi panas.

✔ Konduktivitas Listrik Kurang: Konduktivitas listrik sapir sing ora apik ngalangi integrasi lan aplikasi karo piranti semikonduktor liyane.

Senadyan kapadhetan cacat dhuwur ing lapisan epitaxial GaN sing ditanam ing sapir, kinerja optik lan elektronik ing LED biru-ijo basis GaN ora katon suda. Mulane, substrat sapir tetep umum kanggo LED basis GaN. Nanging, amarga luwih akeh piranti GaN kayata laser lan piranti daya kapadhetan dhuwur liyane berkembang, watesan dhasar saka substrat sapir dadi saya jelas.

(2) GaN Epitaxy ing SiC

Dibandhingake karo safir, substrat SiC (4H- lan 6H-polytypes) nduweni ketidakcocokan kisi sing luwih cilik karo lapisan epitaxial GaN (3,1% ing arah [0001]), konduktivitas termal sing luwih dhuwur (kira-kira 3,8 Wcm^-1K^-1), lan konduktivitas listrik sing ngidini kontak listrik mburi, nyederhanakake struktur piranti. Kauntungan kasebut narik akeh peneliti kanggo njelajah epitaksi GaN ing substrat SiC. Nanging, pertumbuhan langsung lapisan epitaxial GaN ing substrat SiC uga ngadhepi sawetara tantangan:

✔ Kekasaran Permukaan: Substrat SiC nduweni kekasaran permukaan sing luwih dhuwur tinimbang substrat sapir (0,1 nm RMS kanggo sapir, 1 nm RMS kanggo SiC). Kekerasan sing dhuwur lan kemampuan mesin SiC sing ora apik nyebabake kekasaran lan karusakan polishing residual, sing dadi sumber cacat ing lapisan epitaxial GaN.

✔ Kapadhetan Dislokasi Threading Dhuwur: Substrat SiC duwe kepadatan dislokasi threading dhuwur (103-104 cm^-2), sing bisa nyebar menyang lapisan epitaxial GaN lan ngrusak kinerja piranti.

✔ Stacking Faults: Susunan atom ing lumahing substrat bisa ngindhuksi stacking faults (BSFs) ing lapisan epitaxial GaN. Multiple bisa aransemen atom ing substrate SiC mimpin kanggo non-seragam urutan numpuk atom awal ing lapisan GaN, nambah kamungkinan saka tumpukan bentet. BSF ing sumbu c ngenalake lapangan listrik sing dibangun, nyebabake pemisahan operator lan masalah bocor ing piranti.

✔ Koefisien Ekspansi Termal Mismatch: Koefisien ekspansi termal SiC luwih cilik tinimbang AlN lan GaN, sing nyebabake akumulasi stres termal antarane lapisan epitaxial lan substrat sajrone pendinginan. Panliten Waltereit lan Brand nuduhake manawa masalah iki bisa dikurangi kanthi nambah lapisan epitaxial GaN ing lapisan nukleasi AlN sing tipis lan koheren.

✔ Kelembapan Atom Ga sing Miskin: Tuwuhan GaN langsung ing permukaan SiC angel amarga kekurangan atom Ga. GaN cenderung tuwuh ing mode pulo 3D, ngenalake lapisan buffer minangka solusi umum kanggo nambah kualitas bahan epitaxial. Ngenalke lapisan buffer AlN utawa AlxGa1-xN bisa nambah wetting ing lumahing SiC, mromosiaken wutah 2D saka lapisan epitaxial GaN lan tumindak kanggo modulate kaku lan ngalangi cacat substrat saka propagating menyang lapisan GaN.

✔ Biaya Dhuwur lan Pasokan Terbatas: Teknologi persiapan substrat SiC durung diwasa, nyebabake biaya substrat sing dhuwur lan pasokan winates saka sawetara vendor.

Riset dening Torres et al. nuduhake yen substrat SiC pra-etching karo H2 ing suhu dhuwur (1600 ° C) nggawe struktur langkah luwih tertib, asil ing kualitas film AlN epitaxial sing luwih dhuwur dibandhingake karo sing langsung thukul ing substrat untreated. Xie lan timnya uga nuduhake manawa pretreatment etsa saka substrat SiC bisa nambah morfologi permukaan lan kualitas kristal lapisan epitaxial GaN. Smith et al. nemokake yen dislokasi threading saka lapisan substrat / buffer lan lapisan buffer / antarmuka lapisan epitaxial ana hubungane karo flatness substrat [5].

Gambar 4: Morfologi TEM Lapisan Epitaxial GaN Tuwuh ing (0001) Pasuryan Substrat 6H-SiC Ing Pangobatan Lumahing Beda: (a) Reresik Kimia; (b) Reresik Kimia + Perawatan Plasma Hidrogen; © Pembersihan Kimia + Perawatan Plasma Hidrogen + Perawatan Termal Hidrogen 1300°C suwene 30 menit

(3) GaN Epitaxy ing Si

Dibandhingake karo substrat SiC lan sapir, substrat silikon duwe proses persiapan sing diwasa, pasokan substrat ukuran gedhe sing stabil, efektifitas biaya, lan konduktivitas termal lan listrik sing apik. Kajaba iku, teknologi piranti elektronik silikon diwasa nawakake potensial kanggo integrasi piranti GaN optoelektronik kanthi piranti elektronik silikon, nggawe epitaksi GaN ing silikon atraktif banget. Nanging, mismatch konstan kisi sing signifikan antarane substrat Si lan bahan GaN menehi sawetara tantangan.

✔ Masalah Energi Antarmuka: Nalika GaN ditanam ing substrat Si, lumahing Si pisanan mbentuk lapisan SiNx amorf, sing ngrusak nukleasi GaN kanthi kapadhetan dhuwur. Kajaba iku, permukaan Si wiwitane bereaksi karo Ga, nyebabake korosi permukaan, lan ing suhu dhuwur, dekomposisi permukaan Si bisa nyebar menyang lapisan epitaxial GaN, mbentuk bintik-bintik silikon ireng.

✔ Lattice Mismatch: Kisi-kisi sing ora cocog terus-terusan (~ 17%) antarane GaN lan Si nyebabake dislokasi threading kapadhetan dhuwur, kanthi signifikan nyuda kualitas lapisan epitaxial.

✔ Koefisien Ekspansi Termal Mismatch: GaN nduweni koefisien ekspansi termal sing luwih gedhe tinimbang Si (GaN ~5,6×10^-6 K^-1, Si ~2,6×10^-6 K^-1), sing bisa nyebabake retakan ing GaN lapisan epitaxial sak cooling saka suhu wutah epitaxial kanggo suhu kamar.

✔ Reaksi Suhu Dhuwur: Si bereaksi karo NH3 ing suhu dhuwur, mbentuk polikristalin SiNx. AlN ora bisa nukleasi ing polycrystalline SiNx, sing nyebabake wutah GaN sing disoriented kanthi kapadhetan cacat sing dhuwur banget, dadi angel kanggo mbentuk lapisan epitaxial GaN kristal tunggal [6].

Kanggo ngatasi ketidakcocokan kisi gedhe, peneliti nyoba ngenalake bahan kayata AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, lan SiC minangka lapisan penyangga ing substrat Si. Kanggo nyegah pambentukan polycrystalline SiNx lan nyuda efek ala ing kualitas kristal GaN / AlN / Si (111), TMAl biasane ngenalaken sadurunge wutah epitaxial saka lapisan buffer AlN kanggo nyegah NH3 saka reacting karo lumahing Si kapapar. Kajaba iku, teknik kayata substrat berpola digunakake kanggo nambah kualitas lapisan epitaxial. Perkembangan kasebut mbantu nyuda pembentukan SiNx ing antarmuka epitaxial, ningkatake pertumbuhan 2D lapisan epitaxial GaN, lan ningkatake kualitas pertumbuhan. Ngenalke lapisan buffer AlN ngimbangi stres tarik sing disebabake dening beda koefisien ekspansi termal, nyegah retakan ing lapisan GaN ing substrat silikon. Riset Krost nuduhake korélasi positif antarane kekandelan lapisan buffer AlN lan nyuda galur, saéngga tuwuh luwih saka 6 μm lapisan epitaxial nglukis ing substrat silikon tanpa retak, liwat skema pertumbuhan sing cocog.

Thanks kanggo upaya riset ekstensif, kualitas lapisan epitaxial GaN sing ditanam ing substrat silikon saya tambah akeh. Transistor efek lapangan, detektor ultraviolet penghalang Schottky, LED biru-ijo, lan laser ultraviolet kabeh wis ngalami kemajuan sing signifikan.

Kesimpulane, substrat epitaxial GaN sing umum kabeh heteroepitaxial, ngadhepi macem-macem tingkat ketidakcocokan kisi lan beda koefisien ekspansi termal. Substrat GaN homoepitaxial diwatesi dening teknologi sing durung dewasa, biaya produksi dhuwur, ukuran substrat cilik, lan kualitas suboptimal, nggawe pangembangan substrat epitaxial GaN anyar lan nambah faktor kritis kualitas epitaxial kanggo kemajuan industri luwih lanjut.

4. Cara umum kanggo GaN Epitaxy

(1) MOCVD (Deposisi Uap Kimia Logam-Organik)

Nalika homoepitaxy ing substrat GaN katon minangka pilihan sing optimal kanggo epitaksi GaN, Deposisi Uap Kimia Logam-Organik (MOCVD) nawakake kaluwihan sing signifikan. Nggunakake trimethylgallium lan amonia minangka prekursor, lan hidrogen minangka gas pembawa, MOCVD biasane beroperasi ing suhu wutah watara 1000-1100 ° C. Tingkat wutah MOCVD ana ing sawetara mikrometer saben jam. Cara iki bisa ngasilake antarmuka sing cetha kanthi atom, dadi becik kanggo ngembangake heterojunctions, sumur kuantum, lan superlattices. Kacepetan wutah sing relatif dhuwur, keseragaman sing apik, lan cocog kanggo tuwuhing area gedhe lan multi-wafer dadi cara standar kanggo produksi industri.

(2) MBE (Molecular Beam Epitaxy)

Ing Molecular Beam Epitaxy (MBE), sumber unsur digunakake kanggo galium, lan nitrogen aktif diasilake liwat plasma RF saka gas nitrogen. Dibandhingake MOCVD, MBE beroperasi ing suhu wutah sing luwih murah, sekitar 350-400 ° C. Suhu sing luwih murah iki bisa nyegah sawetara masalah kontaminasi sing bisa kedadeyan ing lingkungan suhu dhuwur. Sistem MBE bisa digunakake ing kahanan vakum sing dhuwur banget, ngidini integrasi luwih akeh teknik pemantauan ing papan kasebut. Nanging, tingkat wutah lan kapasitas produksi MBE ora bisa cocog karo MOCVD, dadi luwih cocok kanggo aplikasi riset [7].

Gambar 5: (a) Skema Eiko-MBE (b) Skema Ruang Reaksi Utama MBE

(3) HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy)

Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE) nggunakake GaCl3 lan NH3 minangka prekursor. Detchprohm et al. nggunakake cara iki kanggo tuwuh sawetara atus mikrometer lapisan epitaxial GaN nglukis ing substrat sapir. Ing eksperimen kasebut, lapisan buffer ZnO ditanam ing antarane substrat sapir lan lapisan epitaxial, saéngga lapisan epitaxial bisa dikupas saka permukaan substrat. Dibandhingake MOCVD lan MBE, kauntungan utami HVPE punika tingkat wutah dhuwur, nggawe cocok kanggo prodhuksi lapisan nglukis lan bahan akeh. Nanging, nalika kekandelan lapisan epitaxial ngluwihi 20μm, lapisan thukul dening HVPE rentan kanggo retak.

Akira USUI ngenalake teknologi substrat berpola adhedhasar metode HVPE. Kaping pisanan, lapisan epitaxial GaN tipis, ketebalan 1-1,5μm, ditanam ing substrat safir nggunakake MOCVD. Lapisan iki kasusun saka lapisan penyangga GaN suhu rendah 20nm lan lapisan GaN suhu dhuwur. Sabanjure, ing 430 ° C, lapisan SiO2 disimpen ing permukaan lapisan epitaxial, lan garis-garis jendhela digawe ing film SiO2 liwat fotolitografi. Jarak stripe yaiku 7μm, kanthi jembar topeng saka 1μm nganti 4μm. Modifikasi iki ngidini dheweke ngasilake lapisan epitaxial GaN ing substrat safir diameter 2 inci, sing tetep ora retak lan mulus sanajan kekandelan tambah nganti puluhan utawa malah atusan mikrometer. Kapadhetan cacat dikurangi saka metode HVPE tradisional 109-1010 cm^-2 dadi kira-kira 6×10^7 cm^-2. Dheweke uga nyathet yen permukaan sampel dadi kasar nalika tingkat wutah ngluwihi 75μm / h [8]. 

                                                                                                                   

                                                                                                                                     Gambar 6: Skema Substrat Pola

5. Ringkesan lan Outlook

Panjaluk pasar sing akeh banget bakal nyebabake kemajuan sing signifikan ing industri lan teknologi sing ana gandhengane karo GaN. Nalika rantai industri kanggo GaN diwasa lan nambah, tantangan saiki ing epitaksi GaN pungkasane bakal dikurangi utawa diatasi. Pangembangan mbesuk bakal ngenalake teknik epitaxial anyar lan pilihan substrat sing unggul. Kemajuan iki bakal ngidini milih teknologi lan substrat epitaxial sing paling cocog adhedhasar karakteristik skenario aplikasi sing beda-beda, sing ndadékaké produksi produk khusus sing kompetitif banget.**

Referensi:

[1] "Perhatian" Bahan Semikonduktor-Gallium Nitride (baidu.com)

[2] Tang Linjiang, Wan Chengan, Zhang Minghua, Li Ying, Status riset bahan semikonduktor celah pita lebar SiC lan GaN, Teknologi lan Produk Panggunaan Ganda Militer lan Sipil, Maret 2020, Edisi 437, 21-28.

[3] Wang Huan, Tian Ye, Riset babagan metode kontrol stres sing ora cocog gedhe saka gallium nitride ing substrat silikon, Inovasi lan Aplikasi Ilmu lan Teknologi, Edisi 3, 2023

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

[5] P.Ruterana, Philippe Vermaut, G.Nouet, A.Salvador, H.Morkoc, Perawatan permukaan lan struktur lapisan ing pertumbuhan 2H-GaN ing permukaan (0001) Si saka 6H-SiC dening MBE, MRS Internet J. Nitride Semicond. Res.2(1997)42.

[6]M.A.Sanchez-Garcia, F.B. Naranjo, J.L.Pau, A.Jimenez, E.Calleja, E.Munoz, Ultraviolet electroluminescence ing GaN/AlGaN single-heterojunction light-emitting diodes thukul ing Si(111),Journal of Applied Physics 87,1569(2000).

[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 lan A. atsushi Yamaguchi, Thick GaN epitaxial growth with low dislocation density by hydride vapor phase epitaxy, Jpn. J. Aplikasi Phys. Vol. 36 (1997) pp.899-902.