Hirugarren belaunaldiko erdieroaleen sarrera: GaN eta erlazionatutako teknologia epitaxialak

1. Hirugarren belaunaldiko erdieroaleak

(1) Lehen belaunaldiko erdieroaleak

Lehen belaunaldiko erdieroaleen teknologia silizioa (Si) eta germanioa (Ge) bezalako materialetan oinarritzen da. Material hauek transistoreen eta zirkuitu integratuen (IC) teknologiaren oinarriak ezarri zituzten, eta, aldi berean, XX.mendeko elektronika industriaren oinarria ezarri zuten.

(2) Bigarren belaunaldiko erdieroaleak
Bigarren belaunaldiko material erdieroaleek, batez ere, galio arseniuroa (GaAs), indio fosfuroa (InP), galio fosfuroa (GaP), indio artsenuroa (InAs), aluminio arseniuroa (AlAs) eta haien konposatu ternarioak dira. Material hauek informazio optoelektronikoaren industriaren bizkarrezurra osatzen dute, eta horrek argiztapena, pantaila, laserra, fotovoltaikoa eta erlazionatutako beste industria batzuk garatu ditu. Gaur egungo informazio-teknologietan eta pantaila optoelektronikoetan oso erabiliak dira.

(3) Hirugarren belaunaldiko erdieroaleak
Hirugarren belaunaldiko erdieroaleen material adierazgarriak galio nitruroa (GaN) eta silizio karburoa (SiC) dira. Banda zabala, elektroien saturazio-abiadura handia, eroankortasun termiko handia eta matxura-eremu elektriko handiak direla eta, material hauek ezin hobeak dira potentzia-dentsitate handiko, maiztasun handiko eta galera baxuko gailu elektronikoetarako. SiC potentzia-gailuek energia-dentsitate handia, energia-kontsumo txikia eta tamaina txikia dute, ibilgailu elektrikoetan, fotovoltaikoetan, trenbide-garraioan eta big data sektoreetan aplikazioetarako egokiak direlarik. GaN RF gailuek maiztasun handia, potentzia handia, banda zabalera zabala, potentzia-kontsumo txikia eta tamaina txikia dituzte, eta horiek abantailatsuak dira 5G komunikazioetarako, Gauzen Interneterako (IoT) eta radar militarretarako aplikazioetarako. Gainera, GaN oinarritutako potentzia-gailuak gaur egun oso erabiliak dira tentsio baxuko aplikazioetan. Galio oxidoaren (Ga2O3) sortzen ari diren materialek lehendik dauden SiC eta GaN teknologiak osatzeko ahalmena ere erakusten dute, batez ere maiztasun baxuko eta tentsio handiko aplikazioetan.

Bigarren belaunaldiko material erdieroaleekin alderatuta, hirugarren belaunaldiko materialek banda-huts zabalagoak dituzte (Si tipikoak 1,1 eV inguruko banda-aldea du, GaAs 1,42 eV ingurukoa, GaN-k 2,3 eV gainditzen duen bitartean), erradiazio-erresistentzia handiagoa, eremu elektrikoaren matxura errendimendu handiagoa eta hobea. tenperatura altuko erresistentzia. Ezaugarri horiei esker, hirugarren belaunaldiko material erdieroaleak bereziki egokiak dira erradiazioarekiko erresistenteak, maiztasun handikoak, potentzia handikoak eta integrazio-dentsitate handiko gailu elektronikoetarako. Mikrouhinen RF gailuetan, LEDetan, laserretan eta elektrizitate-gailuetan aurrerapauso garrantzitsuak ematen ari dira, eta etorkizun itxaropentsuak erakusten dituzte komunikazio mugikorretan, sare adimendunetan, trenbide-garraioan, ibilgailu elektrikoetan, kontsumo-elektronikoan eta argi ultramoreetan eta urdin-berdeen gailuetan[1].

1. irudia: GaN Power Gailuen merkatuaren tamaina eta aurreikuspena

2. GaNren egitura eta ezaugarriak

Galio nitruroa (GaN) banda-gap zuzeneko erdieroalea da, gutxi gorabehera 3,26 eV-ko banda-hutsarekin, giro-tenperaturan bere wurtzita egituran. GaN hiru egitura kristalinotan dago nagusiki: wurtzita, zinkblenda eta harri-gatza. Hauen artean wurtzita egitura egonkorrena da.2. irudiak GaN-ren wurtzite hexagonalaren egitura erakusten du. Wurtzite egituran, GaN hexagonal itxiko konfigurazioari dagokio. Zelula unitate bakoitzak 12 atomo ditu, 6 nitrogeno (N) atomo eta 6 galio (Ga) atomo barne. Ga (N) atomo bakoitza hurbilen dauden N (Ga) 4 atomorekin lotzen da, [0001] norabidean zehar pilaketa-sekuentzia bat osatuz ABABAB... ereduan[2].

2. irudia: GaN unitate-zelularen wurtzitearen egitura

3. GaN Epitaxirako ohiko substratuak

Lehen begiratuan, GaN substratuetan homoepitaxia GaN epitaxirako aukerarik egokiena dirudi. Hala ere, GaN-ren lotura-energia handia dela eta, bere urtze-puntuan (2500°C), dagokion deskonposizio-presioa 4,5 GPa da gutxi gorabehera. Presio horren azpitik, GaN ez da urtzen, zuzenean deskonposatzen da. Honek substratuak prestatzeko teknika tradizionalak, hala nola Czochralski metodoa, ez dira egokiak GaN kristal bakarreko substratuak prestatzeko. Ondorioz, GaN substratuak masiboki ekoizteko zailak dira eta garestiak dira. Hori dela eta, GaN epitaxirako erabili ohi diren substratuak Si, SiC eta zafiroa dira [3].

3. Irudia: GaN eta Substratu Material Amankomunen parametroak

(1) GaN Epitaxia zafiroan

Zafiroa kimikoki egonkorra da, merkea da eta heldutasun-maila handia du masa-ekoizpenean, gailu erdieroaleen ingeniaritzan substratu-material goiztiarren eta erabilienetako bat da. GaN epitaxirako substratu arrunt gisa, zafiroaren substratuek funtsezko gai hauei aurre egin behar diete:

✔ Sarearen desegokitze handia: zafiroaren (Al2O3) eta GaNren arteko sare-desegokia esanguratsua da (% 15 gutxi gorabehera, eta epitaxiaren geruza eta substratuaren arteko interfazean akats-dentsitate handia dakar). Efektu kaltegarri hori arintzeko, substratuak aurreprozesatu konplexua jasan behar du prozesu epitaxiala hasi baino lehen. Honek garbiketa sakona barne hartzen du, kutsatzaileak eta hondar leuntzeko kalteak kentzeko, urratsak eta gainazaleko egiturak sortzea, gainazaleko nitrurazioa geruza epitaxialaren bustidura-propietateak aldatzeko eta, azkenik, AlN buffer geruza mehe bat (normalean 10-100 nm-ko lodiera) jartzea eta ondoren baxua. -tenperatura-errezimendua azken hazkuntza epitaxialerako prestatzeko. Neurri hauek izan arren, zafiro-substratuetan hazitako GaN epitaxial filmetan dislokazio-dentsitatea altua izaten jarraitzen du (~10^10 cm^-2) silizio edo GaAs-en homoepitaxiarekin alderatuta (0 eta 102-104 cm^-2 arteko dislokazio-dentsitatea). Akatsen dentsitate handiek garraiolarien mugikortasuna murrizten dute, gutxiengo garraiolarien bizitzak laburtzen dituzte eta eroankortasun termikoa murrizten dute, eta horrek guztiak gailuaren errendimendua kaltetzen du[4].

✔ Hedapen termikoaren koefizientea desegokia: Zafiroak GaN baino hedapen termiko koefiziente handiagoa du, eta ondorioz, geruza epitaxialaren barruan konpresio-tentsio biaxiala sortzen da, deposizio-tenperaturatik giro-tenperaturara hozten den heinean. Film epitaxial lodiagoetarako, estres horrek filma edo substratuaren pitzadura eragin dezake.

✔ Eroankortasun termiko eskasa: beste substratu batzuekin alderatuta, zafiroak eroankortasun termiko txikiagoa du (~ 0,25 Wcm^-1K^-1 100 °C-tan), eta hori desabantaila da beroa xahutzeko.

✔ Eroankortasun elektriko baxua: zafiroaren eroankortasun elektriko txarrak beste gailu erdieroale batzuekin integratzea eta aplikatzea oztopatzen du.

Zafiroan hazitako GaN epitaxial geruzen akatsen dentsitate handia izan arren, GaN-en oinarritutako LED urdin-berdeetan duen errendimendu optiko eta elektronikoa ez da nabarmen gutxitu. Hori dela eta, zafiro-substratuek ohikoak izaten jarraitzen dute GaN-en oinarritutako LEDentzat. Hala ere, GaN gailu gehiago, hala nola laserrak eta dentsitate handiko beste potentzia-gailu batzuk garatzen diren heinean, zafiroaren substratuen berezko mugak gero eta nabariagoak dira.

(2) GaN epitaxia SiC-n

Zafiroarekin alderatuta, SiC substratuek (4H- eta 6H-politipoak) GaN geruza epitaxialekin sare-desegokitze txikiagoa dute (% 3,1 [0001] norabidean), eroankortasun termiko handiagoa (3,8 Wcm^-1K^-1 gutxi gorabehera), eta atzeko aldean kontaktu elektrikoak ahalbidetzen dituen eroankortasun elektrikoa, gailuen egiturak sinplifikatuz. Abantaila hauek gero eta ikertzaile gehiago erakartzen dituzte GaN epitaxia SiC substratuetan aztertzeko. Hala ere, GaN geruza epitaxialen hazkuntza zuzenak SiC substratuetan ere hainbat erronka ditu:

✔ Gainazalaren zimurtasuna: SiC substratuek zafiroaren substratuek baino gainazaleko zimurtasun askoz handiagoa dute (0,1 nm RMS zafirorako, 1 nm RMS SiCrako). SiC-ren gogortasun handiak eta mekanizazio eskasak zimurtasun eta hondar leuntze-kalte hori eragiten dute, GaN geruza epitaxialetan akatsen iturri baitira.

✔ Hari-dislokazio-dentsitate handia: SiC substratuek hari-dislokazio-dentsitate handiak dituzte (103-104 cm^-2), GaN geruza epitaxialera hedatu eta gailuaren errendimendua honda dezakete.

✔ Pilatze akatsak: substratuaren gainazaleko antolamendu atomikoak GaN geruza epitaxialetan pilaketa akatsak (BSF) eragin ditzake. SiC substratuan posible den antolamendu atomiko anitzek GaN geruzan hasierako pilaketa atomiko-sekuentzia ez-uniformeak eragiten dituzte, akatsak pilatzeko probabilitatea handituz. C ardatzean dauden BSFek eremu elektriko integratuak sartzen dituzte, garraiolarien bereizketa eta ihes arazoak eragiten dituzte gailuetan.

✔ Hedapen termikoaren koefizientea desegokia: SiC-ren hedapen termikoaren koefizientea AlN eta GaN-ena baino txikiagoa da, hoztean epitaxial geruza eta substratuaren artean estres termikoa metatzea eragiten du. Waltereit eta Brand-en ikerketek iradokitzen dute arazo hau arindu daitekeela GaN geruza epitaxiala haziz AlN nukleazio geruza mehe eta koherentean tentsioa.

✔ Ga atomoen hezetze eskasa: GaN-ren hazkuntza zuzena SiC gainazaletan zaila da Ga atomoen hezetze eskasa dela eta. GaN 3D uharte moduan hazi ohi da, buffer geruzak sartzea ohiko irtenbide bat da material epitaxialen kalitatea hobetzeko. AlN edo AlxGa1-xN buffer geruzak SiC gainazalean bustidura hobetu dezake, GaN geruza epitaxialaren 2D hazkuntza sustatuz eta estresa modulatzeko eta substratuaren akatsak GaN geruzara hedatzea blokeatzeko.

✔ Kostu handia eta hornikuntza mugatua: SiC substratua prestatzeko teknologia heldugabea da, substratu kostu handiak eta hornidura mugatua saltzaile gutxiren ondorioz.

Torres et al. Tenperatura altuetan (1600 °C) H2 duten SiC substratuak aurrez grabatzeak urrats-egitura ordenatuagoak sortzen dituela adierazten du, eta, ondorioz, kalitate handiagoko AlN film epitaxialak sortzen dira, tratatu gabeko substratuetan zuzenean hazitakoekin alderatuta. Xiek eta bere taldeak ere frogatu zuten SiC substratuen aurretratamenduak nabarmen hobetzen dituela GaN geruza epitaxialen gainazaleko morfologia eta kristalen kalitatea. Smith et al. substratu/buffer geruzaren eta buffer geruza/geruza epitaxialaren interfazeetatik hari-dislokazioak substratuaren lautasunarekin erlazionatuta daudela ikusi zuen[5].

4. Irudia: Gainazal-tratamendu desberdinetan 6H-SiC substratuen (0001) gainean hazitako GaN epitaxial geruzaen TEM Morfologia: (a) Garbiketa kimikoa; (b) Garbiketa kimikoa + Hidrogeno plasma bidezko tratamendua; © Garbiketa kimikoa + Hidrogeno Plasma Tratamendua + 1300 °C Hidrogeno Tratamendu Termikoa 30 min

(3) GaN Epitaxia Si-n

SiC eta zafiro substratuekin alderatuta, siliziozko substratuek prestaketa prozesu helduak, tamaina handiko substratu hornidura egonkorra, kostu-eraginkortasuna eta eroankortasun termiko eta elektriko bikaina dituzte. Gainera, siliziozko gailu elektroniko helduen teknologiak GaN gailu optoelektronikoak siliziozko gailu elektronikoekin integratzeko aukera eskaintzen du, eta silizioaren GaN epitaxia oso erakargarria da. Hala ere, Si substratuen eta GaN materialen arteko sarearen etengabeko desadostasun esanguratsuak hainbat erronka ditu.

✔ Interfazearen energia-arazoak: GaN Si substratuetan hazten denean, Si-ren gainazalak SiNx geruza amorfo bat eratzen du lehenik, eta hori dentsitate handiko GaN nukleaziorako kaltegarria da. Gainera, Si gainazalek Ga-rekin erreakzionatzen dute hasieran, gainazaleko korrosioa eraginez, eta tenperatura altuetan, Si gainazaleko deskonposizioak GaN geruza epitaxialean hedatu daitezke, siliziozko orban beltzak sortuz.

✔ Sarearen desegokitzapena: GaN eta Siren arteko sarearen etengabeko desadostasun handiak (~% 17) dentsitate handiko hari dislokazioak eragiten ditu, geruza epitaxialaren kalitatea nabarmen murriztuz.

✔ Hedapen termikoaren koefizientea desegokia: GaN-k Si baino hedapen termiko koefiziente handiagoa du (GaN ~5,6×10^-6 K^-1, Si ~2,6×10^-6 K^-1), eta horrek pitzadurak sor ditzake GaN-an. geruza epitaxiala hazkuntza epitaxialaren tenperaturatik giro-tenperaturara hoztean.

✔ Tenperatura handiko erreakzioak: Si-k NH3rekin erreakzionatzen du tenperatura altuetan, SiNx polikristalinoa sortuz. AlN-k ezin du SiNx polikristalinoan nukleatu, eta GaN-ren hazkuntza oso desorientatua eragiten du akats-dentsitate oso altuak dituena, eta zaila da GaN kristal bakarreko geruza epitaxialak osatzea[6].

Sarearen desadostasun handiari aurre egiteko, ikertzaileak saiatu dira AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO eta SiC bezalako materialak sartzen Si substratuetan tampon geruza gisa. SiNx polikristalinoaren sorrera ekiditeko eta GaN/AlN/Si-ren kristal-kalitatean dituen ondorio kaltegarriak murrizteko (111), normalean, TMAl AlN buffer-geruzaren hazkuntza epitaxialaren aurretik sartu ohi da NH3-k agerian utzitako Si gainazalarekin erreakzionatu ez dezan. Gainera, ereduzko substratuak bezalako teknikak erabiltzen dira geruza epitaxialaren kalitatea hobetzeko. Garapen hauek SiNx-en eraketa epitaxial interfazean laguntzen dute, GaN geruza epitaxialaren 2D hazkundea sustatzen dute eta hazkunde-kalitatea hobetzen dute. AlN buffer geruzak sartzeak hedapen termikoko koefizienteen desberdintasunak eragindako trakzio-esfortzua konpentsatzen du, silizioko substratuetan GaN geruzaren pitzadurak saihestuz. Krost-en ikerketek AlN buffer-geruzaren lodieraren eta tentsio murriztuaren arteko korrelazio positiboa adierazten dute, 6 μm-tik gorako geruza epitaxialen hazkuntza ahalbidetuz siliziozko substratuetan pitzadurarik gabe, hazkuntza-eskema egokien bidez.

Ikerketa-ahalegin handiei esker, silizio-substratuetan hazitako GaN epitaxial geruzen kalitatea nabarmen hobetu da. Eremu-efektuko transistoreek, Schottky barrera ultramoreko detektagailuek, LED urdin-berdeek eta laser ultramoreek aurrerapen handia egin dute.

Ondorioz, GaN substratu epitaxial arruntak heteroepitaxialak dira, sare-desegokitze gradu desberdinei eta hedapen termikoko koefizienteen desberdintasunei aurre eginez. Homoepitaxial GaN substratuak heldugabeko teknologiak, produkzio-kostu handiak, substratuaren tamaina txikiak eta kalitate ez-optimalak mugatuta daude, GaN substratu epitaxial berrien garapena eta kalitate epitaxialaren faktore kritikoak hobetzea industrian aurrera egiteko.

4. GaN Epitaxirako ohiko metodoak

(1) MOCVD (Lurrun Kimiko Organikoaren Deposizioa)

GaN substratuetan homoepitaxia GaN epitaxirako aukerarik egokiena dirudien arren, Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) abantaila handiak eskaintzen ditu. Trimetilgalioa eta amoniakoa aitzindari gisa eta hidrogenoa gas eramaile gisa erabiliz, MOCVD normalean 1000-1100 °C inguruko hazkuntza-tenperaturan funtzionatzen du. MOCVD-ren hazkunde-tasa orduko hainbat mikrometrotan dago. Metodo honek atomikoki zorrotzak diren interfazeak sor ditzake, eta heterojunkzio, putzu kuantikoak eta supersareak hazteko aproposa da. Bere hazkuntza-abiadura nahiko altua, uniformetasun bikaina eta eremu handiko eta oble anitzeko hazkuntzarako egokitasuna industria-ekoizpenerako metodo estandarra bihurtzen dute.

(2) MBE (Molecular Beam Epitaxy)

Molecular Beam Epitaxian (MBE), galiorako iturri elementalak erabiltzen dira, eta nitrogeno gasetik RF plasma bidez sortzen da nitrogeno aktiboa. MOCVD-rekin alderatuta, MBE-k hazkunde-tenperatura nabarmen baxuagoetan funtzionatzen du, 350-400 °C inguruan. Tenperatura baxuago honek tenperatura altuko inguruneetan sor daitezkeen kutsadura-arazo batzuk ekidin ditzake. MBE sistemek huts oso altuko baldintzetan funtzionatzen dute, in situ monitorizazio teknika gehiago integratzeko aukera emanez. Hala ere, MBEren hazkunde-tasa eta ekoizpen-ahalmena ezin dira bat etorri MOCVD-renarekin, ikerketa-aplikazioetarako egokiago bihurtuz[7].

5. Irudia: (a) Eiko-MBEren eskema (b) MBE Erreakzio Ganbera Nagusiaren eskema

(3) HVPE (hidruro-lurrun-fasearen epitaxia)

Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE) GaCl3 eta NH3 erabiltzen ditu aitzindari gisa. Detchprohm et al. metodo hau erabili zuen ehunka mikrometroko GaN epitaxial geruza hazteko zafiro substratuetan. Haien esperimentuetan, ZnO buffer geruza bat hazi zen zafiroaren substratuaren eta geruza epitaxialaren artean, geruza epitaxiala substratuaren gainazaletik kendu ahal izateko. MOCVD eta MBErekin alderatuta, HVPEren abantaila nagusia hazkunde-tasa handia da, geruza lodiak eta ontziratu gabeko materialak ekoizteko egokia da. Hala ere, geruza epitaxialaren lodiera 20μm gainditzen denean, HVPEk hazitako geruzak pitzatzeko joera dauka.

Akira USUI-k HVPE metodoan oinarritutako substratu eredudun teknologia aurkeztu zuen. Hasieran, GaN epitaxial geruza mehe bat, 1-1,5μm lodiera, zafiro substratu batean hazi zen MOCVD erabiliz. Geruza hau tenperatura baxuko GaN buffer geruzaz eta tenperatura altuko GaN geruzaz osatuta zegoen 20 nm-ko lodiera. Ondoren, 430 °C-tan, SiO2 geruza bat metatu zen geruza epitaxialaren gainazalean, eta leiho-marra sortu zen SiO2 pelikulan fotolitografia bidez. Marra tartea 7μm zen, maskararen zabalerak 1μm eta 4μm bitartekoak izanik. Aldaketa honek GaN geruza epitaxialak ekoizteko aukera eman zien 2 hazbeteko diametroko zafiro substratuetan, pitzadurarik gabe eta ispilu-leun geratzen zirenak lodiera hamarnaka edo ehunka mikrometrotara igo zenean ere. Akatsen dentsitatea HVPE metodo tradizionalaren 109-1010 cm^-2-tik gutxi gorabehera 6×10^7 cm^-2ra murriztu zen. Gainera, laginaren gainazala zakar bihurtu zen hazkunde-tasa 75μm/h gainditzen zuenean[8]. 

                                                                                                                   

                                                                                                                                     6. Irudia: Ereduzko substratuaren eskema

5. Laburpena eta Outlook

Merkatuaren eskari izugarriak, zalantzarik gabe, aurrerapen garrantzitsuak bultzatuko ditu GaN-ekin erlazionatutako industrietan eta teknologietan. GaN-ren industria-katea heldu eta hobetzen doan heinean, GaN epitaxiaren egungo erronkak arindu edo gaindituko dira azkenean. Etorkizuneko garapenek teknika epitaxial berriak eta substratu aukera bikainak sartuko dituzte. Aurrerapen horri esker, teknologia epitaxial eta substratu egokiena hautatzea ahalbidetuko da aplikazio-eszenatoki ezberdinen ezaugarrien arabera, produktu lehiakor eta pertsonalizatuak ekoizteko.**

Erreferentziak:

[1] "Arreta" Material erdieroalea-Galio nitruroa (baidu.com)

[2] Tang Linjiang, Wan Chengan, Zhang Minghua, Li Ying, Bandgap zabaleko material erdieroaleen ikerketaren egoera SiC eta GaN, Erabilera bikoitzeko teknologia eta produktu militar eta zibilak, 2020ko martxoa, 437. alea, 21-28.

[3] Wang Huan, Tian Ye, Galio nitruroaren tentsioaren kontrol-metodoaren desadostasun handiei buruzko ikerketa silizioko substratuan, Zientzia eta Teknologia Berrikuntza eta Aplikazioa, 3. alea, 2023.

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

[5]P.Ruterana, Philippe Vermaut, G.Nouet, A.Salvador, H.Morkoc, Surface treatment and layer structure in 2H-GaN growth on the (0001)Si surface of 6H-SiC by MBE, MRS Internet J. Nitruroa erdikondokoa. Erres.2 (1997)42.

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

[7]Xinqiang Wang, Akihiko Yoshikawa, GaN, AlN eta InN-ren hazpe molekularren epitaxia hazkundea, Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials 48/49 (2004) 42-103.

[8]Akira Usui，Haruo Sunakawa，Akira Sakai eta A. atsushi Yamaguchi, Thick GaN epitaxial growth with dislocation dentsitate baxuarekin hidruro-lurrun-fasearen epitaxiaren bidez, Jpn. J. Apl. Fisikoak. liburukia 36 (1997) 899-902 orr.