Зошто епитаксијата на глиум нитрид (GaN) не расте на подлогата GaN?

Растот наGaN епитаксијана подлогата GaN претставува уникатен предизвик, и покрај супериорните својства на материјалот во споредба со силиконот.GaN епитаксијануди значителни предности во однос на ширината на јазот на лентата, топлинската спроводливост и електричното поле на распаѓање во однос на материјалите базирани на силикон. Ова го прави усвојувањето на GaN како столб за третата генерација на полупроводници, кои обезбедуваат засилено ладење, помала загуба на спроводливост и подобрени перформанси при високи температури и фреквенции, ветувачки и клучен напредок за фотониската и микро-електронската индустрија.

GaN, како примарен полупроводнички материјал од третата генерација, особено сјае поради неговата широка применливост и се смета за еден од најважните материјали по силиконот. Уредите за напојување GaN покажуваат супериорни карактеристики во споредба со сегашните уреди базирани на силикон, како што се поголема јачина на критичното електрично поле, помал отпор на вклучување и побрзи фреквенции на префрлување, што доведува до подобрена ефикасност и перформанси на системот при високи работни температури.

Во вредносниот синџир на полупроводнички GaN, кој вклучува подлога,GaN епитаксија, дизајн на уредот и производство, подлогата служи како основна компонента. GaN е природно најпогодниот материјал за служење како подлога на којаGaN епитаксијасе одгледува поради неговата внатрешна компатибилност со хомоген процес на раст. Ова обезбедува минимален степен на стрес поради разликите во својствата на материјалот, што резултира со генерирање на епитаксијални слоеви со супериорен квалитет во споредба со оние кои се одгледуваат на хетерогени подлоги. Со користење на GaN како супстрат, може да се произведе висококвалитетна GaN епистемологија, со внатрешно намалена густина на дефекти за фактор од илјада во споредба со супстратите како сафирот. Ова придонесува за значително намалување на температурата на спојување на LED диоди и овозможува десеткратно зголемување на лумени по единица површина.

Сепак, конвенционалниот супстрат на уредите GaN не е единечни кристали GaN поради тешкотијата поврзана со нивниот раст. Напредокот во растот на еднокристалот GaN напредува значително побавно отколку кај конвенционалните полупроводнички материјали. Предизвикот лежи во одгледувањето на GaN кристали кои се издолжени и исплатливи. Првата синтеза на GaN се случи во 1932 година, користејќи амонијак и чист метален галиум за одгледување на материјалот. Оттогаш, се спроведуваат опсежни истражувања за монокристалните материјали GaN, но сепак остануваат предизвици. Неможноста на GaN да се топи под нормален притисок, неговото распаѓање на Ga и азот (N2) на покачени температури и неговиот притисок на декомпресија кој достигнува 6 гигапаскали (GPa) на неговата точка на топење од 2.300 степени Целзиусови, го отежнуваат постоечката опрема за раст да се приспособи на синтеза на единечни кристали GaN при толку високи притисоци. Традиционалните методи на раст на топење не можат да се применат за растење на единечни кристали GaN, со што е потребна употреба на хетерогени супстрати за епитаксија. Во сегашната состојба на уредите базирани на GaN, растот вообичаено се изведува на супстрати како што се силициум, силициум карбид и сафир, наместо да се користи хомогена подлога GaN, што го попречува развојот на епитаксијалните уреди GaN и ги попречува апликациите кои бараат хомогена супстрат- одгледан уред.

Во епитаксијата GaN се користат неколку типови на подлоги:

1. Сафир:Сафирот, или α-Al2O3, е најраспространетата комерцијална подлога за LED диоди, зафаќајќи значителен дел од пазарот на LED диоди. Неговата употреба беше најавена поради неговите уникатни предности, особено во контекст на епитаксиалниот раст на GaN, кој произведува филмови со подеднакво мала густина на дислокација како оние кои се одгледуваат на супстрати од силициум карбид. Производството на сафир вклучува раст на топење, зрел процес кој овозможува производство на висококвалитетни единечни кристали по пониски трошоци и поголеми димензии, погодни за индустриска примена. Како резултат на тоа, сафирот е еден од најраните и најраспространетите супстрати во LED индустријата.

2. Силициум карбид:Силициум карбид (SiC) е полупроводнички материјал од четвртата генерација кој се рангира на второто место по пазарен удел за LED супстрати, по сафирот. SiC се карактеризира со своите разновидни кристални форми, првенствено класифицирани во три категории: кубен (3C-SiC), хексагонален (4H-SiC) и ромбоедарски (15R-SiC). Поголемиот дел од кристалите на SiC се 3C, 4H и 6H, при што типовите 4H и 6H-SiC се користат како супстрати за уредите GaN.

Силициум карбид е одличен избор како LED подлога. Како и да е, производството на висококвалитетни, големи SiC единечни кристали останува предизвик, а слоевитата структура на материјалот го прави склон на расцепување, што влијае на неговиот механички интегритет, потенцијално воведувајќи површински дефекти кои влијаат на квалитетот на епитаксијалниот слој. Цената на еден кристален SiC подлога е приближно неколку пати поголема од онаа на подлогата од сафир со иста големина, ограничувајќи ја неговата широка примена поради неговата врвна цена.

Semicorex  850V GaN-on-Si Epi нафора со висока моќност

3. Еднокристален силикон:Силиконот, како најшироко користен и најиндустриски воспоставен полупроводнички материјал, обезбедува цврста основа за производство на епитаксијални подлоги GaN. Достапноста на напредните техники за раст на силициум со еден кристал обезбедува исплатливо, големо производство на висококвалитетни подлоги од 6 до 12 инчи. Ова значително ги намалува трошоците за LED диоди и го отвора патот за интеграција на LED чипови и интегрирани кола преку употреба на еднокристални силициумски подлоги, поттикнувајќи го напредокот во минијатуризацијата. Понатаму, во споредба со сафирот, кој во моментов е најчестиот LED супстрат, уредите базирани на силикон нудат предности во однос на топлинската спроводливост, електричната спроводливост, способноста да се изработуваат вертикални структури и подобро се вклопуваат за производство на LED со висока моќност.**