Warum wächst die Epitaxie von Galliumnitrid (GaN) nicht auf einem GaN-Substrat?

Das Wachstum vonGaN-Epitaxieauf einem GaN-Substrat stellt trotz der im Vergleich zu Silizium überlegenen Eigenschaften des Materials eine einzigartige Herausforderung dar.GaN-Epitaxiebietet erhebliche Vorteile hinsichtlich der Bandlückenbreite, der Wärmeleitfähigkeit und des elektrischen Durchbruchfelds gegenüber Materialien auf Siliziumbasis. Dies macht die Einführung von GaN als Rückgrat für die dritte Generation von Halbleitern, die eine verbesserte Kühlung, geringere Leitungsverluste und eine verbesserte Leistung bei hohen Temperaturen und Frequenzen bieten, zu einem vielversprechenden und entscheidenden Fortschritt für die Photonik- und Mikroelektronikindustrie.

GaN, als primäres Halbleitermaterial der dritten Generation, glänzt besonders durch seine breite Anwendbarkeit und gilt als eines der wichtigsten Materialien nach Silizium. GaN-Leistungsgeräte weisen im Vergleich zu aktuellen Geräten auf Siliziumbasis überlegene Eigenschaften auf, wie z. B. eine höhere kritische elektrische Feldstärke, einen geringeren Einschaltwiderstand und schnellere Schaltfrequenzen, was zu einer verbesserten Systemeffizienz und Leistung bei hohen Betriebstemperaturen führt.

In der GaN-Halbleiter-Wertschöpfungskette, die Substrate umfasst,GaN-EpitaxieBeim Gerätedesign und bei der Herstellung dient das Substrat als grundlegende Komponente. GaN ist natürlich das am besten geeignete Material, um als Substrat zu dienenGaN-Epitaxiewird aufgrund seiner intrinsischen Kompatibilität mit einem homogenen Wachstumsprozess angebaut. Dadurch wird ein minimaler Stressgrad aufgrund unterschiedlicher Materialeigenschaften gewährleistet, was zur Erzeugung epitaktischer Schichten von besserer Qualität im Vergleich zu solchen auf heterogenen Substraten führt. Durch die Verwendung von GaN als Substrat kann eine qualitativ hochwertige GaN-Erkenntnistheorie erzeugt werden, mit einer intern um den Faktor Tausend reduzierten Defektdichte im Vergleich zu Substraten wie Saphir. Dies trägt zu einer deutlichen Reduzierung der Sperrschichttemperatur von LEDs bei und ermöglicht eine Verzehnfachung der Lumen pro Flächeneinheit.

Das herkömmliche Substrat von GaN-Geräten besteht jedoch aufgrund der mit ihrem Wachstum verbundenen Schwierigkeiten nicht aus GaN-Einkristallen. Der Fortschritt beim Wachstum von GaN-Einkristallen verlief deutlich langsamer als bei herkömmlichen Halbleitermaterialien. Die Herausforderung liegt in der Züchtung länglicher und kostengünstiger GaN-Kristalle. Die erste Synthese von GaN erfolgte 1932 unter Verwendung von Ammoniak und einem reinen Metall Gallium, um das Material zu züchten. Seitdem wurde intensiv an GaN-Einkristallmaterialien geforscht, doch es bestehen weiterhin Herausforderungen. Die Unfähigkeit von GaN, unter Normaldruck zu schmelzen, seine Zersetzung in Ga und Stickstoff (N2) bei erhöhten Temperaturen und sein Dekompressionsdruck, der bei seinem Schmelzpunkt von 2.300 Grad Celsius 6 Gigapascal (GPa) erreicht, machen es für bestehende Wachstumsgeräte schwierig, dies zu bewältigen Synthese von GaN-Einkristallen bei so hohen Drücken. Herkömmliche Schmelzwachstumsmethoden können für das Wachstum von GaN-Einkristallen nicht eingesetzt werden, sodass für die Epitaxie heterogene Substrate verwendet werden müssen. Beim aktuellen Stand von GaN-basierten Bauelementen erfolgt das Wachstum typischerweise auf Substraten wie Silizium, Siliziumkarbid und Saphir, anstatt ein homogenes GaN-Substrat zu verwenden, was die Entwicklung von epitaktischen GaN-Bauelementen behindert und Anwendungen behindert, die ein homogenes Substrat erfordern. gewachsenes Gerät.

Bei der GaN-Epitaxie werden verschiedene Arten von Substraten verwendet:

1. Saphir:Saphir oder α-Al2O3 ist das am weitesten verbreitete kommerzielle Substrat für LEDs und erobert einen erheblichen Teil des LED-Marktes. Sein Einsatz wurde wegen seiner einzigartigen Vorteile gepriesen, insbesondere im Zusammenhang mit dem epitaktischen GaN-Wachstum, das Filme mit einer ebenso geringen Versetzungsdichte erzeugt wie solche, die auf Siliziumkarbidsubstraten gewachsen sind. Bei der Herstellung von Saphir handelt es sich um ein Schmelzwachstum, ein ausgereiftes Verfahren, das die Herstellung hochwertiger Einkristalle zu geringeren Kosten und größeren Größen ermöglicht, die für industrielle Anwendungen geeignet sind. Daher ist Saphir eines der frühesten und am weitesten verbreiteten Substrate in der LED-Industrie.

2. Siliziumkarbid:Siliziumkarbid (SiC) ist ein Halbleitermaterial der vierten Generation, das nach Saphir den zweitgrößten Marktanteil bei LED-Substraten einnimmt. SiC zeichnet sich durch seine vielfältigen Kristallformen aus, die hauptsächlich in drei Kategorien eingeteilt werden: kubisch (3C-SiC), hexagonal (4H-SiC) und rhomboedrisch (15R-SiC). Ein Großteil der SiC-Kristalle besteht aus 3C, 4H und 6H, wobei die 4H- und 6H-SiC-Typen als Substrate für GaN-Bauelemente verwendet werden.

Siliziumkarbid ist eine ausgezeichnete Wahl als LED-Substrat. Dennoch bleibt die Herstellung hochwertiger, großer SiC-Einkristalle eine Herausforderung, und die Schichtstruktur des Materials macht es anfällig für Spaltungen, die seine mechanische Integrität beeinträchtigen und möglicherweise zu Oberflächendefekten führen, die sich auf die Qualität der Epitaxieschicht auswirken. Die Kosten für ein einkristallines SiC-Substrat liegen etwa um ein Vielfaches über denen eines gleichgroßen Saphirsubstrats, was seine weitverbreitete Anwendung aufgrund des höheren Preises einschränkt.

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3. Einkristallines Silizium:Silizium ist das am häufigsten verwendete und industriell etablierte Halbleitermaterial und bietet eine solide Grundlage für die Herstellung epitaktischer GaN-Substrate. Die Verfügbarkeit fortschrittlicher Einkristall-Silizium-Wachstumstechniken gewährleistet eine kostengünstige Produktion hochwertiger 6- bis 12-Zoll-Substrate in großem Maßstab. Dies reduziert die Kosten von LEDs erheblich und ebnet den Weg für die Integration von LED-Chips und integrierten Schaltkreisen durch die Verwendung von einkristallinen Siliziumsubstraten, was Fortschritte bei der Miniaturisierung vorantreibt. Darüber hinaus bieten siliziumbasierte Geräte im Vergleich zu Saphir, dem derzeit am häufigsten verwendeten LED-Substrat, Vorteile hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit, der elektrischen Leitfähigkeit, der Fähigkeit zur Herstellung vertikaler Strukturen und einer besseren Eignung für die Herstellung von Hochleistungs-LEDs.**