Methode des GaN-Kristallwachstums

Bei der Herstellung großformatiger GaN-Einkristallsubstrate ist HVPE derzeit die beste Wahl für die Kommerzialisierung. Allerdings kann die Rückträgerkonzentration des gewachsenen GaN nicht genau gesteuert werden. MOCVD ist derzeit die ausgereifteste Wachstumsmethode, steht jedoch vor Herausforderungen wie teuren Rohstoffen. Die ammonotherme Methode zum WachsenGaNbietet ein stabiles und ausgewogenes Wachstum und eine hohe Kristallqualität, aber seine Wachstumsrate ist für ein kommerzielles Wachstum im großen Maßstab zu langsam. Mit der Lösungsmittelmethode lässt sich der Keimbildungsprozess nicht präzise steuern, sie weist jedoch eine geringe Versetzungsdichte und ein großes Potenzial für zukünftige Entwicklungen auf. Auch andere Methoden wie Atomlagenabscheidung und Magnetronsputtern haben ihre eigenen Vor- und Nachteile.

HVPE-Methode

HVPE wird als Hydrid-Dampfphasenepitaxie bezeichnet. Es hat die Vorteile einer schnellen Wachstumsrate und großer Kristalle. Es handelt sich nicht nur um eine der ausgereiftesten Technologien im aktuellen Prozess, sondern auch um die wichtigste Methode zur kommerziellen BereitstellungGaN-Einkristallsubstrate. Im Jahr 1992 stellten Detchprohm et al. verwendeten HVPE erstmals zum Züchten dünner GaN-Filme (400 nm), und die HVPE-Methode fand große Beachtung.

Zunächst reagiert HCl-Gas im Quellbereich mit flüssigem Ga, um eine Galliumquelle (GaCl3) zu erzeugen, und das Produkt wird zusammen mit N2 und H2 zum Abscheidungsbereich transportiert. Im Abscheidungsbereich reagieren die Ga-Quelle und die N-Quelle (gasförmiges NH3) und erzeugen GaN (fest), wenn die Temperatur 1000 °C erreicht. Im Allgemeinen sind die Faktoren, die die Wachstumsrate von GaN beeinflussen, HCl-Gas und NH3. Heutzutage ist der Zweck des stabilen Wachstums vonGaNkann durch die Verbesserung und Optimierung der HVPE-Ausrüstung und die Verbesserung der Wachstumsbedingungen erreicht werden.

Die HVPE-Methode ist ausgereift und weist eine schnelle Wachstumsrate auf, weist jedoch die Nachteile einer minderwertigen Ausbeute an gezüchteten Kristallen und einer schlechten Produktkonsistenz auf. Aus technischen Gründen setzen Unternehmen auf dem Markt im Allgemeinen auf heteroepitaktisches Wachstum. Heteroepitaktisches Wachstum erfolgt im Allgemeinen durch die Trennung von GaN in ein Einkristallsubstrat mithilfe von Trenntechnologien wie thermischer Zersetzung, Laser-Lift-Off oder chemischem Ätzen nach dem Wachstum auf Saphir oder Si.

MOCVD-Methode

MOCVD wird als Gasphasenabscheidung metallorganischer Verbindungen bezeichnet. Es bietet die Vorteile einer stabilen Wachstumsrate und einer guten Wachstumsqualität und eignet sich für die Produktion in großem Maßstab. Es ist derzeit die ausgereifteste Technologie und hat sich zu einer der am weitesten verbreiteten Technologien in der Produktion entwickelt. MOCVD wurde erstmals in den 1960er Jahren von Mannacevit-Wissenschaftlern vorgeschlagen. In den 1980er Jahren wurde die Technologie ausgereift und perfektioniert.

Das Wachstum vonGaNEinkristallmaterialien in MOCVD verwenden hauptsächlich Trimethylgallium (TMGa) oder Triethylgallium (TEGa) als Galliumquelle. Beide sind bei Raumtemperatur flüssig. Unter Berücksichtigung von Faktoren wie dem Schmelzpunkt verwendet der größte Teil des aktuellen Marktes TMGa als Galliumquelle, NH3 als Reaktionsgas und hochreines N2 als Trägergas. Unter Hochtemperaturbedingungen (600–1300 °C) wird eine dünne GaN-Schicht erfolgreich auf Saphirsubstraten hergestellt.

Die MOCVD-Methode zum WachsenGaNweist eine hervorragende Produktqualität, einen kurzen Wachstumszyklus und eine hohe Ausbeute auf, weist jedoch die Nachteile teurer Rohstoffe und die Notwendigkeit einer präzisen Steuerung des Reaktionsprozesses auf.