2024-05-31
1. نیمه هادی های نسل سوم
(1) نیمه هادی های نسل اول
فناوری نیمه هادی نسل اول بر اساس موادی مانند سیلیکون (Si) و ژرمانیوم (Ge) است. این مواد پایه و اساس فناوری ترانزیستور و مدار مجتمع (IC) را پایه گذاری کردند که به نوبه خود اساس صنعت الکترونیک قرن بیستم را ایجاد کرد.
در مقایسه با مواد نیمه هادی نسل دوم، مواد نسل سوم دارای شکاف باند وسیع تری هستند (Si معمولی دارای فاصله باند حدود 1.1 eV، GaAs حدود 1.42 eV، در حالی که GaN از 2.3 eV فراتر می رود)، مقاومت در برابر تشعشع قوی تر، عملکرد شکست میدان الکتریکی بالاتر و بهتر است. استقامت در دمای بالا این ویژگیها باعث میشود که مواد نیمهرسانای نسل سوم برای دستگاههای الکترونیکی مقاوم در برابر تشعشع، فرکانس بالا، توان بالا و چگالی بالا مناسب باشند. آنها در دستگاههای RF مایکروویو، LEDها، لیزرها و دستگاههای قدرت پیشرفت چشمگیری دارند و چشماندازهای امیدوارکنندهای را در ارتباطات سیار، شبکههای هوشمند، حملونقل ریلی، وسایل نقلیه الکتریکی، لوازم الکترونیکی مصرفی و دستگاههای نور ماوراء بنفش و سبز آبی نشان میدهند.
شکل 1: اندازه بازار و پیش بینی دستگاه های قدرت GaN
2. ساختار و ویژگی های GaN
نیترید گالیوم (GaN) یک نیمه هادی باندگپ مستقیم با گپ تقریباً 3.26 eV در دمای اتاق در ساختار wurtzite آن است. GaN عمدتاً در سه ساختار کریستالی وجود دارد: wurtzite، zincblende و سنگ نمک. ساختار wurtzite پایدارترین در بین اینها است.شکل 2 ساختار شش ضلعی ورتزیت GaN را نشان می دهد. در ساختار wurtzite، GaN متعلق به پیکربندی بسته بندی بسته شش ضلعی است. هر سلول واحد دارای 12 اتم، شامل 6 اتم نیتروژن (N) و 6 اتم گالیم (Ga) است. هر اتم Ga (N) به 4 نزدیکترین اتم N (Ga) پیوند مییابد، و یک توالی پشتهای در جهت [0001] در یک الگوی ABABAB…[2] تشکیل میدهد.
شکل 2: ساختار Wurtzite سلول واحد GaN
در نگاه اول، هومواپیتاکسی روی بسترهای GaN به نظر می رسد که انتخاب بهینه برای اپیتاکسی GaN باشد. با این حال، به دلیل انرژی پیوند بالای GaN، در نقطه ذوب آن (2500 درجه سانتیگراد)، فشار تجزیه مربوطه تقریباً 4.5 GPa است. زیر این فشار، GaN ذوب نمی شود بلکه مستقیماً تجزیه می شود. این باعث می شود که تکنیک های سنتی آماده سازی بستر، مانند روش Czochralski، برای تهیه بسترهای تک کریستالی GaN نامناسب باشد. در نتیجه، بسترهای GaN برای تولید انبوه دشوار و پرهزینه هستند. بنابراین، بسترهای رایج مورد استفاده برای اپیتاکسی GaN عبارتند از Si، SiC و یاقوت کبود [3].
شکل 3: پارامترهای GaN و مواد زیرلایه مشترک
(1) GaN Epitaxy در یاقوت کبود
یاقوت کبود از نظر شیمیایی پایدار، ارزان است و درجه بلوغ بالایی در تولید انبوه دارد و آن را به یکی از اولین و پرمصرف ترین مواد بستر در مهندسی دستگاه های نیمه هادی تبدیل می کند. به عنوان یک بستر متداول برای اپیتاکسی GaN، بسترهای یاقوت کبود باید به مسائل کلیدی زیر رسیدگی کنند:
✔ عدم تطابق شبکه بالا: عدم تطابق شبکه بین یاقوت کبود (Al2O3) و GaN قابل توجه است (تقریباً 15٪) که منجر به تراکم نقص بالایی در سطح مشترک بین لایه اپیتاکسیال و بستر می شود. برای کاهش این اثر نامطلوب، بستر باید قبل از شروع فرآیند اپیتاکسیال تحت یک پیش پردازش پیچیده قرار گیرد. این شامل تمیز کردن کامل برای حذف آلایندهها و آسیبهای پرداخت باقیمانده، ایجاد مراحل و ساختارهای سطح پلهای، نیتریداسیون سطح برای تغییر خواص مرطوبکنندگی لایه همپایی، و در نهایت رسوب یک لایه بافر نازک AlN (معمولاً 100-100 نانومتر ضخامت) و به دنبال آن کم است. - بازپخت دمایی برای آماده شدن برای رشد اپیتاکسیال نهایی. علیرغم این اقدامات، چگالی دررفتگی در فیلمهای اپیتاکسیال GaN که روی لایههای یاقوت کبود رشد میکنند، در مقایسه با هومواپیتاکسی روی سیلیکون یا GaAs (تراکم جابجایی 0 تا 102-104 سانتیمتر ^-2) بالا باقی میماند (~10^10cm^-2). تراکم نقص بالا تحرک حامل را کاهش می دهد، طول عمر حامل های اقلیت را کوتاه می کند و هدایت حرارتی را کاهش می دهد که همه اینها عملکرد دستگاه را مختل می کند [4].
✔ عدم تطابق ضریب انبساط حرارتی: یاقوت کبود ضریب انبساط حرارتی بیشتری نسبت به GaN دارد، که در نتیجه تنش فشاری دو محوره در لایه همپایه زمانی که از دمای رسوب به دمای اتاق خنک میشود، میشود. برای لایه های اپیتاکسیال ضخیم تر، این تنش ممکن است منجر به ترک خوردن لایه یا حتی بستر شود.
✔ رسانایی حرارتی ضعیف: در مقایسه با سایر بسترها، یاقوت کبود رسانایی حرارتی کمتری دارد (~0.25 Wcm^-1K^-1 در 100 درجه سانتی گراد)، که برای اتلاف گرما مضر است.
✔ رسانایی الکتریکی پایین: رسانایی الکتریکی ضعیف یاقوت کبود مانع از ادغام و کاربرد آن با سایر دستگاه های نیمه هادی می شود.
علیرغم تراکم نقص زیاد در لایههای همپای GaN که روی یاقوت کبود رشد کردهاند، عملکرد نوری و الکترونیکی آن در LEDهای سبز-آبی مبتنی بر GaN بهطور قابلتوجهی کاهش نمییابد. بنابراین، بسترهای یاقوت کبود برای LED های مبتنی بر GaN رایج باقی می مانند. با این حال، با توسعه بیشتر دستگاههای GaN مانند لیزر و سایر دستگاههای قدرت با چگالی بالا، محدودیتهای ذاتی بسترهای یاقوت کبود به طور فزایندهای آشکار میشوند.
(2) GaN Epitaxy در SiC
در مقایسه با یاقوت کبود، بسترهای SiC (پلیتیپهای 4H- و 6H) دارای عدم تطابق شبکه کوچکتری با لایههای همپای GaN (3.1٪ در امتداد جهت [0001])، هدایت حرارتی بالاتر (تقریباً 3.8 Wcm^-1K^-1)، و هدایت الکتریکی که امکان تماس های الکتریکی پشتی را فراهم می کند و ساختار دستگاه را ساده می کند. این مزایا تعداد فزایندهای از محققین را برای بررسی اپیتاکسی GaN بر روی بسترهای SiC جلب میکند. با این حال، رشد مستقیم لایههای اپیتاکسیال GaN روی بسترهای SiC نیز با چالشهای متعددی مواجه است:
✔ زبری سطح: بسترهای SiC دارای زبری سطح بسیار بالاتری نسبت به بسترهای یاقوت کبود هستند (0.1 نانومتر RMS برای یاقوت کبود، 1 نانومتر RMS برای SiC). سختی بالا و ماشینکاری ضعیف SiC به این زبری و آسیب پرداخت باقیمانده کمک میکند، که منبع نقص در لایههای همپای GaN است.
✔ تراکم نابجایی نخی بالا: بسترهای SiC دارای چگالی نابجایی رزوهای بالایی هستند (103-104 سانتیمتر 2-2)، که میتواند در لایه همپای GaN منتشر شود و عملکرد دستگاه را کاهش دهد.
✔ گسل های انباشتگی: آرایش اتمی روی سطح بستر می تواند باعث ایجاد گسل های انباشتگی (BSF) در لایه های همپای GaN شود. آرایشهای اتمی متعدد بر روی بستر SiC منجر به توالیهای انباشته اتمی اولیه غیریکنواخت در لایه GaN میشود که احتمال انباشتگی گسلها را افزایش میدهد. BSFها در امتداد محور c میدانهای الکتریکی داخلی را معرفی میکنند که باعث جدا شدن حامل و مشکلات نشتی در دستگاهها میشود.
✔ عدم تطابق ضریب انبساط حرارتی: ضریب انبساط حرارتی SiC از AlN و GaN کوچکتر است، که منجر به تجمع تنش حرارتی بین لایه اپیتاکسیال و بستر در طول خنک شدن می شود. تحقیقات Waltereit و Brand نشان میدهد که این مسئله را میتوان با رشد لایه همپای GaN بر روی یک لایه نازک و منسجم هستهسازی AlN کاهش داد.
✔ خیس شدن ضعیف اتم های Ga: رشد مستقیم GaN روی سطوح SiC به دلیل خیس شدن ضعیف اتم های Ga دشوار است. GaN تمایل به رشد در حالت جزیره ای سه بعدی دارد، معرفی لایه های بافر یک راه حل رایج برای بهبود کیفیت مواد همپایی است. معرفی لایههای بافر AlN یا AlxGa1-xN میتواند خیس شدن روی سطح SiC را بهبود بخشد، رشد دوبعدی لایه همپای GaN را تقویت کرده و برای تعدیل استرس و جلوگیری از انتشار عیوب بستر به لایه GaN عمل میکند.
✔ هزینه بالا و عرضه محدود: فناوری آماده سازی بستر SiC نابالغ است، که منجر به هزینه های بالای بستر و عرضه محدود از تعداد کمی از فروشندگان می شود.
تحقیق تورس و همکاران نشان می دهد که پیش اچ کردن زیرلایه های SiC با H2 در دماهای بالا (1600 درجه سانتی گراد) ساختارهای پله ای منظم تری ایجاد می کند و در نتیجه فیلم های همپای AlN با کیفیت بالاتر در مقایسه با آن هایی که مستقیماً روی بسترهای تیمار نشده رشد می کنند، می شود. زی و تیم او همچنین نشان دادند که پیش تصفیه لایه های SiC به طور قابل توجهی مورفولوژی سطح و کیفیت کریستال لایه های همپای GaN را بهبود می بخشد. اسمیت و همکاران دریافتند که نابجایی رزوهای از لایه زیرلایه/لایه بافر و لایه بافر/لایه همپایه با صافی بستر مرتبط است[5].
شکل 4: مورفولوژی TEM لایه های همپای GaN رشد کرده روی (0001) سطح زیرلایه های 6H-SiC تحت تیمارهای سطحی مختلف: (الف) تمیز کردن شیمیایی. (ب) تمیز کردن شیمیایی + درمان پلاسمای هیدروژن. © Chemical Cleaning + Hydrogen Plasma Treatment + 1300°C Hydrogen Thermal Treatment به مدت 30 دقیقه
(3) GaN Epitaxy در Si
در مقایسه با بسترهای SiC و یاقوت کبود، بسترهای سیلیکونی دارای فرآیندهای آماده سازی بالغ، تامین پایدار بستر در اندازه بزرگ، مقرون به صرفه بودن، و هدایت حرارتی و الکتریکی عالی هستند. علاوه بر این، فناوری دستگاه الکترونیکی سیلیکونی بالغ، پتانسیل یکپارچهسازی کامل دستگاههای GaN اپتوالکترونیک با دستگاههای الکترونیکی سیلیکونی را ارائه میدهد و اپیتاکسی GaN روی سیلیکون را بسیار جذاب میکند. با این حال، عدم تطابق ثابت شبکه بین لایههای Si و مواد GaN چالشهای متعددی را ارائه میکند.
✔ مسائل مربوط به انرژی رابط: وقتی GaN بر روی بسترهای Si رشد می کند، سطح Si ابتدا یک لایه بی شکل SiNx را تشکیل می دهد که برای هسته زایی با چگالی بالا مضر است. علاوه بر این، سطوح Si در ابتدا با Ga واکنش میدهند و باعث خوردگی سطح میشوند و در دماهای بالا، تجزیه سطح Si میتواند به لایه همپای GaN منتشر شود و لکههای سیلیکونی سیاه را تشکیل دهد.
✔ عدم تطابق شبکه: عدم تطابق ثابت شبکه بزرگ (~17٪) بین GaN و Si منجر به دررفتگی رزوه ای با چگالی بالا می شود که به طور قابل توجهی کیفیت لایه اپیتاکسیال را کاهش می دهد.
✔ عدم تطابق ضریب انبساط حرارتی: GaN ضریب انبساط حرارتی بیشتری نسبت به Si دارد (GaN ~5.6×10^-6 K^-1، Si ~2.6×10^-6 K^-1)، که ممکن است باعث ایجاد ترک در GaN شود. لایه اپیتاکسیال در طول خنک شدن از دمای رشد همپایه تا دمای اتاق.
✔ واکنش های دمای بالا: Si با NH3 در دماهای بالا واکنش می دهد و SiNx پلی کریستالی را تشکیل می دهد. AlN نمی تواند ترجیحاً روی SiNx چند کریستالی هسته ایجاد کند، که منجر به رشد GaN بسیار ناهماهنگ با تراکم نقص بسیار بالا می شود و تشکیل لایه های همپای GaN تک کریستالی را به چالش می کشد[6].
برای رسیدگی به عدم تطابق شبکه بزرگ، محققان تلاش کردهاند موادی مانند AlAs، GaAs، AlN، GaN، ZnO و SiC را به عنوان لایههای بافر روی بسترهای Si معرفی کنند. برای جلوگیری از تشکیل SiNx پلی کریستالی و کاهش اثرات نامطلوب آن بر کیفیت کریستالی GaN/AlN/Si (111)، TMAl معمولاً قبل از رشد همپایه لایه بافر AlN معرفی می شود تا از واکنش NH3 با سطح Si در معرض دید جلوگیری شود. علاوه بر این، تکنیک هایی مانند بسترهای طرح دار برای بهبود کیفیت لایه همپایی استفاده می شود. این پیشرفت ها به سرکوب تشکیل SiNx در سطح مشترک همپایی، ترویج رشد 2 بعدی لایه همپایی GaN و افزایش کیفیت رشد کمک می کند. معرفی لایه های بافر AlN، تنش کششی ناشی از تفاوت در ضرایب انبساط حرارتی را جبران می کند و از ایجاد ترک در لایه GaN بر روی بسترهای سیلیکونی جلوگیری می کند. تحقیقات Krost نشان میدهد که همبستگی مثبتی بین ضخامت لایه بافر AlN و کاهش کرنش وجود دارد که از طریق طرحهای رشد مناسب امکان رشد لایههای همپایی با ضخامت بیش از 6 میکرومتر را روی بسترهای سیلیکونی بدون ترکخوردگی فراهم میکند.
به لطف تلاشهای تحقیقاتی گسترده، کیفیت لایههای همپایه GaN رشد کرده روی بسترهای سیلیکونی به طور قابلتوجهی بهبود یافته است. ترانزیستورهای اثر میدانی، آشکارسازهای فرابنفش مانع شاتکی، LEDهای سبز آبی و لیزرهای فرابنفش همگی پیشرفت قابل توجهی داشته اند.
در نتیجه، بسترهای همپوشانی معمول GaN همگی هترواپیتاکسیال هستند و با درجات مختلفی از عدم تطابق شبکه و اختلاف ضریب انبساط حرارتی روبرو هستند. زیرلایههای GaN هماپیتاکسیال به دلیل فناوری نابالغ، هزینههای تولید بالا، اندازههای زیرلایه کوچک، و کیفیت پایینتر از حد مطلوب محدود شدهاند، که توسعه زیرلایههای همپایه GaN جدید و بهبود کیفیت همپایی را برای پیشرفت بیشتر صنعت ضروری میسازد.
4. روش های رایج برای GaN اپیتاکسی
(1) MOCVD (رسوب بخار شیمیایی فلزی-آلی)
در حالی که به نظر می رسد هومواپیتاکسی روی بسترهای GaN انتخاب بهینه برای اپیتاکسی GaN باشد، رسوب بخار شیمیایی فلز-آلی (MOCVD) مزایای قابل توجهی را ارائه می دهد. با استفاده از تری متیل گالیوم و آمونیاک به عنوان پیش سازها، و هیدروژن به عنوان گاز حامل، MOCVD معمولاً در دمای رشد حدود 1000-1100 درجه سانتیگراد عمل می کند. سرعت رشد MOCVD در محدوده چند میکرومتر در ساعت است. این روش میتواند رابطهای تیز اتمی تولید کند، که آن را برای رشد اتصالات ناهمگون، چاههای کوانتومی و ابرشبکهها ایدهآل میکند. سرعت رشد نسبتاً بالا، یکنواختی عالی و مناسب بودن برای رشد در سطح وسیع و چند ویفر، آن را به یک روش استاندارد برای تولید صنعتی تبدیل کرده است.
(2) MBE (اپیتاکسی پرتو مولکولی)
در اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE)، منابع عنصری برای گالیم استفاده میشود و نیتروژن فعال از طریق پلاسمای RF از گاز نیتروژن تولید میشود. در مقایسه با MOCVD، MBE در دمای رشد قابل توجهی پایین تر، در حدود 350-400 درجه سانتیگراد عمل می کند. این دمای پایینتر میتواند از برخی از مسائل آلودگی که ممکن است در محیطهای با دمای بالا ایجاد شود جلوگیری کند. سیستمهای MBE تحت شرایط خلاء فوقالعاده بالا کار میکنند و امکان ادغام تکنیکهای نظارت درجا را فراهم میکنند. با این حال، نرخ رشد و ظرفیت تولید MBE نمی تواند با MOCVD مطابقت داشته باشد و آن را برای کاربردهای تحقیقاتی مناسب تر می کند[7].
شکل 5: (الف) شماتیک Eiko-MBE (ب) شماتیک اتاق واکنش اصلی MBE
(3) HVPE (اپیتاکسی فاز بخار هیدرید)
اپیتاکسی فاز بخار هیدرید (HVPE) از GaCl3 و NH3 به عنوان پیش سازها استفاده می کند. دچپروم و همکاران از این روش برای رشد لایه های همپای GaN به ضخامت چند صد میکرومتر بر روی بسترهای یاقوت کبود استفاده کرد. در آزمایشات آنها، یک لایه بافر ZnO بین بستر یاقوت کبود و لایه همپایی رشد داده شد و به لایه همپایی اجازه می داد تا از سطح بستر جدا شود. در مقایسه با MOCVD و MBE، مزیت اصلی HVPE سرعت رشد بالای آن است که آن را برای تولید لایه های ضخیم و مواد حجیم مناسب می کند. با این حال، زمانی که ضخامت لایه اپیتاکسیال بیش از 20μm باشد، لایه های رشد یافته توسط HVPE مستعد ترک خوردن هستند.
Akira USUI فناوری بسترهای طرح دار را بر اساس روش HVPE معرفی کرد. در ابتدا، یک لایه نازک اپیتاکسیال GaN، با ضخامت 1-1.5μm، بر روی یک بستر یاقوت کبود با استفاده از MOCVD رشد داده شد. این لایه از یک لایه بافر GaN با دمای پایین با ضخامت 20 نانومتر و یک لایه GaN با دمای بالا تشکیل شده است. متعاقباً در دمای 430 درجه سانتی گراد، لایه ای از SiO2 بر روی سطح لایه همپایی رسوب کرد و نوارهای پنجره ای بر روی فیلم SiO2 از طریق فوتولیتوگرافی ایجاد شد. فاصله نوارها 7μm بود، با عرض ماسک از 1μm تا 4μm. این اصلاح آنها را قادر میسازد تا لایههای اپیتاکسیال GaN را بر روی زیرلایههای یاقوت کبود با قطر ۲ اینچ تولید کنند، که حتی زمانی که ضخامت آن به دهها یا حتی صدها میکرومتر افزایش مییابد، بدون ترک و آینهای صاف باقی میماند. چگالی نقص از روش سنتی HVPE 109-1010 cm^-2 به تقریباً 6×10^7 cm^-2 کاهش یافت. آنها همچنین خاطرنشان کردند که سطح نمونه زمانی که سرعت رشد از 75μm/h فراتر رفت، ناهموار شد[8].
شکل 6: شماتیک زیرلایه طرح دار
5. خلاصه و چشم انداز
تقاضای عظیم بازار بدون شک باعث پیشرفت های قابل توجهی در صنایع و فناوری های مرتبط با GaN خواهد شد. همانطور که زنجیره صنعتی برای GaN بالغ و بهبود می یابد، چالش های فعلی در اپیتاکسی GaN در نهایت کاهش یا غلبه خواهند کرد. پیشرفتهای آینده احتمالاً تکنیکهای اپیتاکسیال جدید و گزینههای زیرلایه برتر را معرفی خواهند کرد. این پیشرفت امکان انتخاب مناسب ترین فناوری و بستر همپایی را بر اساس ویژگی های سناریوهای مختلف کاربردی فراهم می کند که منجر به تولید محصولات بسیار رقابتی و سفارشی می شود.**
منابع:
[1] مواد نیمه هادی "توجه" - نیترید گالیم (baidu.com)
[2] تانگ لینجیانگ، وان چنگان، ژانگ مینگهوا، لی یینگ، وضعیت تحقیق در مورد مواد نیمهرسانای باند گسترده SiC و GaN، فناوری و محصولات با کاربرد دوگانه نظامی و غیرنظامی، مارس 2020، شماره 437، 21-28.
[3] وانگ هوان، تیان یه، تحقیق در مورد روش کنترل تنش عدم تطابق بزرگ نیترید گالیم روی بستر سیلیکون، نوآوری و کاربرد علم و فناوری، شماره 3، 2023
[4] L.Liu، J.H.Edgar، بسترهای برای اپیتاکسی نیترید گالیم، علم و مهندسی مواد R، 37 (2002) 61-127.
[5]P.Ruterana، Philippe Vermaut، G.Nouet، A.Salvador، H.Morkoc، عملیات سطحی و ساختار لایه در رشد 2H-GaN روی سطح (0001)Si 6H-SiC توسط MBE، MRS Internet J. نیم ثانیه نیترید. Res.2 (1997)42.
[6] M.A.Sanchez-Garcia، F.B. Naranjo، J.L.Pau، A.Jimenez، E.Calleja، E.Munoz، الکترولومینسانس فرابنفش در دیودهای ساطع نور تک ناهمگن GaN/AlGaN رشد کرده در Si(111)، مجله فیزیک کاربردی 87،1569 (2000).
[7] Xinqiang وانگ، آکیهیکو یوشیکاوا، رشد اپیتاکسی پرتو مولکولی GaN، AlN و InN، پیشرفت در رشد کریستال و خصوصیات مواد 48/49 (2004) 42-103.
[8] آکیرا اوسوئی، هارو سوناکاوا، آکیرا ساکای و آ. آتسوشی یاماگوچی، رشد همپایی GaN ضخیم با چگالی نابجایی کم توسط اپیتاکسی فاز بخار هیدرید، Jpn. J. Appl. فیزیک جلد 36 (1997) pp.899-902.