چرا اپیتاکسی گلیم نیترید (GaN) روی یک بستر GaN رشد نمی کند؟

رشد ازاپیتاکسی GaNبا وجود خواص برتر این ماده در مقایسه با سیلیکون، روی بستر GaN یک چالش منحصر به فرد ارائه می دهد.اپیتاکسی GaNمزایای قابل توجهی از نظر عرض شکاف باند، هدایت حرارتی و میدان الکتریکی شکست نسبت به مواد مبتنی بر سیلیکون دارد. این امر باعث می شود که GaN به عنوان ستون فقرات نسل سوم نیمه هادی ها، که خنک کننده افزایش یافته، تلفات رسانایی کمتر و عملکرد بهبود یافته در دماها و فرکانس های بالا را فراهم می کند، پیشرفت امیدوارکننده و حیاتی برای صنایع فوتونی و میکروالکترونیک باشد.

GaN به عنوان اولین ماده نیمه هادی نسل سوم، به دلیل کاربرد وسیع خود به ویژه می درخشد و به عنوان یکی از مهم ترین مواد پس از سیلیکون در نظر گرفته شده است. دستگاه‌های قدرت GaN در مقایسه با دستگاه‌های مبتنی بر سیلیکون فعلی، ویژگی‌های برتری را نشان می‌دهند، مانند قدرت میدان الکتریکی بحرانی بالاتر، مقاومت کمتر و فرکانس‌های سوئیچینگ سریع‌تر، که منجر به بهبود راندمان و عملکرد سیستم در دمای عملیاتی بالا می‌شود.

در زنجیره ارزش نیمه هادی GaN که شامل زیرلایه است،اپیتاکسی GaN، طراحی دستگاه و ساخت، بستر به عنوان جزء اساسی عمل می کند. GaN به طور طبیعی مناسب ترین ماده برای خدمت به عنوان بستر استاپیتاکسی GaNبه دلیل سازگاری ذاتی آن با فرآیند رشد همگن رشد می کند. این امر حداقل درجه تنش را به دلیل نابرابری در خواص مواد تضمین می کند و در نتیجه باعث تولید لایه های همپایی با کیفیت برتر در مقایسه با لایه های رشد شده روی بسترهای ناهمگن می شود. با استفاده از GaN به عنوان بستر، معرفت شناسی GaN با کیفیت بالا را می توان تولید کرد، با کاهش تراکم نقص داخلی در مقایسه با زیرلایه هایی مانند یاقوت کبود. این به کاهش قابل توجه دمای اتصال LED ها کمک می کند و افزایش ده برابری در لومن در واحد سطح را امکان پذیر می کند.

با این حال، بستر معمولی دستگاه‌های GaN به دلیل دشواری مرتبط با رشد آنها، تک بلورهای GaN نیست. پیشرفت در رشد تک کریستال GaN به طور قابل توجهی کندتر از مواد نیمه هادی معمولی پیشرفت کرده است. چالش در کشت کریستال های GaN است که کشیده و مقرون به صرفه هستند. اولین سنتز GaN در سال 1932 با استفاده از آمونیاک و یک فلز خالص گالیم برای رشد این ماده اتفاق افتاد. از آن زمان، تحقیقات گسترده ای در مورد مواد تک کریستالی GaN دنبال شده است، اما چالش ها باقی مانده است. ناتوانی GaN در ذوب شدن تحت فشار معمولی، تجزیه آن به Ga و نیتروژن (N2) در دماهای بالا، و فشار رفع فشار آن که در نقطه ذوب 2300 درجه سانتیگراد به 6 گیگا پاسکال (GPa) می رسد، تطبیق تجهیزات رشد موجود را دشوار می کند. سنتز تک بلورهای GaN در چنین فشارهای بالا. روش‌های رشد مذاب سنتی را نمی‌توان برای رشد تک کریستال GaN به کار برد، بنابراین استفاده از بسترهای ناهمگن برای اپیتاکسی ضروری است. در وضعیت فعلی دستگاه‌های مبتنی بر GaN، رشد معمولاً بر روی بسترهایی مانند سیلیکون، کاربید سیلیکون و یاقوت کبود، به جای استفاده از یک بستر GaN همگن انجام می‌شود، که مانع توسعه دستگاه‌های همپای GaN و مانع از کاربردهایی می‌شود که نیاز به یک بستر همگن دارند. دستگاه رشد کرده

چندین نوع بستر در اپیتاکسی GaN استفاده می شود:

1. یاقوت کبود:یاقوت کبود، یا α-Al2O3، گسترده ترین بستر تجاری برای LED ها است که بخش قابل توجهی از بازار LED را به خود اختصاص داده است. استفاده از آن به دلیل مزایای منحصربه‌فرد آن، به‌ویژه در زمینه رشد هم‌پایه GaN، که فیلم‌هایی با چگالی نابجایی کم مانند آنهایی که روی بسترهای کاربید سیلیکون رشد می‌کنند، تولید می‌کند، اعلام شد. تولید یاقوت کبود شامل رشد مذاب است، فرآیندی بالغ که امکان تولید تک کریستال های با کیفیت بالا را با هزینه کمتر و اندازه های بزرگتر، مناسب برای کاربردهای صنعتی فراهم می کند. در نتیجه، یاقوت کبود یکی از اولین و رایج ترین بسترها در صنعت LED است.

2. سیلیکون کاربید:کاربید سیلیکون (SiC) یک ماده نیمه رسانای نسل چهارم است که پس از یاقوت کبود در جایگاه دوم از نظر سهم بازار برای بسترهای LED قرار دارد. SiC با اشکال کریستالی متنوع خود مشخص می شود که در درجه اول به سه دسته تقسیم می شوند: مکعبی (3C-SiC)، شش ضلعی (4H-SiC) و رومبوهدرال (15R-SiC). اکثر کریستال های SiC 3C، 4H، و 6H هستند، با انواع 4H و 6H-SiC که به عنوان بستر برای دستگاه های GaN استفاده می شود.

کاربید سیلیکون یک انتخاب عالی به عنوان یک بستر LED است. با این وجود، تولید تک بلورهای SiC با کیفیت بالا و قابل توجه همچنان چالش برانگیز است و ساختار لایه ای این ماده آن را مستعد برش می کند که بر یکپارچگی مکانیکی آن تأثیر می گذارد و به طور بالقوه باعث ایجاد عیوب سطحی می شود که بر کیفیت لایه همپایی تأثیر می گذارد. هزینه یک بستر SiC تک کریستالی تقریباً چندین برابر بستر یاقوت کبود با همان اندازه است که کاربرد گسترده آن را به دلیل قیمت بالای آن محدود می کند.

ویفر اپی GaN-on-Si 850 ولت Semicorex

3. سیلیکون تک کریستال:سیلیکون، که به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد و به طور صنعتی تاسیس شده است، یک پایه محکم برای تولید بسترهای همپای GaN فراهم می کند. در دسترس بودن تکنیک های پیشرفته رشد سیلیکون تک کریستال، تولید مقرون به صرفه و در مقیاس بزرگ از بسترهای 6 تا 12 اینچی با کیفیت بالا را تضمین می کند. این امر به طور قابل توجهی هزینه LED ها را کاهش می دهد و راه را برای ادغام تراشه های LED و مدارهای مجتمع از طریق استفاده از بسترهای سیلیکونی تک کریستال هموار می کند که باعث پیشرفت در کوچک سازی می شود. علاوه بر این، در مقایسه با یاقوت کبود، که در حال حاضر رایج‌ترین زیرلایه LED است، دستگاه‌های مبتنی بر سیلیکون از نظر هدایت حرارتی، هدایت الکتریکی، قابلیت ساخت ساختارهای عمودی و تناسب بهتر برای ساخت LED با قدرت بالا، مزایایی دارند.**