Perché l'epitassia del nitruro di glilio (GaN) non cresce su un substrato GaN?

La crescita diEpitassia del GaNsul substrato GaN rappresenta una sfida unica, nonostante le proprietà superiori del materiale rispetto al silicio.Epitassia del GaNoffre vantaggi significativi in ​​termini di ampiezza del gap di banda, conduttività termica e campo elettrico di rottura rispetto ai materiali a base di silicio. Ciò rende l’adozione del GaN come spina dorsale per la terza generazione di semiconduttori, che forniscono un raffreddamento migliorato, una minore perdita di conduzione e prestazioni migliorate a temperature e frequenze elevate, un progresso promettente e cruciale per le industrie fotoniche e microelettroniche.

Il GaN, in quanto materiale semiconduttore primario di terza generazione, brilla soprattutto per la sua ampia applicabilità ed è stato considerato uno dei materiali più importanti dopo il silicio. I dispositivi di potenza GaN dimostrano caratteristiche superiori rispetto agli attuali dispositivi a base di silicio, come una maggiore intensità del campo elettrico critico, una resistenza in conduzione inferiore e frequenze di commutazione più veloci, portando a una migliore efficienza e prestazioni del sistema a temperature operative elevate.

Nella catena del valore dei semiconduttori GaN, che comprende il substrato,Epitassia del GaN, progettazione e produzione del dispositivo, il substrato funge da componente fondamentale. Il GaN è naturalmente il materiale più adatto per fungere da substrato su cuiEpitassia del GaNviene coltivato per la sua intrinseca compatibilità con un processo di crescita omogeneo. Ciò garantisce un grado minimo di stress dovuto alle disparità nelle proprietà dei materiali, con conseguente generazione di strati epitassiali di qualità superiore rispetto a quelli cresciuti su substrati eterogenei. Utilizzando GaN come substrato, è possibile produrre un'epistemologia GaN di alta qualità, con una densità di difetti internamente ridotta di un fattore mille rispetto a substrati come lo zaffiro. Ciò contribuisce a una significativa riduzione della temperatura di giunzione dei LED e consente un aumento di dieci volte dei lumen per unità di area.

Tuttavia, il substrato convenzionale dei dispositivi GaN non sono i singoli cristalli di GaN a causa della difficoltà associata alla loro crescita. Il progresso nella crescita del singolo cristallo GaN è progredito in modo significativamente più lento rispetto ai materiali semiconduttori convenzionali. La sfida sta nella coltivazione di cristalli di GaN che siano allungati ed economici. La prima sintesi di GaN avvenne nel 1932, utilizzando ammoniaca e gallio metallico puro per far crescere il materiale. Da allora, sono state condotte ricerche approfondite sui materiali monocristallini GaN, ma le sfide rimangono. L'incapacità del GaN di fondersi a pressione normale, la sua decomposizione in Ga e azoto (N2) a temperature elevate e la sua pressione di decompressione che raggiunge i 6 gigapascal (GPa) al suo punto di fusione di 2.300 gradi Celsius rendono difficile per le apparecchiature di crescita esistenti ospitare il sintesi di singoli cristalli di GaN a pressioni così elevate. I metodi tradizionali di crescita allo stato fuso non possono essere impiegati per la crescita di singoli cristalli di GaN, rendendo quindi necessario l'uso di substrati eterogenei per l'epitassia. Nello stato attuale dei dispositivi basati su GaN, la crescita viene generalmente eseguita su substrati come silicio, carburo di silicio e zaffiro, anziché utilizzare un substrato GaN omogeneo, ostacolando lo sviluppo di dispositivi epitassiali GaN e ostacolando le applicazioni che richiedono un substrato omogeneo. dispositivo cresciuto.

Nell’epitassia del GaN vengono impiegati diversi tipi di substrati:

1. Zaffiro:Lo zaffiro, o α-Al2O3, è il substrato commerciale più diffuso per i LED, conquistando una fetta significativa del mercato dei LED. Il suo utilizzo è stato annunciato per i suoi vantaggi unici, in particolare nel contesto della crescita epitassiale del GaN, che produce film con densità di dislocazioni altrettanto bassa di quelle cresciute su substrati di carburo di silicio. La produzione dello zaffiro prevede la crescita della fusione, un processo maturo che consente la produzione di cristalli singoli di alta qualità a costi inferiori e di dimensioni maggiori, adatti per applicazioni industriali. Di conseguenza, lo zaffiro è uno dei substrati più antichi e diffusi nel settore dei LED.

2. Carburo di silicio:Il carburo di silicio (SiC) è un materiale semiconduttore di quarta generazione che si colloca al secondo posto nella quota di mercato dei substrati LED, dopo lo zaffiro. Il SiC è caratterizzato dalle sue diverse forme cristalline, classificate principalmente in tre categorie: cubico (3C-SiC), esagonale (4H-SiC) e romboedrico (15R-SiC). La maggior parte dei cristalli SiC sono 3C, 4H e 6H, con i tipi 4H e 6H-SiC utilizzati come substrati per dispositivi GaN.

Il carburo di silicio è una scelta eccellente come substrato per i LED. Tuttavia, la produzione di singoli cristalli SiC di dimensioni elevate e di alta qualità rimane impegnativa e la struttura stratificata del materiale lo rende soggetto a clivaggio, che influisce sulla sua integrità meccanica, introducendo potenzialmente difetti superficiali che influiscono sulla qualità dello strato epitassiale. Il costo di un substrato di SiC a cristallo singolo è circa diverse volte quello di un substrato di zaffiro della stessa dimensione, limitandone l'applicazione diffusa a causa del suo prezzo premium.

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3. Silicio monocristallino:Il silicio, essendo il materiale semiconduttore più ampiamente utilizzato e affermato a livello industriale, fornisce una solida base per la produzione di substrati epitassiali GaN. La disponibilità di tecniche avanzate di crescita del silicio monocristallino garantisce una produzione economicamente vantaggiosa e su larga scala di substrati di alta qualità da 6 a 12 pollici. Ciò riduce significativamente il costo dei LED e apre la strada all’integrazione di chip LED e circuiti integrati attraverso l’uso di substrati di silicio monocristallino, favorendo progressi nella miniaturizzazione. Inoltre, rispetto allo zaffiro, che è attualmente il substrato LED più comune, i dispositivi a base di silicio offrono vantaggi in termini di conduttività termica, conduttività elettrica, capacità di fabbricare strutture verticali e migliore idoneità alla fabbricazione di LED ad alta potenza.**