Tại sao Epit Wax Gllium Nitride (GaN) không phát triển trên chất nền GaN?

Sự tăng trưởng củaepitaxy GaNtrên đế GaN đặt ra một thách thức đặc biệt, bất chấp những đặc tính vượt trội của vật liệu này khi so sánh với silicon.epitaxy GaNmang lại những lợi thế đáng kể về độ rộng vùng cấm, độ dẫn nhiệt và điện trường đánh thủng so với vật liệu gốc silicon. Điều này khiến việc sử dụng GaN làm xương sống cho thế hệ chất bán dẫn thứ ba, giúp tăng cường khả năng làm mát, giảm tổn hao dẫn điện và cải thiện hiệu suất ở nhiệt độ và tần số cao, một tiến bộ đầy hứa hẹn và quan trọng đối với ngành công nghiệp quang tử và vi điện tử.

GaN, với tư cách là vật liệu bán dẫn thế hệ thứ ba, đặc biệt tỏa sáng nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi và được coi là một trong những vật liệu quan trọng nhất sau silicon. Các thiết bị nguồn GaN thể hiện các đặc tính vượt trội so với các thiết bị dựa trên silicon hiện tại, chẳng hạn như cường độ điện trường tới hạn cao hơn, điện trở thấp hơn và tần số chuyển mạch nhanh hơn, giúp cải thiện hiệu suất và hiệu suất của hệ thống trong điều kiện nhiệt độ hoạt động cao.

Trong chuỗi giá trị bán dẫn GaN, bao gồm chất nền,epitaxy GaN, thiết kế và sản xuất thiết bị, chất nền đóng vai trò là thành phần nền tảng. GaN đương nhiên là vật liệu phù hợp nhất để làm chất nền choepitaxy GaNđược phát triển do khả năng tương thích nội tại của nó với quá trình tăng trưởng đồng nhất. Điều này đảm bảo mức độ căng thẳng tối thiểu do sự chênh lệch về tính chất vật liệu, dẫn đến việc tạo ra các lớp epiticular có chất lượng vượt trội so với các lớp được trồng trên chất nền không đồng nhất. Bằng cách sử dụng GaN làm chất nền, có thể tạo ra nhận thức luận GaN chất lượng cao, với mật độ khuyết tật bên trong giảm đi một nghìn lần so với các chất nền như sapphire. Điều này góp phần làm giảm đáng kể nhiệt độ tiếp giáp của đèn LED và cho phép tăng cường gấp 10 lần số lumen trên một đơn vị diện tích.

Tuy nhiên, chất nền thông thường của thiết bị GaN không phải là các tinh thể GaN đơn lẻ do khó khăn trong quá trình phát triển của chúng. Sự tiến bộ trong quá trình tăng trưởng đơn tinh thể GaN diễn ra chậm hơn đáng kể so với các vật liệu bán dẫn thông thường. Thách thức nằm ở việc nuôi cấy tinh thể GaN có độ giãn dài và tiết kiệm chi phí. Sự tổng hợp GaN đầu tiên diễn ra vào năm 1932, sử dụng amoniac và gali kim loại nguyên chất để phát triển vật liệu. Kể từ đó, nghiên cứu sâu rộng đã được tiến hành về các vật liệu đơn tinh thể GaN, tuy nhiên vẫn còn nhiều thách thức. GaN không có khả năng tan chảy dưới áp suất bình thường, sự phân hủy của nó thành Ga và nitơ (N2) ở nhiệt độ cao và áp suất giảm áp của nó đạt tới 6 gigapascal (GPa) tại điểm nóng chảy 2.300 độ C khiến các thiết bị tăng trưởng hiện có khó có thể đáp ứng được. tổng hợp các tinh thể đơn GaN ở áp suất cao như vậy. Các phương pháp tăng trưởng nóng chảy truyền thống không thể được sử dụng cho sự tăng trưởng đơn tinh thể GaN, do đó đòi hỏi phải sử dụng các chất nền không đồng nhất cho epitaxy. Ở trạng thái hiện tại của các thiết bị dựa trên GaN, sự tăng trưởng thường được thực hiện trên các chất nền như silicon, cacbua silic và sapphire, thay vì sử dụng chất nền GaN đồng nhất, cản trở sự phát triển của các thiết bị epiticular GaN và cản trở các ứng dụng yêu cầu chất nền đồng nhất- thiết bị đã trưởng thành.

Một số loại chất nền được sử dụng trong epit Wax GaN:

1. Ngọc bích:Sapphire, hay α-Al2O3, là chất nền thương mại phổ biến nhất cho đèn LED, chiếm một phần đáng kể trên thị trường đèn LED. Việc sử dụng nó đã được báo trước vì những ưu điểm độc đáo của nó, đặc biệt là trong bối cảnh tăng trưởng epiticular GaN, tạo ra các màng có mật độ lệch vị trí thấp tương đương với các màng được trồng trên chất nền cacbua silic. Quá trình sản xuất của Sapphire liên quan đến sự tăng trưởng nóng chảy, một quy trình hoàn thiện cho phép sản xuất các tinh thể đơn chất lượng cao với chi phí thấp hơn và kích thước lớn hơn, phù hợp cho ứng dụng công nghiệp. Do đó, sapphire là một trong những chất nền sớm nhất và phổ biến nhất trong ngành công nghiệp LED.

2. Cacbua silic:Cacbua silic (SiC) là vật liệu bán dẫn thế hệ thứ tư, đứng thứ hai về thị phần đối với chất nền LED, sau sapphire. SiC được đặc trưng bởi các dạng tinh thể đa dạng, chủ yếu được phân thành ba loại: hình khối (3C-SiC), hình lục giác (4H-SiC) và hình thoi (15R-SiC). Phần lớn tinh thể SiC là 3C, 4H và 6H, trong đó loại 4H và 6H-SiC được sử dụng làm chất nền cho các thiết bị GaN.

Cacbua silic là một lựa chọn tuyệt vời làm chất nền LED. Tuy nhiên, việc sản xuất các tinh thể đơn SiC có kích thước lớn, chất lượng cao vẫn còn nhiều thách thức và cấu trúc phân lớp của vật liệu khiến nó dễ bị phân tách, ảnh hưởng đến tính toàn vẹn cơ học của nó, có khả năng gây ra các khuyết tật bề mặt ảnh hưởng đến chất lượng lớp epiticular. Giá thành của chất nền SiC đơn tinh thể gấp khoảng vài lần so với chất nền sapphire có cùng kích thước, hạn chế ứng dụng rộng rãi của nó do giá cao.

Semicorex  850V Tấm wafer GaN-on-Si Epi công suất cao

3. Silicon đơn tinh thể:Silicon, là vật liệu bán dẫn được sử dụng rộng rãi và được thiết lập trong công nghiệp, cung cấp nền tảng vững chắc cho việc sản xuất chất nền epiticular GaN. Sự sẵn có của các kỹ thuật tăng trưởng silicon đơn tinh thể tiên tiến đảm bảo sản xuất quy mô lớn, hiệu quả về chi phí các chất nền 6 đến 12 inch chất lượng cao. Điều này làm giảm đáng kể chi phí của đèn LED và mở đường cho việc tích hợp chip LED và mạch tích hợp thông qua việc sử dụng chất nền silicon đơn tinh thể, thúc đẩy những tiến bộ trong công nghệ thu nhỏ. Hơn nữa, so với sapphire, hiện là chất nền LED phổ biến nhất, các thiết bị dựa trên silicon mang lại lợi thế về tính dẫn nhiệt, tính dẫn điện, khả năng chế tạo các cấu trúc thẳng đứng và phù hợp hơn cho việc chế tạo đèn LED công suất cao.**