Por que a epitaxia de nitreto de glium (GaN) não cresce em um substrato de GaN?

O crescimento deEpitaxia GaNno substrato GaN apresenta um desafio único, apesar das propriedades superiores do material quando comparado ao silício.Epitaxia GaNoferece vantagens significativas em termos de largura de banda, condutividade térmica e campo elétrico de ruptura em relação aos materiais à base de silício. Isto torna a adoção do GaN como espinha dorsal para a terceira geração de semicondutores, que proporcionam melhor resfriamento, menor perda de condução e melhor desempenho sob altas temperaturas e frequências, um avanço promissor e crucial para as indústrias fotônica e microeletrônica.

GaN, como material semicondutor primário de terceira geração, brilha especialmente devido à sua ampla aplicabilidade e tem sido considerado um dos materiais mais importantes depois do silício. Os dispositivos de energia GaN demonstram características superiores em comparação aos dispositivos atuais baseados em silício, como maior intensidade de campo elétrico crítico, menor resistência e frequências de comutação mais rápidas, levando a melhor eficiência e desempenho do sistema sob altas temperaturas operacionais.

Na cadeia de valor dos semicondutores GaN, que inclui substrato,Epitaxia GaN, projeto e fabricação do dispositivo, o substrato serve como componente fundamental. GaN é naturalmente o material mais adequado para servir como substrato no qualEpitaxia GaNé cultivado devido à sua compatibilidade intrínseca com um processo de crescimento homogêneo. Isto garante um grau mínimo de tensão devido às disparidades nas propriedades dos materiais, resultando na geração de camadas epitaxiais de qualidade superior em comparação com aquelas cultivadas em substratos heterogêneos. Ao usar GaN como substrato, pode-se produzir epistemologia de GaN de alta qualidade, com densidade de defeitos internamente reduzida por um fator de mil em comparação com substratos como safira. Isto contribui para uma redução significativa na temperatura de junção dos LEDs e permite um aumento de dez vezes nos lúmens por unidade de área.

No entanto, o substrato convencional dos dispositivos de GaN não são monocristais de GaN devido à dificuldade associada ao seu crescimento. O avanço no crescimento do cristal único GaN progrediu significativamente mais lentamente do que nos materiais semicondutores convencionais. O desafio está no cultivo de cristais de GaN que sejam alongados e econômicos. A primeira síntese de GaN ocorreu em 1932, utilizando amônia e um metal puro gálio para fazer crescer o material. Desde então, extensas pesquisas foram realizadas em materiais monocristalinos de GaN, mas os desafios permanecem. A incapacidade do GaN de derreter sob pressão normal, sua decomposição em Ga e nitrogênio (N2) em temperaturas elevadas e sua pressão de descompressão que atinge 6 gigapascal (GPa) em seu ponto de fusão de 2.300 graus Celsius tornam difícil para os equipamentos de crescimento existentes acomodarem o síntese de monocristais de GaN em pressões tão altas. Os métodos tradicionais de crescimento por fusão não podem ser empregados para o crescimento de cristais únicos de GaN, necessitando assim do uso de substratos heterogêneos para epitaxia. No estado atual dos dispositivos baseados em GaN, o crescimento é normalmente realizado em substratos como silício, carboneto de silício e safira, em vez de usar um substrato homogêneo de GaN, dificultando o desenvolvimento de dispositivos epitaxiais de GaN e dificultando aplicações que exigem um substrato homogêneo. dispositivo crescido.

Vários tipos de substratos são empregados na epitaxia de GaN:

1. Safira:Safira, ou α-Al2O3, é o substrato comercial mais difundido para LEDs, capturando uma fatia significativa do mercado de LED. Seu uso foi aclamado por suas vantagens únicas, principalmente no contexto do crescimento epitaxial de GaN, que produz filmes com densidade de deslocamento igualmente baixa como aqueles cultivados em substratos de carboneto de silício. A fabricação da Sapphire envolve o crescimento por fusão, um processo maduro que permite a produção de monocristais de alta qualidade a custos mais baixos e tamanhos maiores, adequados para aplicação industrial. Como resultado, a safira é um dos substratos mais antigos e predominantes na indústria de LED.

2. Carboneto de Silício:O carboneto de silício (SiC) é um material semicondutor de quarta geração que ocupa o segundo lugar em participação de mercado em substratos de LED, atrás da safira. O SiC é caracterizado por suas diversas formas cristalinas, classificadas principalmente em três categorias: cúbica (3C-SiC), hexagonal (4H-SiC) e romboédrica (15R-SiC). A maioria dos cristais de SiC são 3C, 4H e 6H, com os tipos 4H e 6H-SiC sendo utilizados como substratos para dispositivos GaN.

O carboneto de silício é uma excelente escolha como substrato de LED. No entanto, a produção de monocristais de SiC de tamanho considerável e de alta qualidade continua a ser um desafio, e a estrutura em camadas do material torna-o propenso à clivagem, o que afecta a sua integridade mecânica, potencialmente introduzindo defeitos superficiais que afectam a qualidade da camada epitaxial. O custo de um substrato de SiC de cristal único é aproximadamente várias vezes maior que o de um substrato de safira do mesmo tamanho, limitando sua ampla aplicação devido ao seu preço premium.

Semicorex  850V Epi Wafer GaN-on-Si de alta potência

3. Silício de cristal único:O silício, sendo o material semicondutor mais amplamente utilizado e estabelecido industrialmente, fornece uma base sólida para a produção de substratos epitaxiais de GaN. A disponibilidade de técnicas avançadas de crescimento de silício de cristal único garante uma produção econômica e em grande escala de substratos de alta qualidade de 6 a 12 polegadas. Isto reduz significativamente o custo dos LEDs e abre caminho para a integração de chips de LED e circuitos integrados através do uso de substratos de silício de cristal único, impulsionando avanços na miniaturização. Além disso, em comparação com a safira, que é atualmente o substrato de LED mais comum, os dispositivos à base de silício oferecem vantagens em termos de condutividade térmica, condutividade elétrica, capacidade de fabricar estruturas verticais e melhor adaptação à fabricação de LED de alta potência.**