Mengapa Epitaksi Gllium Nitrida (GaN) Tidak Tumbuh pada substrat GaN?

Pertumbuhanepitaksi GaNpada substrat GaN menghadirkan tantangan unik, meskipun sifat materialnya lebih unggul jika dibandingkan dengan silikon.epitaksi GaNmenawarkan keunggulan signifikan dalam hal lebar celah pita, konduktivitas termal, dan kerusakan medan listrik dibandingkan bahan berbasis silikon. Hal ini menjadikan penerapan GaN sebagai tulang punggung semikonduktor generasi ketiga, yang memberikan peningkatan pendinginan, penurunan kehilangan konduksi, dan peningkatan kinerja pada suhu dan frekuensi tinggi, merupakan kemajuan yang menjanjikan dan penting bagi industri fotonik dan mikro-elektronik.

GaN, sebagai bahan semikonduktor generasi ketiga yang utama, sangat menonjol karena penerapannya yang luas dan telah dianggap sebagai salah satu bahan terpenting setelah silikon. Perangkat daya GaN menunjukkan karakteristik yang unggul dibandingkan perangkat berbasis silikon saat ini, seperti kekuatan medan listrik kritis yang lebih tinggi, resistansi yang lebih rendah, dan frekuensi peralihan yang lebih cepat, sehingga menghasilkan peningkatan efisiensi dan kinerja sistem pada suhu operasional yang tinggi.

Dalam rantai nilai semikonduktor GaN, yang meliputi substrat,epitaksi GaN, desain perangkat, dan manufaktur, substrat berfungsi sebagai komponen dasar. GaN secara alami merupakan bahan yang paling cocok untuk dijadikan substratepitaksi GaNditanam karena kompatibilitas intrinsiknya dengan proses pertumbuhan yang homogen. Hal ini memastikan tingkat tekanan minimal karena perbedaan sifat material, sehingga menghasilkan lapisan epitaksial dengan kualitas unggul dibandingkan dengan lapisan yang tumbuh pada substrat heterogen. Dengan menggunakan GaN sebagai substrat, epistemologi GaN berkualitas tinggi dapat dihasilkan, dengan kepadatan cacat internal berkurang sebanyak seribu kali dibandingkan dengan substrat seperti safir. Hal ini berkontribusi terhadap penurunan suhu sambungan LED secara signifikan dan memungkinkan peningkatan sepuluh kali lipat dalam lumen per satuan luas.

Namun, substrat konvensional perangkat GaN bukanlah kristal tunggal GaN karena kesulitan yang terkait dengan pertumbuhannya. Kemajuan dalam pertumbuhan kristal tunggal GaN mengalami kemajuan yang jauh lebih lambat dibandingkan bahan semikonduktor konvensional. Tantangannya terletak pada budidaya kristal GaN yang memanjang dan hemat biaya. Sintesis GaN pertama terjadi pada tahun 1932, menggunakan amonia dan logam galium murni untuk menumbuhkan material. Sejak itu, penelitian ekstensif telah dilakukan pada bahan kristal tunggal GaN, namun tantangan tetap ada. Ketidakmampuan GaN untuk meleleh pada tekanan normal, penguraiannya menjadi Ga dan nitrogen (N2) pada suhu tinggi, dan tekanan dekompresi yang mencapai 6 gigapascal (GPa) pada titik leleh 2.300 derajat Celcius menyulitkan peralatan pertumbuhan yang ada untuk mengakomodasi sintesis kristal tunggal GaN pada tekanan tinggi. Metode pertumbuhan lelehan tradisional tidak dapat digunakan untuk pertumbuhan kristal tunggal GaN, sehingga memerlukan penggunaan substrat heterogen untuk epitaksi. Dalam kondisi perangkat berbasis GaN saat ini, pertumbuhan biasanya dilakukan pada substrat seperti silikon, silikon karbida, dan safir, dibandingkan menggunakan substrat GaN yang homogen, sehingga menghambat pengembangan perangkat epitaksi GaN dan menghambat aplikasi yang memerlukan substrat homogen. perangkat yang berkembang.

Beberapa jenis substrat digunakan dalam epitaksi GaN:

1. Safir:Safir, atau α-Al2O3, adalah substrat komersial yang paling banyak digunakan untuk LED, dan menguasai sebagian besar pasar LED. Penggunaannya digembar-gemborkan karena keunggulannya yang unik, khususnya dalam konteks pertumbuhan epitaksi GaN, yang menghasilkan film dengan kepadatan dislokasi yang sama rendahnya dengan film yang ditumbuhkan pada substrat silikon karbida. Manufaktur batu safir melibatkan pertumbuhan lelehan, sebuah proses matang yang memungkinkan produksi kristal tunggal berkualitas tinggi dengan biaya lebih rendah dan ukuran lebih besar, cocok untuk aplikasi industri. Hasilnya, safir adalah salah satu substrat paling awal dan paling umum di industri LED.

2. Silikon Karbida:Silicon carbide (SiC) adalah material semikonduktor generasi keempat yang menduduki peringkat kedua dalam pangsa pasar substrat LED, setelah safir. SiC dicirikan oleh beragam bentuk kristal, terutama diklasifikasikan ke dalam tiga kategori: kubik (3C-SiC), heksagonal (4H-SiC), dan rhombohedral (15R-SiC). Mayoritas kristal SiC adalah 3C, 4H, dan 6H, dengan tipe 4H dan 6H-SiC digunakan sebagai substrat untuk perangkat GaN.

Silikon karbida adalah pilihan yang sangat baik sebagai substrat LED. Namun demikian, produksi kristal tunggal SiC berkualitas tinggi dan berukuran besar masih merupakan tantangan, dan struktur berlapis material membuatnya rentan terhadap pembelahan, yang memengaruhi integritas mekanisnya, dan berpotensi menimbulkan cacat permukaan yang berdampak pada kualitas lapisan epitaksial. Biaya substrat SiC kristal tunggal kira-kira beberapa kali lipat dari biaya substrat safir dengan ukuran yang sama, sehingga membatasi penerapannya secara luas karena harganya yang premium.

Wafer Epi GaN-on-Si Daya Tinggi Semicorex 850V

3. Silikon Kristal Tunggal:Silikon, sebagai bahan semikonduktor yang paling banyak digunakan dan mapan di industri, memberikan dasar yang kuat untuk produksi substrat epitaksi GaN. Ketersediaan teknik pertumbuhan silikon kristal tunggal yang canggih memastikan produksi substrat berukuran 6 hingga 12 inci berkualitas tinggi yang hemat biaya dan berskala besar. Hal ini secara signifikan mengurangi biaya LED dan membuka jalan bagi integrasi chip LED dan sirkuit terpadu melalui penggunaan substrat silikon kristal tunggal, sehingga mendorong kemajuan dalam miniaturisasi. Selain itu, dibandingkan dengan safir, yang saat ini merupakan substrat LED yang paling umum, perangkat berbasis silikon menawarkan keunggulan dalam hal konduktivitas termal, konduktivitas listrik, kemampuan untuk membuat struktur vertikal, dan lebih cocok untuk fabrikasi LED berdaya tinggi.**