Introductio ad Semiconductores tertia-generationis: GaN et technologiae epitaxiales cognatae

1. Tertia generatio Semiconductors

(I) Semiconductors prima-generatio

Prima-generatio semiconductoris technicae artis fundatur in materiis sicut silicon (Si) et germanium (Ge). Hae materiae fundamentum pro transistore et ambitu technologiae integrali (IC) fundaverunt, quae rursus fundamentum industriae electronicorum saeculi XX designavit.

(2) Semiconductors secundi-generationis
Materiae secundae-generationis semiconductoris principaliter includunt gallium arsenide (GaAs), indium phosphidum (InP), gallium phosphidum (GaP), indium arsenide (InAs), aluminium arsenide (AlAs), et eorum composita ternaria. Hae materiae narum industriarum notitiarum optoelectronicarum formant, quae ad progressionem illustrandam, ostentationem, laser, photovoltaicam et alias industrias pertinentes effecit. Late adhibentur in technologia notitiarum hodiernarum et industriarum optoelectronic ostentationis.

(3) Tertia-generatio semiconductors
Repraesentativae materiae tertiae semiconductoris generationis includunt gallium nitridum (GaN) et carbidam silicon (SiC). Ob amplam fasciam, satietatem electronicarum altae velocitatis summa, conductivity altae scelerisque, et camporum electricorum magnae naufragii, hae materiae sunt specimen virtutis altae densitatis, magnae frequentiae, et demissae electronicae machinae. SiC vis machinae densitatem energiae, energiae consummationem et parvam magnitudinem habent, eas aptas in vehiculis electricis, photovoltaicis, vecturae raili, et magnas notitias sectores habent. GaN RF cogitationes plumae altae frequentiae, altae potentiae, latae manus, humilis potentiae consumptio, et parvitas, quae ad communicationes 5G, interreti Rerum (IoT), et applicationes militares radar utiles sunt. Accedit, quod machinae potentiae innixae nunc in applicationibus humilibus intentionis late adhibentur. Gallium oxydatum emergentes (Ga2O3) materias potentiales etiam ostendunt ad technologias SiC et GaN complendas, praesertim in humili frequentia, applicationes altae intentionis.

Comparata materiae secundae semiconductoris, tertiae-generationis materias ampliores fasciculos possident (typicum Si fasciculum circiter 1.1 eV, GaAs circa 1.42 eV, dum GaN 2.3 eV excedit), resistentia radiorum fortiorum, altiores campi electrici naufragii effectus, et melius summus temperatus patientia. Hae notae faciunt tertiam generationem materias semiconductores maxime idoneas ad radialem repugnantiam, altum frequentiam, altum potentiam, et densitatem electronicarum machinarum electronicarum altae integrationis. Gradus significantes faciunt in Proin RF machinas, LEDs, lasers, et machinis potentiae, et spem pollicentur in communicationibus mobilibus, gridis captiosis, vecturae plenae, vehiculis electricis, electronicis consumptis, et ultraviolet et caeruleo-viridis machinis levibus[1].

Figure I: Market Size and Forecast of Gan Power Devices

2. Structura et Characteres Gan

Gallium Nitride (GaN) est bandgap directa semiconductor cum bandgap circiter 3.26 eV ad cubiculi temperaturam in structura eius wurtzitae. GaN principaliter exstat in tribus structuris crystallinis: wurtzite, zincblende et sal saxum. Structura wurtzite inter haec firmissima est.Figura 2 demonstrat hexagonalem wurtzite structuram GAN. In wurtzite structura, GaN ad hexagonalem conglobatam figuram pertinet. Quaelibet unitas cellula continet 12 atomos, inter 6 nitrogenium (N) atomos et 6 gallium (Ga) atomos. Quaelibet Ga (N) atomus coniungitur cum 4 proximis N (Ga) atomis, positis per directionem [0001] in ABABAB... formando.

Figura II: Wurtzite structura Gan Unit Cell

3. Communia Substratorum pro GAN Epitaxy

Primo aspectu, homoepitaxy in GaN subiecta videtur optimam electionem esse pro epitaxy GaN. Attamen, ob energiam vinculi altam GaN, in puncto suo liquescens (2500°C), pressionis correspondens compositionis est circiter 4.5 GPa. Infra hanc pressionem, GaN non liquescit sed protinus putrescit. Inde technicae praeparationes substratae traditionales facit, sicut methodus Czochralski, idoneam ad praeparationem unius crystalli GaN subiectae. Ergo subiecta sunt difficile ad massam producendam et pretiosae sunt. Itaque vulgo subiectae epitaxy pro GaN includuntur Si, SiC, sapphirus[3].

Figura III: Parametri Gan et Materiae Substratae Communia

(1) GaN Epitaxy on Sapphire

Sapphirus chemica stabilis est, vilis et altam maturitatis gradum in massa productione habet, eamque facit una ex primis et late materiis subiectorum in semiconductoribus machinalis machinalis. Ut commune subiectum pro epitaxy GaN, subiecta sapphiri opus est ut sequentes quaestiones cardinis compellant;

✔ Maximum cancellum Mismatch: cancellos mismatch inter sapphirum (Al2O3) et GaN significantes (circiter 15%), ducens ad densitatem alti defectus in interfacie inter stratum epitaxialem et subiectum. Ad hunc effectum adversam mitigandam, substratum ante processum epitaxialem incohatum oportet implicatum subire. Hoc includit penitus purgationem ad tollendum contaminantes et residuas expoliendum damnum, gradus et gradus superficiei structuras creando, nitridatio superficies ad proprietates epitaxialis iacuit udus mutandas, ac tandem tenuem tabulatum quiddam AlN depositum (typice 10-100 nm crassum) sequitur humilis. furnum parare —temperate ad extremum incrementum epitaxial. Quamvis haec, dislocationis densitatis in GaN membranae epitaxiales in sapphiro subiectae creverunt altae (~ 10^10 cm^-2) comparatae cum homoepitaxy in pii vel GaAs (dislocation densitas 0 ad 102—104 cm^-2). Princeps defectus densitates minuunt ferebat mobilitatem, minoritas minuit tabellarius vitas, et minuit conductivity scelerisque, quae omnia perficiendi fabrica minuunt[4].

✔ Expansio coefficiens Mismatch: Sapphirus maiorem habet scelerisque expansionem coefficiens quam GaN, unde in biaxiali compressione accentus intra epitaxialem stratum sicut refrigerat a temperatura ad locus temperatus depositionis. Ad membranam epitaxialem crassiorem, haec vis ad cinematographicam vel etiam substratam crepitum ducere potest.

✔ Pauper Conductivity Thermal: Comparatus aliis subiectis, sapphirus inferiorem conductionem scelerisque habet (~0.25 Wcm^-1K^-1 ad 100°C), quod incommodum est calori dissipationi.

Low Electrical Conductivity: Pauper conductivity electricae sapphiri impedit suam integrationem et applicationem cum aliis machinis semiconductoribus.

Quamvis summus defectus densitatis in stratis epitaxialibus GaN in sapphiro creverit, eius perficientur optica et electronic in LEDs GaN-fundatis caeruleo-viridis non significanter imminuta apparet. Sapphirus igitur subiecta manent communia pro LEDs GaN-fundatis. Tamen, ut plus machinae GaN sicut lasers et aliae densitatis potentiae altae machinas explicant, limitationes inhaerentes sapphiri subiectae magis magisque apparent.

(2) Epitaxy on Sic

Sapphiro comparati, SiC subiectae (4H- et 6H-polytyporum) minorem cancellos habent cum strati epitaxialibus GaN (3.1% secundum [0001] partem), conductivity superiores scelerisque (circiter 3.8 Wcm^-1K^-1), et electricae conductivity qui permittit ad contactos electricas posteriora, structuras fabricas simpliciores reddens. Hae commoda augent numerum investigatorum ad explorandum GaN epitaxiam de subiecta SiC. Nihilominus, incrementum directum GaN stratorum epitaxialium in SiC subiectarum etiam varias provocationes vergit;

✔ Asperitas Superficies: SiC subiecta multum habent altiorem superficiem asperitatem quam sapphirus subiecta (0.1 nm RMS pro sapphiro, 1 nm RMS pro SiC). Exaltatio duritia et pauper machinabilitas SiC huic asperitati et residua expoliendi damnum conferunt, quae sunt fontes vitiorum in stratis epitaxialibus GaN.

✔ Maximum Threading Dislocation Densitas: SiC substratum habent altam inordinationem densitatis filo (103-104 cm^-2), quae propagare potest in stratum gaN epitaxialem et degradare fabricam agendi.

✔ Pondere culpas: Ordinatio atomica in superficie subiectam positis labes (BSFs) in stratis epitaxialibus GaN inducere potest. Dispositiones atomicae multiplices in Substrato SiC ducunt ad non-uniformes initiales series atomicas positis in strato GaN, verisimilitudines positis vitiis augentes. BSFs per c-axem constructum-in campis electricis introducunt, causando tabellarius separationem et quaestiones in machinis lacus.

✔ Expansio coefficiens Mismatch scelerisque: expansio scelerisque coefficientis SiC minor est quam AlN et GaN, ducens ad conglobationem inter epitaxialem stratum et substratum in refrigerio scelestae coacervationis. Waltereit et Brand inquisitio suadet hunc exitum posse mitigari augendo stratum epitaxialem in tenui, cohaerente strato nuclei AlN coacto.

Pauperum udus Ga atomorum: Dirige incrementum GaN in superficiebus SiC difficile est propter pauperes udus Ga atomorum. GaN crescere in modum 3D insulae tendit, inducens quiddam stratis solutionis communis ad meliorem materiae epitaxialem qualitatem. AlN vel AlxGa1-xN inducentes quiddam strati udus in superficie SiC emendare possunt, 2D incrementum epitaxialis GaN promovere et agentes ad accentus et impedimentum defectus substratae in propagando in stratum GaN modulandum.

✔ High Cost and Limited Supple: SiC technicae praeparatio subiecta immatura est, ducens ad substratos sumptus magnos et limitata copia a paucis venditoribus.

Research by Torres et al. indicat pre-etching SiC subiecta cum H2 temperaturis calidis (1600°C) magis ordinatim gradatim structuras procreare, unde in membrana epitaxiali AlN qualitas superiori comparata iis quae in subditis increatis immediate crevit. Xie et turma eius etiam demonstraverunt etching praetractationem SiC subiectam insigniter meliorem morphologiam superficiem et crystallum qualitatum GaN epitaxial stratis. Smith et al. Dislocationes e stamine substrato/buffero inventas et interfaces epitaxiales interfaces substratae ad flatuitatem referuntur.

Figura 4: TEM Morphologia GaN Epitaxial Stratis Crevit in (0001) Face 6H-SiC Substratorum Sub diversis Curationibus Superficie: (a) Chemical Purgatio; (b) Chemical Purgatio + Hydrogen Plasma Treatment; © Chemical Purgatio + Hydrogenium Plasma Curatio + 1300°C Hydrogenium Scelerisque Curatio pro 30 min

(3) GaN Epitaxy on Si

SiC et sapphirus subiectae comparati, pii subiectae iactant processuum praeparationem maturam, magnae magnitudinis stabilitatem subiectam copiam, sumptus-efficaces, et optimae scelerisque ac electricae conductivity. Praeterea technologiae electronicae Pii maturae technologiae potentialem ad perfectam integrationem machinarum optoelectronic GaN cum electronicis Pii machinis perficiendam praebet, epitaxiam GaN in Pii valde amabilem reddit. Nihilominus, significantes cancellos constantes mis match inter Si subiecta et GaN materias plures provocationes praebet.

✔ Interface Energy Exitus: Cum GaN in Si subiecta creverit, Si superficies SiNx iacuit amorphos primum format, quod detrimentum nucleationis summus densitatis GaN est. Accedit, Si superficies initio cum Ga reflectit, superficiem corrosionis causans, et temperaturis calidis Si superficies compositionis in stratum GaN epitaxialem diffundi potest, maculas Pii nigras formans.

✔ cancellos Mismatch: Magnum cancellos constantis mismatch (~ 17%) inter GaN et Si eventus in summo densitate dislocationes stamineas, significanter reducens qualitatem iacuit epitaxialis.

✔ Expansio coefficiens Mismatch: GaN ampliorem expansionem coëfficientem habet quam Si (GaN ~5.6×10^-6 K^-1, Si ~2.6×10^-6 K^-1), quae rimas in GaN causare iacuit epitaxialis in refrigerio ab incrementi epitaxiali temperatus ad locus temperatus.

✔ SUMMUS Temperature Reactiones: Si reflectitur cum NH3 ad altas temperaturas, polycrystallinum Sinx formans. AlN non potest preferentialiter nucleare in Sinx polycrystallino, ducens ad incrementum GaN valde confunditur cum densitatibus altissimis defectus, cum provocans ad epitaxialem stratis unum crystallum GaN efformat[6].

Investigatores ad magnas cancellos mismatch compellare conati sunt materias introducere ut AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, et SiC ut opponunt strata in Si subiecta. Ad polycrystallinum SiNx formationem praecavendam eiusque effectus adversas in qualitatem crystallinam GaN/AlN/Si (111) introduci solet, TMAl introduci solet antequam incrementum epitaxialis AlN iacuit quiddam impedire, ne NH3 cum superficie exposita reagens. Accedit technicae artes ut subiectae ortae subiectae adhibentur ad meliorem epitaxialem tabulatum qualitatem. Hae progressiones adiuvant formationem Sinx supprimunt ad interfaciem epitaxialem, 2D incrementi GaN epitaxialis iacuit promovent et incrementum qualitatis augent. Introducens AlN quiddam stratis distrahendo compensat accentus causata differentiis in coëfficientibus expansionis scelerisque, rimas impediens in strato GaN in substratis Pii. Investigatio Krost indicat correlationem positivam inter AlN quiddam crassitudinis stratae et deminutae contentionem, permittens incrementum super 6 µm stratorum epitaxialium in substratis siliconibus sine crepitu, per opportunas technas incrementi.

Per investigationes amplas conatus, qualitas GaN epitaxialis stratis in substratis Pii crevit, signanter in melius invaluit. Agrum-effectus transistores, claustrum Schottky detectores ultravioletos, LEDs caeruleus-viridis, et lasers ultraviolaces omnes significantes progressum fecerunt.

In fine, communes GaN epitaxiales subiectae sunt omnes heteroepitaxiales, contra varios gradus cancellorum mismatch ac thermarum dilatationis differentias coefficientes. Homoepitaxialis GaN subiectae technologiae immaturae, magnae productionis impensae, parvae magnitudinis subiectae et suboptimales qualitates, novarum GaN epitaxialium substratorum evolutionem faciunt, et emendationem factorum criticorum epitaxialium qualitatis ad ulteriorem industriam promovendam.

4. Methodi Communia pro GAN Epitaxy

(1) MOCVD (Metal-organic Chemical Vapor Depositio)

Dum homoepitaxia in GaN subiectae optimae electionis esse videtur pro epitaxy GaN, Vapor Depositio chemicus metalli-organicus (MOCVD) significant commoda praebet. Trimethylgallium et ammoniacum utens praecursores, et hydrogenium ut gas ferebat, MOCVD typice operatur in incrementis temperaturae circa 1000-1100°C. Augmentum MOCVD in plurium micrometris per horae spatium est. Haec methodus potest atomice interfaces acutas producere, aptam faciens ad heterojunctiones, quantum puteos et superlatticas crescendi. Eius incrementum celeritas, excellentia uniformitas, et opportunitas pro spatioso grandi et multi- lagano incrementi congruentia, signum methodi productionis industriae reddunt.

(2) MBE (Deam Epitaxy)

In Epitaxy Molecular Trabis (MBE), fontes elementales pro gallium adhibentur, et nitrogenium activum generatur per RF plasma ex nitrogen gas. Comparatus MOCVD, MBE operatur incrementum temperaturae minus significanter, circa 350-400°C. Haec temperatura inferior vitare potest quasdam contaminationes quaestiones, quae in ambitibus summus temperatus oriri potest. MBE systemata operantur sub condicione vacuo ultra-alto, permittens ad integrationem technologiarum magnarum in situ vigilantiae. Attamen incrementum rate et capacitas productionis MBE MOCVD aequare non potest, eo aptior ad applicationes pervestigandae[7].

Figura 5: (a) Schematica de Eiko-MBE (b) Schematica MBE Reactionis Camerae principale

(3) HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy)

Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE) GaCl3 et NH3 ut praecursoribus utitur. Detchprohm et al. hac methodo usus est ad plures centum micrometers crebras stratas epitaxiales in sapphiro subiectas crescere. In suis experimentis, quiddam ZnO stratum inter substratum sapphiri et epitaxialem increvit, sino stratum epitaxialem e superficie subiectae decerpi. Comparata MOCVD et MBE, prima utilitas HVPE est alta incrementi sui, idoneus faciens ad materias densas stratis et mole producendis. Cum autem epitaxial stratum crassitudo 20μm excedit, stratae ab HVPE creverunt propensae ad rimas.

Akira USUI technologiam subiectam instrumentorum formatorum in HVPE methodi fundatam induxit. Initio, stratum tenue GaN epitaxiale, 1-1.5µm crassum, in sapphiro subiectotum MOCVD crevit. Hoc stratum ex 20nm crassitudine gravis temperaturae GaN iacuit quiddam et summus temperatus iacuit GaN. Postmodum, anno 430°C, tabulatum SiO2 in superficie epitaxiali positum est, et livores fenestrae in pellicula SiO2 per photolithographiam creatae sunt. Spatium clavum erat 7µm, inversae larvae ab 1µm ad 4μm vagabantur. Haec modificatio permisit ut in stratis epitaxialibus GaN diametro sapphiri 2 inch subiectae producerentur, quae etiam cum crassitudine ad decem vel centenis micrometris vel speculi-lenis rima manserunt. Densitas defectus redactus est a methodo tradita HVPE 109-1010 cm^-2 ad circiter 6×10^7 cm^-2. Etiam notaverunt specimen superficiei asperam factam esse cum rate incrementum 75μm/h[8] excederet. 

                                                                                                                   

                                                                                                                                     Figure VI, Schematica Patterned Substrate

5. Summarium et Outlook

Immensa mercatus postulatio haud dubie notabiles progressus in GaN relatas industrias et technologias delebit. Sicut catena industrialis pro GaN crescit et melioratur, provocationes currentes in GaN epitaxia tandem mitiganda sunt vel superanda. Progressiones futurae verisimile inducent novas artes epitaxiales et optiones subiectas superiores. Hic progressio efficiet electionem aptissimarum technologiarum epitaxialium et substratarum innixa notis diversarum applicationis missionum, ad productionem maxime auctorum, productorum nativus.**

Notae:

[1] "Operam" Semiconductor Material-Gallium Nitride (baidu.com)

[II] Tang Linjiang, Wan Chengan, Zhang Minghua, Li Ying, Research status late bandgap semiconductor materiarum Sic et GaN, Militaris et Civilian Dual-usus Technologiae et Products, March MMXX, Exitus CDXXXVII, 21-28.

[3] Wang Huan, Tian Vos, Investigatio de magna mismatch accentus temperantia methodus gallium nitride in substrata pii, Scientiae et Technologiae Innovationis et Applicationis, Part 3, 2023

[4] L.Liu, J.H.Edgar, Substrat epitaxy nitride gallium, Materialss Science and Engineering R, 37(2002) 61-127.

[5]P.Ruterana, Philippe Vermaut, G.Nouet, A.Salvador, H.Morkoc, Superficies curationis et structurae in 2H-GaN incrementi in (0001) Si superficies 6H-SiC a MBE, MRS interreti J. Nitride Semicond. Res.2 (1997)42.

[6] M.A.Sanchez-Garcia, F.B. Naranjo, J.L.Pau, A.Jimenez, E.Calleja, E.Munoz, Ultraviolacea electroluminescentia in GaN/AlGaN unica heterojunctio lucis emittens diodes crevit in Si (11), Acta Physicae applicatae 87, 1569 (2000).

[7] Xinqiang Wang, Akihiko Yoshikawa, trabes hypothetica epitaxy incrementi GaN, AlN et InN, Progressus in Crystal Incremento et Characterizatione Materiarum 48/49 (2004) 42-103.

[8] Akira Usui，Haruo Sunakawa，Akira Sakai et A. atsushi Yamaguchi, Creber GaN epitaxialis incrementum cum low dislocatione densitatis by hydridi vaporis periodi epitaxy, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. XXXVI (1997) pp.899-902.