Pourquoi l’épitaxie du nitrure de glilium (GaN) ne se développe-t-elle pas sur un substrat GaN ?

La croissance deÉpitaxie GaNsur un substrat GaN présente un défi unique, malgré les propriétés supérieures du matériau par rapport au silicium.Épitaxie GaNoffre des avantages significatifs en termes de largeur de bande interdite, de conductivité thermique et de champ électrique de claquage par rapport aux matériaux à base de silicium. Cela fait de l'adoption du GaN comme épine dorsale de la troisième génération de semi-conducteurs, qui assurent un refroidissement amélioré, une perte de conduction plus faible et des performances améliorées à des températures et des fréquences élevées, une avancée prometteuse et cruciale pour les industries photonique et microélectronique.

Le GaN, en tant que matériau semi-conducteur principal de troisième génération, brille particulièrement par sa large applicabilité et a été considéré comme l'un des matériaux les plus importants après le silicium. Les dispositifs d'alimentation GaN présentent des caractéristiques supérieures par rapport aux dispositifs actuels à base de silicium, telles qu'une intensité de champ électrique critique plus élevée, une résistance à l'état passant plus faible et des fréquences de commutation plus rapides, conduisant à une efficacité et des performances améliorées du système sous des températures de fonctionnement élevées.

Dans la chaîne de valeur des semi-conducteurs GaN, qui comprend le substrat,Épitaxie GaN, la conception et la fabrication des appareils, le substrat sert de composant fondamental. Le GaN est naturellement le matériau le plus approprié pour servir de substrat sur lequelÉpitaxie GaNest cultivé en raison de sa compatibilité intrinsèque avec un processus de croissance homogène. Cela garantit un degré minimal de contrainte dû aux disparités dans les propriétés des matériaux, ce qui entraîne la génération de couches épitaxiales de qualité supérieure par rapport à celles cultivées sur des substrats hétérogènes. En utilisant GaN comme substrat, une épistémologie GaN de haute qualité peut être produite, avec une densité de défauts réduite en interne d'un facteur mille par rapport à des substrats comme le saphir. Cela contribue à une réduction significative de la température de jonction des LED et permet de décupler le nombre de lumens par unité de surface.

Cependant, le substrat conventionnel des dispositifs GaN n'est pas constitué de monocristaux de GaN en raison de la difficulté liée à leur croissance. Les progrès dans la croissance des monocristaux de GaN ont progressé beaucoup plus lentement que dans les matériaux semi-conducteurs conventionnels. Le défi réside dans la culture de cristaux de GaN allongés et rentables. La première synthèse de GaN a eu lieu en 1932, en utilisant de l'ammoniac et du gallium métallique pur pour faire croître le matériau. Depuis lors, des recherches approfondies ont été menées sur les matériaux monocristallins GaN, mais des défis demeurent. L'incapacité du GaN à fondre sous pression normale, sa décomposition en Ga et azote (N2) à des températures élevées et sa pression de décompression qui atteint 6 gigapascal (GPa) à son point de fusion de 2 300 degrés Celsius rendent difficile pour les équipements de croissance existants de s'adapter à la pression normale. synthèse de monocristaux de GaN à des pressions aussi élevées. Les méthodes traditionnelles de croissance en fusion ne peuvent pas être utilisées pour la croissance de monocristaux de GaN, ce qui nécessite l'utilisation de substrats hétérogènes pour l'épitaxie. Dans l'état actuel des dispositifs à base de GaN, la croissance est généralement réalisée sur des substrats tels que le silicium, le carbure de silicium et le saphir, plutôt que d'utiliser un substrat GaN homogène, ce qui entrave le développement de dispositifs épitaxiaux GaN et les applications qui nécessitent un substrat homogène. appareil développé.

Plusieurs types de substrats sont utilisés en épitaxie GaN :

1. Saphir:Le saphir, ou α-Al2O3, est le substrat commercial le plus répandu pour les LED, capturant une part importante du marché des LED. Son utilisation a été saluée pour ses avantages uniques, en particulier dans le contexte de la croissance épitaxiale GaN, qui produit des films avec une densité de dislocation aussi faible que ceux cultivés sur des substrats en carbure de silicium. La fabrication du saphir implique une croissance en fusion, un processus mature qui permet la production de monocristaux de haute qualité à moindre coût et de plus grandes tailles, adaptés à une application industrielle. En conséquence, le saphir est l’un des substrats les plus anciens et les plus répandus dans l’industrie des LED.

2. Carbure de silicium :Le carbure de silicium (SiC) est un matériau semi-conducteur de quatrième génération qui occupe la deuxième place en termes de part de marché pour les substrats LED, après le saphir. Le SiC se caractérise par ses diverses formes cristallines, principalement classées en trois catégories : cubique (3C-SiC), hexagonale (4H-SiC) et rhomboédrique (15R-SiC). La majorité des cristaux de SiC sont des cristaux de 3C, 4H et 6H, les types 4H et 6H-SiC étant utilisés comme substrats pour les dispositifs GaN.

Le carbure de silicium est un excellent choix comme substrat pour LED. Néanmoins, la production de monocristaux de SiC de grande taille et de haute qualité reste un défi, et la structure en couches du matériau le rend sujet au clivage, ce qui affecte son intégrité mécanique, introduisant potentiellement des défauts de surface ayant un impact sur la qualité de la couche épitaxiale. Le coût d'un substrat SiC monocristallin est environ plusieurs fois supérieur à celui d'un substrat saphir de même taille, ce qui limite son application généralisée en raison de son prix élevé.

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3. Silicium monocristallin :Le silicium, étant le matériau semi-conducteur le plus largement utilisé et le plus établi industriellement, constitue une base solide pour la production de substrats épitaxiaux GaN. La disponibilité de techniques avancées de croissance du silicium monocristallin garantit une production rentable et à grande échelle de substrats de haute qualité de 6 à 12 pouces. Cela réduit considérablement le coût des LED et ouvre la voie à l’intégration de puces LED et de circuits intégrés grâce à l’utilisation de substrats de silicium monocristallin, favorisant ainsi les progrès en matière de miniaturisation. De plus, par rapport au saphir, qui est actuellement le substrat de LED le plus courant, les dispositifs à base de silicium offrent des avantages en termes de conductivité thermique, de conductivité électrique, de capacité à fabriquer des structures verticales et une meilleure adaptation à la fabrication de LED haute puissance.**