Το υλικό ημιαγωγών τρίτης γενιάς έχει τα υλικά πλεονεκτήματα απόδοσης που δεν μπορούν να συγκριθούν με τα υλικά πυριτίου. Κρινοντας από τα χαρακτηριστικά του εύρους ζώνης, τη θερμική αγωγιμότητα, το ηλεκτρικό πεδίο διακοπής και άλλα χαρακτηριστικά που καθορίζουν την απόδοση της συσκευής, ο ημιαγωγός τρίτης γενιάς είναι καλύτερος από αυτός των υλικών πυριτίου. Επομένως, η εισαγωγή του ημιαγωγού τρίτης γενιάς μπορεί καλά να λύσει τις ανεπάρκειες των υλικών πυριτίου σήμερα και να βελτιώσει τη συσκευή. Ο διασκεδασμός θερμότητας, η απώλεια διεξαγωγής, υψηλής θερμοκρασίας, η υψηλή συχνότητα και άλλα χαρακτηριστικά είναι γνωστοί ως νέα μηχανή στις βιομηχανίες οπτικοηλεκτρονικής και μικροηλεκτρονικής.
Μεταξύ τους, GaN έχει την ευρεία εφαρμογή και θεωρείται ένα από τα σημαντικότερα υλικά ημιαγωγών μετά από το πυρίτιο. Έναντι των πυρίτιο-βασισμένων στην συσκευών ισχύος χρησιμοποιούμενων ευρέως αυτή τη στιγμή, οι συσκευές ισχύος GaN έχουν την υψηλότερη κρίσιμη ισχύ ηλεκτρικών πεδίων, τη χαμηλότερη ανοικτός-κρατική αντίσταση, και τη γρηγορότερη συχνότητα μετατροπής, οι οποίες μπορούν να επιτύχουν την υψηλότερες αποδοτικότητα και την εργασία συστημάτων στις υψηλές θερμοκρασίες.
Δυσκολίες της ομοιογενούς επιταξίας
Οι συνδέσεις της αλυσίδας βιομηχανίας ημιαγωγών GaN είναι: υλική κατασκευή συσκευών σχεδίου → συσκευών επέκτασης → υποστρωμάτων → GaN. Μεταξύ τους, το υπόστρωμα είναι το ίδρυμα της ολόκληρης βιομηχανικής αλυσίδας.
Σαν υπόστρωμα, GaN είναι φυσικά το καταλληλότερο υλικό υποστρωμάτων για την ανάπτυξη ως κρυσταλλική ταινία GaN. Η ομοιογενής κρυσταλλική αύξηση μπορεί πλήρως να λύσει το πρόβλημα του κακού συνδυασμού δικτυωτού πλέγματος και του θερμικού κακού συνδυασμού που αντιμετωπίζονται με την χρήση των ετερογενών υλικών υποστρωμάτων, να ελαχιστοποιήσουν την πίεση που προκαλείται από τις διαφορές στις ιδιότητες μεταξύ των υλικών κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αύξησης, και μπορεί να αυξηθεί ένα υψηλής ποιότητας κρυσταλλικό στρώμα GaN που δεν μπορεί να συγκριθεί με το ετερογενές υπόστρωμα. Παραδείγματος χάριν, τα υψηλής ποιότητας κρυσταλλικά φύλλα νιτριδίων γαλλίου μπορούν να αυξηθούν με το νιτρίδιο γαλλίου ως υπόστρωμα. Η εσωτερική πυκνότητα ατέλειας μπορεί να μειωθεί στο ένας-χιλιοστό του κρυσταλλικού φύλλου με το υπόστρωμα σαπφείρου, το οποίο μπορεί αποτελεσματικά να μειώσει τη θερμοκρασία συνδέσεων LEDs και να αυξήσει τη φωτεινότητα ανά περιοχή μονάδων από περισσότερες από 10 φορές.
Εντούτοις, αυτή τη στιγμή, το υλικό υποστρωμάτων που χρησιμοποιείται συνήθως στις συσκευές GaN δεν είναι ένα ενιαίο κρύσταλλο GaN. Ο κύριος λόγος είναι ότι είναι μια λέξη: Δύσκολος! Έναντι των συμβατικών υλικών ημιαγωγών, η αύξηση monocrystals GaN είναι αργή, και το κρύσταλλο είναι δύσκολο να αυξηθεί και δαπανηρό.
Το GaN συντέθηκε αρχικά το 1932, όταν συντέθηκε το νιτρίδιο γαλλίου από NH3 και το καθαρό μέταλλο GA. Από τότε, αν και έχουν υπάρξει πολλές θετικές μελέτες για τα monocrystalline υλικά νιτριδίων γαλλίου, επειδή GaN δεν μπορεί να λειώσουν στην ατμοσφαιρική πίεση, αποσυντίθεται στο GA και το Ν2 σε υψηλής θερμοκρασίας, και η πίεση αποσύνθεσης στο σημείο τήξης της (2300°C) είναι τόσο υψηλή όσο 6GPa. Είναι δύσκολο για τον τρέχοντα εξοπλισμό αύξησης αντιστέκομαι τέτοια υψηλή πίεση στο σημείο τήξης GaN. Επομένως, η παραδοσιακή μέθοδος λειωμένων μετάλλων δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αύξηση monocrystals GaN, τόσο η ετερογενής επιταξία μπορεί μόνο να επιλεχτεί σε άλλα υποστρώματα. Αυτή τη στιγμή, οι gaN-βασισμένες συσκευές είναι κυρίως βασισμένες στα ετερογενή υποστρώματα (πυρίτιο, καρβίδιο του πυριτίου, σάπφειρος, κ.λπ.), κάνοντας την ανάπτυξη των υποστρωμάτων ενιαίου κρυστάλλου GaN και των ομοιογενών κρυσταλλικών συσκευών να καθυστερήσει πίσω από την εφαρμογή των ετερογενών κρυσταλλικών συσκευών.
Διάφορα υλικά υποστρωμάτων
Σάπφειρος
Ο σάπφειρος (α-Al2O3), επίσης γνωστό ως κορούνδιο, είναι το ο εμπορικότερα χρησιμοποιημένο υλικό υποστρωμάτων των οδηγήσεων, καταλαμβάνοντας ένα μεγάλο μερίδιο της αγοράς υποστρωμάτων των οδηγήσεων. Σε πρόωρη χρήση, το υπόστρωμα σαπφείρου απεικονίζει τα μοναδικά πλεονεκτήματά του. Η ταινία GaN που αυξάνεται είναι συγκρίσιμη με την πυκνότητα εξάρθρωσης της ταινίας που αυξάνεται στο υπόστρωμα SIC, και ο σάπφειρος αυξάνεται από την τεχνολογία λειωμένων μετάλλων. Η διαδικασία είναι ωριμότερη. Μπορεί να λάβει ένα χαμηλότερο κόστος, ένα μεγαλύτερο μέγεθος και ένα υψηλής ποιότητας ενιαίο κρύσταλλο, το οποίο είναι κατάλληλο για τη βιομηχανική ανάπτυξη. Επομένως, είναι το πιό πρόωρο και ευρύτατα χρησιμοποιημένο υλικό υποστρωμάτων στη βιομηχανία των οδηγήσεων.
Καρβίδιο του πυριτίου
Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ομάδα IVIV υλικό ημιαγωγών, το οποίο είναι αυτήν την περίοδο ένα υλικό υποστρωμάτων των δεύτερων μόνο οδηγήσεων σαπφείρου στο μερίδιο αγοράς. Το SIC έχει ποικίλους τύπους κρυστάλλου, οι οποίοι μπορούν να διαιρεθούν σε τρεις κατηγορίες: κυβικός (όπως το 3C-SIC), εξαγωνικός (όπως το 4H-SIC) και διαμάντι (όπως το 15R-SIC). Τα περισσότερα κρύσταλλα είναι 3C, 4H και 6H, των οποίων 4H και το 6H-SIC χρησιμοποιούνται κυρίως ως υποστρώματα GaN.
Το καρβίδιο του πυριτίου είναι πολύ κατάλληλο για ένα υπόστρωμα των οδηγήσεων. Εντούτοις, λόγω της υψηλής ποιότητας αύξησης, το μεγάλου μεγέθους ενιαίο κρύσταλλο SIC είναι δύσκολο, και το SIC είναι μια βαλμένη σε στρώσεις δομή, η οποία είναι εύκολη στο cleate, και η απόδοση κατεργασίας είναι κακή. Είναι εύκολο να εισαχθούν οι ατέλειες βημάτων στην επιφάνεια υποστρωμάτων, η οποία έχει επιπτώσεις στην ποιότητα του κρυσταλλικού στρώματος. Η τιμή του υποστρώματος SIC του ίδιου μεγέθους είναι δεκάδες φορές αυτή του υποστρώματος σαπφείρου, και η υψηλή τιμή περιορίζει τη μεγάλης κλίμακας αίτησή της.
Monocrystalline πυρίτιο
Το υλικό πυριτίου είναι το ευρύτατα χρησιμοποιημένο και ώριμο υλικό ημιαγωγών αυτή τη στιγμή. Λόγω της υψηλής ωριμότητας της monocrystalline τεχνολογίας αύξησης πυριτίου υλικής, είναι εύκολο να ληφθεί το χαμηλού κόστους, μεγάλο μέγεθος (6-12 ίντσες) και το υψηλής ποιότητας υπόστρωμα, τα οποία μπορούν πολύ να μειώσουν το κόστος LEDs. Επιπλέον, επειδή το πυρίτιο monocrystalline έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στον τομέα της μικροηλεκτρονικής, η άμεση ολοκλήρωση των τσιπ και των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων των οδηγήσεων μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη χρησιμοποίηση του monocrystalline υποστρώματος πυριτίου, το οποίο είναι συμβάλλον στη μικρογράφηση των συσκευών των οδηγήσεων. Επιπλέον, έναντι του ευρύτατα χρησιμοποιημένου υποστρώματος των οδηγήσεων, ο σάπφειρος, monocrystalline πυρίτιο έχει μερικά πλεονεκτήματα στην απόδοση: η υψηλή θερμική αγωγιμότητα, καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, κάθετες δομές μπορεί να προετοιμαστεί, και είναι καταλληλότερη για την προετοιμασία των υψηλής ισχύος οδηγήσεων.
Περίληψη
Τα τελευταία χρόνια, η αγορά έχει υποβάλει τις αυξανόμενες απαιτήσεις για την απόδοση των συσκευών GaN, ειδικά για τις υψηλής τάσης συσκευές πυκνότητας (όπως τα λέιζερ) και τις υψηλής ισχύος και υψηλός-τάση-ανθεκτικές ηλεκτρονικές συσκευές. Παραδείγματος χάριν, η πυκνότητα εξάρθρωσης των μακράς διαρκείας υψηλής ισχύος λέιζερ δεν μπορεί να υπερβεί τη διαταγή 105cm-2. Λόγω των γνωστών ανεπαρκειών της ετερογενούς επιταξίας, ο κακός συνδυασμός δικτυωτού πλέγματος, η υψηλή πυκνότητα εξάρθρωσης που προκαλούνται όπως από τον κακό συνδυασμό συντελεστή θερμικής επέκτασης, η δομή κρυστάλλου μωσαϊκών, η διαξωνικές πίεση και η στρέβλωση γκοφρετών, η απόδοση της συσκευής περιορίζεται σημαντικά από την ποιότητα της δομής υποστρωμάτων. Προφανώς, η ιδανική λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι ακόμα μια σημαντική ανακάλυψη στην τεχνολογία προετοιμασιών του νιτριδίου γαλλίου monocrystalline.
