GaN 기판에서 질화글리륨(GaN) 에피택시가 성장하지 않는 이유는 무엇입니까?

성장GaN 에피택시GaN 기판의 경우 실리콘에 비해 재료의 우수한 특성에도 불구하고 독특한 과제를 제시합니다.GaN 에피택시실리콘 기반 소재에 비해 밴드 갭 폭, 열 전도성 및 항복 전기장 측면에서 상당한 이점을 제공합니다. 이로 인해 향상된 냉각, 낮은 전도 손실, 고온 및 주파수에서 향상된 성능을 제공하는 3세대 반도체의 백본으로 GaN을 채택하게 되었으며 이는 광자 및 마이크로 전자 산업에 있어 유망하고 중요한 발전입니다.

특히 GaN은 3세대 반도체의 핵심 소재로 활용 범위가 넓어 빛을 발하며, 실리콘 다음으로 중요한 소재 중 하나로 꼽혀왔다. GaN 전력 장치는 더 높은 임계 전계 강도, 더 낮은 온 저항, 더 빠른 스위칭 주파수 등 현재의 실리콘 기반 장치에 비해 우수한 특성을 보여 높은 작동 온도에서 시스템 효율성과 성능이 향상됩니다.

기판을 포함하는 GaN 반도체 밸류체인에서는GaN 에피택시, 장치 설계 및 제조에서 기판은 기본 구성 요소 역할을 합니다. GaN은 당연히 기판 역할을 하는 데 가장 적합한 재료입니다.GaN 에피택시균질한 성장 과정과의 본질적인 호환성으로 인해 성장됩니다. 이는 재료 특성의 차이로 인한 응력을 최소화하여 이종 기판에서 성장한 것과 비교하여 우수한 품질의 에피택셜 층을 생성합니다. GaN을 기판으로 사용하면 사파이어와 같은 기판에 비해 내부적으로 결함 밀도가 1,000분의 1로 감소하여 고품질 GaN 인식론이 생성될 수 있습니다. 이는 LED의 접합 온도를 크게 낮추는 데 기여하고 단위 면적당 루멘을 10배 향상시킵니다.

그러나 GaN 장치의 기존 기판은 성장과 관련된 어려움으로 인해 GaN 단결정이 아닙니다. GaN 단결정 성장의 발전은 기존 반도체 소재에 비해 상당히 느리게 진행되었습니다. 문제는 길고 비용 효과적인 GaN 결정을 재배하는 데 있습니다. GaN의 첫 번째 합성은 1932년에 이루어졌으며, 암모니아와 순수 금속 갈륨을 사용하여 물질을 성장시켰습니다. 그 이후로 GaN 단결정 재료에 대한 광범위한 연구가 진행되었지만 여전히 과제가 남아 있습니다. GaN은 상압에서 녹지 못하고, 온도가 높아지면 Ga와 질소(N2)로 분해되며, 녹는점 2,300도에서 6GPa에 달하는 감압압력으로 인해 기존 성장 장비가 수용하기 어렵다. 높은 압력에서 GaN 단결정을 합성하는 방법입니다. 전통적인 용융 성장 방법은 GaN 단결정 성장에 사용될 수 없으므로 에피택시를 위해 이종 기판을 사용해야 합니다. 현재 GaN 기반 소자는 균질한 GaN 기판을 사용하기보다는 실리콘, 탄화규소, 사파이어 등의 기판에서 성장이 이뤄지는 경우가 많아 GaN 에피텍셜 소자 개발에 걸림돌이 되고, 균질한 기판을 요구하는 응용에도 걸림돌이 되고 있다. 성장한 장치.

GaN 에피택시에는 여러 유형의 기판이 사용됩니다.

1. 사파이어:사파이어 또는 α-Al2O3는 가장 널리 사용되는 상업용 LED 기판으로 LED 시장의 상당 부분을 차지하고 있습니다. 그 사용은 특히 탄화 규소 기판에서 성장한 필름과 마찬가지로 낮은 전위 밀도를 갖는 필름을 생성하는 GaN 에피택셜 성장과 관련하여 독특한 이점으로 인해 예고되었습니다. 사파이어의 제조에는 산업 응용 분야에 적합한 고품질 단결정을 저렴한 비용으로 더 큰 크기로 생산할 수 있는 성숙한 공정인 용융 성장이 포함됩니다. 결과적으로 사파이어는 LED 산업에서 가장 초기이자 가장 널리 퍼진 기판 중 하나입니다.

2. 실리콘 카바이드:실리콘카바이드(SiC)는 사파이어에 이어 LED 기판 시장 점유율 2위를 차지하고 있는 4세대 반도체 소재다. SiC는 다양한 결정 형태가 특징이며, 주로 입방체(3C-SiC), 육각형(4H-SiC), 능면체(15R-SiC)의 세 가지 범주로 분류됩니다. 대부분의 SiC 결정은 3C, 4H 및 6H이며, 4H 및 6H-SiC 유형은 GaN 장치용 기판으로 활용됩니다.

실리콘 카바이드는 LED 기판으로 탁월한 선택입니다. 그럼에도 불구하고, 고품질의 크기가 큰 SiC 단결정을 생산하는 것은 여전히 ​​어려운 일이며, 재료의 층상 구조로 인해 절단이 발생하기 쉬워 기계적 완전성에 영향을 미치고 잠재적으로 에피택셜 층 품질에 영향을 미치는 표면 결함이 발생할 수 있습니다. 단결정 SiC 기판의 가격은 동일한 크기의 사파이어 기판 가격의 약 몇 배에 달하며, 프리미엄 가격으로 인해 광범위한 적용이 제한됩니다.

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3. 단결정 실리콘:가장 광범위하게 사용되고 산업적으로 확립된 반도체 재료인 실리콘은 GaN 에피택셜 기판 생산을 위한 견고한 기반을 제공합니다. 고급 단결정 실리콘 성장 기술을 사용하면 고품질 6~12인치 기판의 비용 효율적인 대규모 생산이 보장됩니다. 이는 LED 비용을 크게 절감하고 단결정 실리콘 기판을 사용하여 LED 칩과 집적 회로를 통합할 수 있는 길을 열어 소형화의 발전을 촉진합니다. 또한 현재 가장 일반적인 LED 기판인 사파이어에 비해 실리콘 기반 장치는 열 전도성, 전기 전도성, 수직 구조 제조 기능 및 고전력 LED 제조에 더 적합하다는 측면에서 이점을 제공합니다.**