¿Por qué no crece la epitaxia de nitruro de glio (GaN) en un sustrato de GaN?

El crecimiento deepitaxia de GaNsobre sustrato de GaN presenta un desafío único, a pesar de las propiedades superiores del material en comparación con el silicio.epitaxia de GaNOfrece ventajas significativas en términos de ancho de banda prohibida, conductividad térmica y campo eléctrico de ruptura sobre los materiales a base de silicio. Esto hace que la adopción de GaN como columna vertebral de la tercera generación de semiconductores, que proporcionan una refrigeración mejorada, una menor pérdida de conducción y un rendimiento mejorado a altas temperaturas y frecuencias, sea un avance prometedor y crucial para las industrias fotónica y microelectrónica.

GaN, como material semiconductor primario de tercera generación, brilla especialmente debido a su amplia aplicabilidad y ha sido considerado como uno de los materiales más importantes después del silicio. Los dispositivos de potencia GaN demuestran características superiores en comparación con los dispositivos actuales basados ​​en silicio, como una mayor intensidad de campo eléctrico crítico, menor resistencia de encendido y frecuencias de conmutación más rápidas, lo que conduce a una mejor eficiencia y rendimiento del sistema bajo altas temperaturas operativas.

En la cadena de valor de los semiconductores GaN, que incluye sustrato,epitaxia de GaNEn el diseño y fabricación del dispositivo, el sustrato sirve como componente fundamental. GaN es naturalmente el material más adecuado para servir como sustrato sobre el queepitaxia de GaNSe cultiva debido a su compatibilidad intrínseca con un proceso de crecimiento homogéneo. Esto asegura un grado mínimo de tensión debido a las disparidades en las propiedades del material, lo que resulta en la generación de capas epitaxiales de calidad superior en comparación con las cultivadas en sustratos heterogéneos. Al utilizar GaN como sustrato, se puede producir epistemología de GaN de alta calidad, con una densidad de defectos internamente reducida en un factor de mil en comparación con sustratos como el zafiro. Esto contribuye a una reducción significativa en la temperatura de unión de los LED y permite aumentar diez veces los lúmenes por unidad de área.

Sin embargo, el sustrato convencional de los dispositivos de GaN no son monocristales de GaN debido a la dificultad asociada con su crecimiento. El avance en el crecimiento del monocristal de GaN ha progresado significativamente más lento que en los materiales semiconductores convencionales. El desafío radica en el cultivo de cristales de GaN que sean alargados y rentables. La primera síntesis de GaN se produjo en 1932, utilizando amoníaco y galio metálico puro para hacer crecer el material. Desde entonces, se han llevado a cabo extensas investigaciones sobre materiales monocristalinos de GaN, pero aún persisten desafíos. La incapacidad del GaN para fundirse bajo presión normal, su descomposición en Ga y nitrógeno (N2) a temperaturas elevadas y su presión de descompresión que alcanza los 6 gigapascales (GPa) en su punto de fusión de 2.300 grados Celsius dificultan que los equipos de crecimiento existentes se adapten al síntesis de monocristales de GaN a presiones tan altas. Los métodos tradicionales de crecimiento en estado fundido no se pueden emplear para el crecimiento de monocristales de GaN, por lo que es necesario el uso de sustratos heterogéneos para la epitaxia. En el estado actual de los dispositivos basados ​​en GaN, el crecimiento generalmente se realiza sobre sustratos como silicio, carburo de silicio y zafiro, en lugar de utilizar un sustrato de GaN homogéneo, lo que obstaculiza el desarrollo de dispositivos epitaxiales de GaN y dificulta las aplicaciones que requieren un sustrato homogéneo. dispositivo crecido.

En la epitaxia de GaN se emplean varios tipos de sustratos:

1. Zafiro:El zafiro, o α-Al2O3, es el sustrato comercial más extendido para LED y captura una parte importante del mercado de LED. Su uso fue anunciado por sus ventajas únicas, particularmente en el contexto del crecimiento epitaxial de GaN, que produce películas con una densidad de dislocación igualmente baja que las cultivadas sobre sustratos de carburo de silicio. La fabricación de zafiro implica crecimiento en estado fundido, un proceso maduro que permite la producción de monocristales de alta calidad a costos más bajos y tamaños más grandes, adecuados para aplicaciones industriales. Como resultado, el zafiro es uno de los primeros y más frecuentes sustratos en la industria LED.

2. Carburo de silicio:El carburo de silicio (SiC) es un material semiconductor de cuarta generación que ocupa el segundo lugar en cuota de mercado de sustratos LED, después del zafiro. El SiC se caracteriza por sus diversas formas cristalinas, clasificadas principalmente en tres categorías: cúbica (3C-SiC), hexagonal (4H-SiC) y romboédrica (15R-SiC). La mayoría de los cristales de SiC son 3C, 4H y 6H, y los tipos 4H y 6H-SiC se utilizan como sustratos para dispositivos de GaN.

El carburo de silicio es una excelente opción como sustrato para LED. Sin embargo, la producción de monocristales de SiC de tamaño considerable y alta calidad sigue siendo un desafío, y la estructura en capas del material lo hace propenso a la escisión, lo que afecta su integridad mecánica, introduciendo potencialmente defectos superficiales que afectan la calidad de la capa epitaxial. El costo de un sustrato de SiC monocristalino es aproximadamente varias veces mayor que el de un sustrato de zafiro del mismo tamaño, lo que limita su aplicación generalizada debido a su precio superior.

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3. Silicio monocristalino:El silicio, al ser el material semiconductor más utilizado y establecido industrialmente, proporciona una base sólida para la producción de sustratos epitaxiales de GaN. La disponibilidad de técnicas avanzadas de crecimiento de silicio monocristalino garantiza una producción rentable y a gran escala de sustratos de alta calidad de 6 a 12 pulgadas. Esto reduce significativamente el costo de los LED y allana el camino para la integración de chips LED y circuitos integrados mediante el uso de sustratos de silicio monocristalino, lo que impulsa avances en la miniaturización. Además, en comparación con el zafiro, que actualmente es el sustrato LED más común, los dispositivos basados ​​en silicio ofrecen ventajas en términos de conductividad térmica, conductividad eléctrica, capacidad para fabricar estructuras verticales y mejor ajuste para la fabricación de LED de alta potencia.**