窒化ガリウム (GaN) が GaN 基板上でエピタキシー成長しないのはなぜですか?

の成長GaNエピタキシーGaN 基板上での使用には、シリコンと比較した場合の材料の優れた特性にもかかわらず、独特の課題が存在します。GaNエピタキシーシリコンベースの材料と比較して、バンドギャップ幅、熱伝導率、絶縁破壊電界の点で大きな利点があります。これにより、第 3 世代の半導体のバックボーンとして GaN が採用され、冷却が強化され、伝導損失が低減され、高温および周波数下での性能が向上します。これは、フォトニクスおよびマイクロエレクトロニクス産業にとって有望かつ重要な進歩となります。

GaN は主要な第 3 世代半導体材料として、その幅広い応用性により特に注目されており、シリコンに次ぐ最も重要な材料の 1 つとみなされています。 GaNパワーデバイスは、現在のシリコンベースのデバイスと比較して、より高い臨界電界強度、より低いオン抵抗、より速いスイッチング周波数などの優れた特性を示し、高い動作温度下でのシステム効率と性能の向上につながります。

基板を含むGaN半導体のバリューチェーンでは、GaNエピタキシー、デバイスの設計、製造において、基板は基礎コンポーネントとして機能します。 GaN は当然のことながら、基板として機能するのに最も適した材料です。GaNエピタキシー均一な成長プロセスとの本質的な適合性により成長します。これにより、材料特性の違いによる応力が最小限に抑えられ、異種基板上に成長したエピタキシャル層と比較して優れた品質のエピタキシャル層が生成されます。 GaNを基板として使用することにより、サファイアのような基板と比較して内部欠陥密度が1,000分の1に減少した高品質のGaN認識論を生成することができます。これにより、LED のジャンクション温度が大幅に低下し、単位面積あたりのルーメンが 10 倍向上します。

しかし、GaN デバイスの従来の基板は、その成長に伴う困難のため、GaN 単結晶ではありません。 GaN 単結晶成長の進歩は、従来の半導体材料に比べて大幅に遅れています。課題は、長くコスト効率の高い GaN 結晶の育成にあります。 GaN の最初の合成は 1932 年に行われ、アンモニアと純粋な金属ガリウムを使用して材料を成長させました。それ以来、GaN 単結晶材料に関する広範な研究が進められてきましたが、依然として課題が残っています。 GaN は常圧では溶融できないこと、高温で Ga と窒素 (N2) に分解すること、摂氏 2,300 度の融点で 6 ギガパスカル (GPa) に達する減圧圧力により、既存の成長装置がこのような高圧での GaN 単結晶の合成。従来の溶融成長法は GaN 単結晶成長に使用できないため、エピタキシーには異種基板を使用する必要があります。 GaNベースのデバイスの現状では、成長は通常、均質なGaN基板を使用するのではなく、シリコン、炭化ケイ素、サファイアなどの基板上で実行され、GaNエピタキシャルデバイスの開発を妨げ、均質な基板を必要とするアプリケーションを妨げています。成長したデバイス。

GaN エピタキシーでは、いくつかのタイプの基板が使用されます。

1. サファイア：サファイア、または α-Al2O3 は、LED 用の最も広く市販されている基板であり、LED 市場のかなりの部分を占めています。その使用は、特に炭化ケイ素基板上で成長させた膜と同等に低い転位密度の膜を生成する GaN エピタキシャル成長の状況において、その独特の利点で注目されました。サファイアの製造には溶融成長が含まれます。これは、産業用途に適した、より低コストでより大きなサイズの高品質の単結晶の生産を可能にする成熟したプロセスです。結果として、サファイアは LED 業界で最も初期かつ最も普及している基板の 1 つです。

2. 炭化ケイ素:炭化ケイ素（SiC）は、LED基板の市場シェアでサファイアに次ぐ第2世代の半導体材料です。 SiC は多様な結晶形を特徴とし、主に立方晶 (3C-SiC)、六方晶 (4H-SiC)、菱面体晶 (15R-SiC) の 3 つのカテゴリーに分類されます。 SiC 結晶の大部分は 3C、4H、および 6H であり、4H および 6H-SiC タイプは GaN デバイスの基板として利用されています。

炭化ケイ素は LED 基板として優れた選択肢です。それにもかかわらず、高品質で大型の SiC 単結晶の製造は依然として困難であり、材料の層状構造により劈開が起こりやすく、これが機械的完全性に影響を及ぼし、エピタキシャル層の品質に影響を与える表面欠陥を導入する可能性があります。単結晶 SiC 基板のコストは、同じサイズのサファイア基板のコストの約数倍であり、その割高な価格によりその広範な用途が制限されています。

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3. 単結晶シリコン:シリコンは最も広く使用され、工業的に確立された半導体材料であり、GaN エピタキシャル基板の製造に強固な基盤を提供します。高度な単結晶シリコン成長技術の利用により、高品質の 6 ～ 12 インチ基板のコスト効率の高い大規模生産が保証されます。これにより、LED のコストが大幅に削減され、単結晶シリコン基板の使用による LED チップと集積回路の統合への道が開かれ、小型化の進歩が促進されます。さらに、現在最も一般的な LED 基板であるサファイアと比較して、シリコンベースのデバイスは、熱伝導性、電気伝導性、垂直構造の製造能力、および高出力 LED 製造への適合性の点で利点があります。**