لماذا لا تنمو طبقة نيتريد الغليوم (GaN) على ركيزة GaN؟

نمورعشة الجاليومعلى ركيزة GaN يمثل تحديًا فريدًا، على الرغم من الخصائص المتفوقة للمادة عند مقارنتها بالسيليكون.رعشة الجاليوميوفر مزايا كبيرة من حيث عرض فجوة النطاق، والتوصيل الحراري، والمجال الكهربائي للانهيار على المواد القائمة على السيليكون. وهذا يجعل اعتماد GaN بمثابة العمود الفقري للجيل الثالث من أشباه الموصلات، والذي يوفر تبريدًا معززًا، وفقدان توصيل أقل، وتحسين الأداء في ظل درجات الحرارة والترددات المرتفعة، وهو تقدم واعد وحاسم للصناعات الضوئية والإلكترونية الدقيقة.

GaN، باعتبارها مادة أشباه الموصلات الأساسية من الجيل الثالث، تتألق بشكل خاص بسبب قابليتها للتطبيق على نطاق واسع وتعتبر واحدة من أهم المواد بعد السيليكون. تُظهر أجهزة الطاقة GaN خصائص متفوقة مقارنة بالأجهزة الحالية القائمة على السيليكون، مثل قوة المجال الكهربائي الحرجة العالية، وانخفاض المقاومة، وترددات التبديل الأسرع، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة النظام والأداء في ظل درجات حرارة التشغيل العالية.

في سلسلة قيمة أشباه الموصلات GaN، والتي تتضمن الركيزة،رعشة الجاليوموتصميم الجهاز وتصنيعه، تعمل الركيزة بمثابة المكون الأساسي. يعد GaN بطبيعة الحال المادة الأكثر ملاءمة للعمل كركيزة عليهارعشة الجاليوميزرع بسبب توافقه الجوهري مع عملية نمو متجانسة. وهذا يضمن الحد الأدنى من الضغط بسبب التباين في خصائص المواد، مما يؤدي إلى توليد طبقات الفوقي ذات الجودة العالية مقارنة بتلك المزروعة على ركائز غير متجانسة. باستخدام GaN كركيزة، يمكن إنتاج نظرية معرفية GaN عالية الجودة، مع انخفاض كثافة العيوب داخليًا بعامل ألف مقارنة بالركائز مثل الياقوت. يساهم هذا في تقليل درجة حرارة توصيل مصابيح LED بشكل كبير ويتيح تحسينًا بمقدار عشرة أضعاف في اللومن لكل وحدة مساحة.

ومع ذلك، فإن الركيزة التقليدية لأجهزة GaN ليست بلورات GaN المفردة نظرًا للصعوبة المرتبطة بنموها. لقد كان التقدم في نمو بلورة GaN الفردية أبطأ بشكل ملحوظ من مواد أشباه الموصلات التقليدية. ويكمن التحدي في زراعة بلورات GaN الممدودة والفعالة من حيث التكلفة. حدث أول تخليق لـ GaN في عام 1932، باستخدام الأمونيا والجاليوم المعدني النقي لتنمية المادة. منذ ذلك الحين، تم إجراء أبحاث مكثفة على المواد البلورية المفردة GaN، ولكن لا تزال هناك تحديات. إن عدم قدرة GaN على الذوبان تحت الضغط العادي، وتحلله إلى Ga والنيتروجين (N2) عند درجات حرارة مرتفعة، وضغط تخفيف الضغط الذي يصل إلى 6 جيجاباسكال (GPa) عند نقطة انصهاره البالغة 2300 درجة مئوية، يجعل من الصعب على معدات النمو الحالية استيعاب توليف بلورات GaN المفردة عند مثل هذه الضغوط العالية. لا يمكن استخدام طرق نمو الذوبان التقليدية لنمو بلورات GaN المفردة، مما يستلزم استخدام ركائز غير متجانسة للنمو. في الحالة الحالية للأجهزة المعتمدة على GaN، يتم إجراء النمو عادةً على ركائز مثل السيليكون وكربيد السيليكون والياقوت، بدلاً من استخدام ركيزة GaN متجانسة، مما يعيق تطوير أجهزة GaN الفوقي ويعوق التطبيقات التي تتطلب ركيزة متجانسة. جهاز نمت.

يتم استخدام عدة أنواع من الركائز في نضوج الجاليوم:

1. الياقوت:الياقوت، أو α-Al2O3، هو الركيزة التجارية الأكثر انتشارًا لمصابيح LED، حيث يستحوذ على جزء كبير من سوق LED. تم الترويج لاستخدامه لمزاياه الفريدة، لا سيما في سياق النمو الفوقي لـ GaN، والذي ينتج أفلامًا ذات كثافة خلع منخفضة بنفس القدر مثل تلك المزروعة على ركائز كربيد السيليكون. يتضمن تصنيع الياقوت نمو الذوبان، وهي عملية ناضجة تمكن من إنتاج بلورات مفردة عالية الجودة بتكاليف أقل وأحجام أكبر، ومناسبة للتطبيقات الصناعية. ونتيجة لذلك، يعد الياقوت واحدًا من أقدم الركائز وأكثرها انتشارًا في صناعة LED.

2. كربيد السيليكون:كربيد السيليكون (SiC) هو مادة شبه موصلة من الجيل الرابع وتحتل المرتبة الثانية في حصة السوق لركائز LED، بعد الياقوت. يتميز SiC بأشكاله البلورية المتنوعة، ويصنف في المقام الأول إلى ثلاث فئات: مكعب (3C-SiC)، سداسي (4H-SiC)، ومعيني الشكل (15R-SiC). غالبية بلورات SiC هي 3C و4H و6H، مع استخدام أنواع 4H و6H-SiC كركائز لأجهزة GaN.

يعد كربيد السيليكون خيارًا ممتازًا كركيزة LED. ومع ذلك، فإن إنتاج بلورات مفردة كبيرة الحجم وعالية الجودة من SiC لا يزال يمثل تحديًا، كما أن البنية الطبقية للمادة تجعلها عرضة للانقسام، مما يؤثر على سلامتها الميكانيكية، مما قد يؤدي إلى ظهور عيوب سطحية تؤثر على جودة الطبقة الفوقية. تبلغ تكلفة الركيزة البلورية المفردة من SiC حوالي عدة أضعاف تكلفة الركيزة الياقوتية من نفس الحجم، مما يحد من تطبيقها على نطاق واسع بسبب أسعارها المتميزة.

Semicorex  850V رقاقة GaN-on-Si Epi عالية الطاقة

3. سيليكون كريستال واحد:يوفر السيليكون، باعتباره مادة أشباه الموصلات الأكثر استخدامًا وصناعيًا، أساسًا متينًا لإنتاج ركائز GaN الفوقي. إن توفر تقنيات نمو السيليكون أحادية البلورة المتقدمة يضمن إنتاجًا فعالاً من حيث التكلفة وواسع النطاق للركائز عالية الجودة من 6 إلى 12 بوصة. وهذا يقلل بشكل كبير من تكلفة مصابيح LED ويمهد الطريق لدمج شرائح LED والدوائر المتكاملة من خلال استخدام ركائز السيليكون البلورية الواحدة، مما يؤدي إلى التقدم في مجال التصغير. علاوة على ذلك، بالمقارنة مع الياقوت، الذي يعد حاليًا الركيزة الأكثر شيوعًا لـ LED، فإن الأجهزة المعتمدة على السيليكون توفر مزايا من حيث التوصيل الحراري، والتوصيل الكهربائي، والقدرة على تصنيع الهياكل الرأسية، وملاءمة أفضل لتصنيع LED عالي الطاقة.**