Нитрид галлия

Навстречу бездефектным кристаллам

european flag Проект по ранней диагностике качества кристаллов нитрида галлия поддержан грантом Европейского Союза “Horizon 2020″ № 101033102.

Что такое нитрид галлия (GaN)?

Кристаллы нитрида галлия с примесью индия (In) и алюминия (Al) активно используются в оптоэлектронике, к примеру, в светодиодах высокой яркости (LED) и лазерных диодах. Благодаря ему, светодиоды излучают в широком спектре: от глубокого ультрафиолета (DUV), через весь видимый спектр до ближнего инфракрасного диапазона – см рисунок ниже.1, 2, 3 Во время пандемии 2020-2021 DUV светодиоды на основе AlGaN продемонстрировали высокую эффективность в стерилизационных лампах для разрушения SARS-CoV-2.4

Кроме того, благодаря широкой запрещённой зоне, а также высоким значениям скорости электронов, напряженности поля пробоя и теплопроводности, GaN привлекателен для высокочастотной и высокомощной электроники,5 в частности зарядных устройств для телефонов 5G.6

Добавим к этому что
транзисторы из нитрида галлия могут сохранять работоспособность при более высоких температурах и напряжениях, чем транзисторы из арсенида галлия, что делает этот материал всё более привлекательным при создании усилителей мощности СВЧ.

Все эти устройства станут намного дешевле и эффективнее в случае массового производства кристаллов GaN с минимальной дефектностью.

Зависимость энергии запрещенной зоны от параметра решетки для кристаллов элементов III группы при комнатной температуре (E. F. Schubert, Light-Emitting Diodes. Cambridge University Press, 2006).

Выращивание кристаллов GaN

Выращиванию кристаллов GaN для подложек классическим методом препятствует высокая температура его плавления (>2200°C) и необходимость присутствия азота под высоким давлением (>6 ГПа).7
Гораздо проще выращивать GaN на подложках из другого кристалла. Однако этот метод, называемый гетероэпитаксией, дает более высокую дефектность кристаллов из-за отличий размеров кристаллических решеток и коэффициентов теплового расширения. Лишь недавно, под давлением спроса на лазерные диоды, на рынке появились подложки из нитрида галлия с размерами приемлемыми для коммерческого использования. Полноразмерные кристаллы GaN, как на рисунке ниже, в настоящее время изготавливаются тремя методами:

  • Газофазная эпитаксия (получение эпитаксиальных слоев полупроводников путём осаждения из парогазовой фазы),
  • Рост из натриевого раствора (Na-flux),
  • Аммонотермальный рост (Ammonothermal growth).

Эти методы требуют значительно более низких давлений и температур, чем классический метод, упомянутый в начале этого параграфа. Сейчас усилия технологов направлены на получение с помощью этих методов GaN подложек диаметром >50 мм, и как можно меньшей дефектностью.8 В настоящее время (начало 2021 года) наименьшая плотность дефектов составляет ~10²/см².


Слева: 25-миллиметровый кристалл нитрида галлия, полученный методом газофазной эпитаксии. Справа: Полированная 50-миллиметровая подложка из нитрида галлия, произведенная аммонотермическим методом. (Фотографии любезно предоставлены T. Sochacki, Институт физики высокого давления Польской Академии Наук). 

Коммерческое применение

С момента появления первого GaN устройства в 1993 году рынок нитрида галлия непрерывно растет. Несколько лет назад Европейская Комиссия признала этот материал ключевым для конкурентоспособности европейской промышленности и создания рабочих мест в Европе.

Из двух основных областей применения GaN в настоящее время (начало 2021 года) обе демонстрируют рост:

1. Спрос со стороны силовой электроники быстро растет из-за применения GaN в устройствах быстрой зарядки мобильных телефонов. Это диктуется приходящим стандартом 5G, который требует ускоренной зарядки в сочетании с повышением ёмкости батарей. В начале 2020 года производители выбрали GaN для производства зарядных устройств своих флагманских телефонов, поскольку там требуются высокая плотность мощности, высокая эффективность и малый форм-фактор.

2. Объем рынка радиочастотного применения нитрида галлия должен превысить 2 миллиарда долларов США, согласно отчету исследовательской компании Yole Development, проведенному в мае 2020 года. К 2025 году среднегодовые темпы его роста (CAGR) составят 12%.9 Эксперты считают, что несмотря на замедление, связанное с американскими санкции в отношении компании Huawei, применение GaN в телекоммуникациях продолжит расти в долгосрочной перспективе.

В январе 2021 г. компания Fortune Business Insights10 сообщила, что спрос на устройства на нитриде галлия беспрецедентно вырос из-за вспышки COVID-19. Согласно прогнозам, мировой рынок GaN устройств в ближайшие годы будет расти со средней скоростью 4.28% в год (CAGR), увеличившись с $21,18 млрд в 2020 году до $28,40 млрд в 2027.

Навстречу бездефектным кристаллам

Одним из главных препятствий для массового применения GaN является дефектность пластин большого диаметра. Даже мельчайшие дефекты кристаллической структуры негативно влияют на яркость, мощность и срок службы электронных компонентов. Несмотря на усилия производителей GaN по борьбе с дефектами, эта проблема остается очень острой, в основном по двум причинам:

1. Процесс роста кристаллов GaN очень чувствителен и, одновременно с этим, его трудно контролировать. Даже небольшая нестабильность параметров в процессе роста (например, отклонение температуры на 1°C) может привести к формированию нитевидных дислокаций (см. рисунок ниже), пустот и трещин во время формирования кристалла.

2. Выявление дефектов происходит после трудоемкой процедуры распиловки кристалла и полировки пластин. Это означает, что дефектные зоны вначале шлифуют и полируют, наряду с остальными, и лишь затем отбраковывают. Промышленность нуждается в инструменте раннего контроля качества, который мог бы обнаруживать дефектные зоны кристаллов до начала их дорогостоящей обработки, и тем самым ее избежать.

Компания Scientific Visual работает над созданием такой системы контроля для нитрида галлия. Новости о ней будут появляться на этой странице.

Мы будем рады протестировать Ваши образцы и внедрить раннюю диагностику у Вас на производстве. Пожалуйста, свяжитесь с нами по адресу welcome@scientificvisual.ch


Часть пластины нитрида галлия после травления для выявления дефектов (С любезного разрешения  J.L. Weyher, Институт физики высокого давления Польской Академии Наук).

Ссылки
  1. Andreev BA, Kudryavtsev KE, Yablonskiy AN, Lobanov DN, Bushuykin PA, Krasilnikova LV, et al. Towards the indium nitride laser: obtaining infrared stimulated emission from planar monocrystalline InN structures. Sci Rep. 2018 Dec;8(1):9454.

  2. Ponce FA, Bour DP. Nitride-based semiconductors for blue and green light-emitting devices. Nature. 1997 Mar;386(6623):351–9.

  3. Kneissl M, Seong T-Y, Han J, Amano H. The emergence and prospects of deep-ultraviolet light-emitting diode technologies. Nat Photonics. 2019 Apr;13(4):233–44.

  4. Liu S, Luo W, Li D, Yuan Y, Tong W, Kang J, et al. Sec‐Eliminating the SARS‐CoV‐2 by AlGaN Based High Power Deep Ultraviolet Light Source. Adv Funct Mater. 2021 Feb;31(7):2008452.

  5. Baron N. Power GaN. Patent lanscape. Yole Developpement; 2019 Nov. Available from: https://www.knowmade.com/downloads/power-gan-patent-landscape/

  6. Kareta N. GaN takes over mobile device charging. Available from: https://www.power-and-beyond.com/gan-takes-over-mobile-device-charging-a-939854/

  7. Utsumi W, Saitoh H, Kaneko H, Watanuki T, Aoki K, Shimomura O. Congruent melting of gallium nitride at 6 GPa and its application to single-crystal growth. Nat Mater. 2003 Nov;2(11):735–8.

  8. Kucharski R, Sochacki T, Lucznik B, Bockowski M. Growth of bulk GaN crystals. J Appl Phys. 2020 Aug 7;128(5):050902.

  9. GaN RF Market: Applications, Players, Technology and Substrates 2020. i-Micronews.com. 2020. Available from: https://www.i-micronews.com/products/gan-rf-market-applications-players-technology-and-substrates-2020/?utm_source=PR&utm_medium=email&utm_campaign=PR_RF_GaN-MarketUpdate_YOLE_May2020

  10. Gallium Nitride (GaN) Device Market Size, Share & Forecast, 2027. Available from: https://www.fortunebusinessinsights.com/gallium-nitride-gan-devices-market-103367

Новости проекта (на английском)