なぜ深紫外 LED と GaN パワーデバイスは同じ AlN ウェーハをめぐって熾烈な競争を繰り広げているのでしょうか?

AlN 単結晶ウェーハはかなりニッチな市場セグメントを代表します。しかし、それらについて言及されるときは常に、深紫外 LED と GaN パワーデバイスという 2 つの主要なアプリケーションが思い浮かびます。興味深いことに、これら 2 種類のデバイスの動作原理とアプリケーション シナリオはまったく異なります。—1 つは発光を伴うもので、もう 1 つはスイッチング電流を伴うものです。—ただし、どちらも AlN ウェーハに対して厳しい要件があります。今日は、これら 2 つのアプリケーションを個別に分析して、同じ基板材料が 2 つのまったく異なる分野でどのように重要なコンポーネントになったかを探っていきます。

深紫外線 LED: 欠陥が主な敵です。

深紫外 LED (一般に UVC LED と呼ばれ、発光波長は 200 ～ 200 °C)–280 nm) は、消毒および滅菌の最も主流のアプリケーション領域を表します。これらは水処理、空気浄化、表面消毒に広く使用されています。同社のコア材料システムは、アルミニウム含有量が高い AlGaN で構成されています。この材料は、基板上に AlGaN 多重量子井戸構造をエピタキシャル成長させることによって製造されます。

問題は下地の選択にあります。業界で使用されている最も成熟した基板はサファイアです—費用対効果が高く、大きなサイズも用意されており、確立されたサプライチェーンによってサポートされています。ただし、サファイアと AlGaN の間には重大な格子不整合があります。その結果、エピタキシャル層内の転位密度は通常 10 から 10 の範囲になります。⁹ 10まで¹⁰ cm⁻²。深紫外 LED は転位に特に敏感です—これらの転位は非発光再結合中心として機能し、そこで電子と正孔は発光することなく「静かに」再結合するため、総発光効率の大部分が消費されます。その結果、業界における深紫外 LED の外部量子効率は一般に低く、転位密度が主な要因の 1 つとなっています。

基板として AlN を使用すると、まったく異なる結果が得られます。 AlN と AlGaN は同じ材料系に属し、格子定数が自然に近いため、エピタキシャル層内の転位密度を 10 以下に低減できます。⁶ cm⁻² – サファイア基板で達成される値よりも 3 ～ 4 桁低い。研究チームは、HVPE法を使用してAlN基板上に深紫外LEDを製造しました。 p-GaN層の転位密度は10未満に制御されています⁶ cm⁻²、推定連続動作寿命は 5,000 時間を超えます (電流 150 mA の場合)。

AlN には、転位密度に加えて、サファイアにはない深紫外透明性というもう 1 つの利点があります。深紫外 LED は通常、光が放射される前に基板を通過する必要がある垂直発光構造を採用しています。基板自体が深紫外光を吸収すると、光取り出し効率が低下します。 AlNは代表的な深紫外波長域で優れた透過率を示します。—265nmや230nmなど—これはサファイアと比較してさらなる利点となります。

GaN パワーデバイス: 絶縁と放熱は必須です。

GaNパワーデバイス—特に高電子移動度トランジスタ（HEMT）—深紫外 LED とはまったく異なる考慮事項が必要です。LED は光を発しません。その代わりに、その設計は高電圧耐性、低いオン抵抗、および高周波性能に重点を置いています。このようなデバイスの基板要件は 3 つの重要なポイントに要約できます。:

まず、半絶縁特性です。

動作中、基板とデバイスの間に重大な漏れ経路があってはなりません。そうしないと、寄生容量が増加したり、デバイスの高周波性能が低下したり、耐電圧性能に直接影響を与えたりする可能性があります。 AlN は 10 程度の抵抗率を示します。¹¹ああ·cm であるため、デバイスを基板から効果的に絶縁し、漏れ電流を低減する優れた絶縁体となります。

2つ目は、熱の放散です。

GaN パワーデバイスは、非常に狭い領域に熱が集中する高電力密度で動作します。ただし、基板の放熱能力が追いつかない場合、デバイスは急速に劣化したり、過度の温度により故障する可能性があります。 AlN の熱伝導率は 170 ～ 340 W/(m·K)はSiCと同等であり、放熱性能はサファイアを大きく上回ります。

3 番目の問題は、格子整合に関する長年の問題です。

従来の GaN HEMT は主にシリコンまたはサファイア基板上に成長します。ただし、高い転位密度と格子不整合から生じる熱不整合の問題も、GaN バッファ層の厚さとデバイスの信頼性を制限します。 AlN 基板を使用すると、「均一なエピタキシー」に近い条件下で機能層 (GaN や AlGaN など) を成長させることができるため、歪みと欠陥密度の両方が低減されます。

過去 2 年間、学術コミュニティはより急進的なデバイス アーキテクチャの探索を続けてきました。—例えば、２つのＡｌＮ層の間にＧａＮチャネル層を挟み、ＡｌＮ単結晶基板上に直接エピタキシャル成長させてＸＨＥＭＴを作製する。基板とエピタキシャル層間のほぼ完全な熱整合により、この構造は、SiC 自体の熱伝導率が高いにもかかわらず、4H-SiC 基板上で成長した従来のアーキテクチャと比較して優れた熱管理性能を提供します。これは、AlN 基板と AlN バッファ層の間の界面熱抵抗が事実上無視できるのに対し、異種基板の界面熱抵抗は依然として避けられない制限であるためです。このようなデバイスは、周波数 10 GHz でほぼ 6 W/mm の出力電力と 65% の電力付加効率を達成でき、これは現在の最先端の GaN HEMT 技術と同等です。

ウェーハパラメータに異なる焦点を当てた 2 つの異なる開発パス。

どちらのアプリケーションも AlN ウェーハを必要としますが、ウェーハ品質パラメータに重点​​を置く点はまったく異なります。:

簡単に言えば、深紫外 LED は結晶の品質を優先するのに対し、パワーデバイスは電気的および熱的性能を優先します。 – ただし、どちらも基本的には、AlN とターゲットのエピタキシャル材料間の格子整合という同じ基礎原理に依存しています。

これを現実の製品に当てはめると、基板を選択するときは、まずどちらの面が必要かを明確に決定します。

セミセラ10などの製品×10 mm 単結晶 AlN 基板は、2 つの異なる主な応用分野として公式 Web サイトに掲載されています。 – 深紫外オプトエレクトロニクスと高電圧、高温材料の研究。これらの製品は3つのグレードに分類されます—P、R、D—これにより、予算やプロジェクトのフェーズが異なる顧客に幅広いオプションから選択できるようになります。

深紫外 LED に焦点を当てたエピタキシャル研究開発では、結晶の品質を評価するための重要な指標—XRDロッキングカーブの半値半幅（HWHM）など—注意深く監視する必要があります。より高品質のグレード（たとえば、P グレードの場合は 100 秒角以内）は、転位密度の制御が良好であることを示します。

GaNパワーデバイスやHEMTを開発する場合、結晶品質に加えて、抵抗率や熱伝導率などのパラメータが要求仕様を満たしているかどうかを検証する必要もあります。すべての製品グレードにそのような情報が自動的にラベル付けされるわけではないため、これらはサプライヤーに個別に確認する必要があることがよくあります。

最後のメモ

同じ材料が 2 つの完全に異なる応用分野から同時に関心を集めている場合、それは通常、その材料が十分に根本的な課題に取り組んでいることを示しています。—すなわち「格子整合」です。深紫外 LED はこの原理に基づいて発光効率を高めますが、GaN パワーデバイスはこの原理に基づいて堅牢な絶縁と放熱性能を確保します。それらの応用経路は異なりますが、出発点は同じです。つまり、それらの基板と互換性のある構造的類似性を共有する基板を見つけ、それによってエピタキシャル層の根本的な欠陥に対処することです。