Waarom concurreren zowel diep-ultraviolette LED's als GaN-stroomapparaten hevig om dezelfde AlN-wafel?

AlN-eenkristalwafels vertegenwoordigen een tamelijk nichemarktsegment; Wanneer ze echter worden genoemd, denk ik steevast aan twee primaire toepassingen: diep-ultraviolette LED's en GaN-voedingsapparaten. Interessant is dat de werkingsprincipes en toepassingsscenario's van deze twee soorten apparaten een wereld van verschil zijn — de ene betreft lichtemissie, terwijl de andere betrekking heeft op schakelstroom — maar beide stellen strenge eisen aan AlN-wafels. Vandaag zullen we deze twee toepassingen afzonderlijk analyseren om te onderzoeken hoe hetzelfde substraatmateriaal een essentieel onderdeel is geworden op twee totaal verschillende gebieden.

Diep-ultraviolette LED's: defecten zijn hun voornaamste tegenstander.

Diep-ultraviolette LED's (gewoonlijk UVC-LED's genoemd, met een lichtemissiegolflengte variërend van 200 – 280 nm) vertegenwoordigen het meest gangbare toepassingsdomein voor desinfectie en sterilisatie; ze worden veel gebruikt bij waterbehandeling, luchtzuivering en oppervlaktedesinfectie. Hun kernmateriaalsysteem bestaat uit AlGaN met een hoog aluminiumgehalte; dit materiaal wordt vervaardigd door epitaxiaal een AlGaN multi-kwantumputstructuur op een substraat te laten groeien.

Het probleem ligt in de keuze van het substraat. Het meest volwassen substraat dat in de industrie wordt gebruikt, is saffier — kosteneffectief, verkrijgbaar in grote maten en ondersteund door een gevestigde toeleveringsketen. Er is echter een aanzienlijke mismatch in het rooster tussen saffier en AlGaN; Als gevolg hiervan varieert de dislocatiedichtheid in de epitaxiale laag doorgaans van 10 ⁹ tot 10 ¹⁰ cm ⁻² . Diep-ultraviolette LED's zijn bijzonder gevoelig voor dislocaties —deze dislocaties fungeren als niet-stralingsrecombinatiecentra, waar elektronen en gaten ‘stilletjes’ recombineren zonder licht uit te zenden, waardoor een groot deel van de totale lichtefficiëntie wordt verbruikt. Als gevolg hiervan is de externe kwantumefficiëntie van diep-ultraviolette LED's in de industrie over het algemeen laag, en is de dislocatiedichtheid een van de belangrijkste factoren die daaraan bijdragen.

Het gebruik van AlN als substraat levert geheel andere resultaten op. Omdat AlN en AlGaN tot hetzelfde materiaalsysteem behoren en hun roosterconstanten van nature dicht bij elkaar liggen, kan de dislocatiedichtheid in de epitaxiale laag worden teruggebracht tot minder dan 10 ⁶ cm ⁻² – drie tot vier ordes van grootte lager dan die bereikt met saffiersubstraten. Een onderzoeksteam heeft diep-ultraviolette LED's op AlN-substraten vervaardigd met behulp van de HVPE-methode; waarbij de dislocatiedichtheid in de p-GaN-laag onder de 10 wordt gehouden ⁶ cm ⁻² , bedraagt ​​de geschatte ononderbroken levensduur meer dan 5.000 uur (bij een stroomsterkte van 150 mA).

Naast de dislocatiedichtheid biedt AlN nog een voordeel dat saffier niet kan evenaren: diep-ultraviolette transparantie. Diep-ultraviolette LED's maken doorgaans gebruik van een verticale lichtemissiestructuur waarin licht door het substraat moet reizen voordat het wordt uitgezonden; als het substraat zelf diep ultraviolet licht absorbeert, wordt de efficiëntie van de lichtextractie verminderd. AlN vertoont een uitstekende transmissie in typische diep-ultraviolette golflengtebereiken —zoals 265 nm en 230 nm — waardoor dit een extra voordeel is ten opzichte van saffier.

GaN-stroomapparaten: Isolatie en warmteafvoer zijn essentieel.

GaN-stroomapparaten — met name transistors met hoge elektronenmobiliteit (HEMT's) — er zijn heel andere overwegingen bij betrokken dan bij diep-ultraviolette LED's: ze zenden geen licht uit; in plaats daarvan richt hun ontwerp zich op hoge spanningsbestendigheid, lage aan-weerstand en hoogfrequente prestaties. De substraatvereisten voor dergelijke apparaten kunnen in drie hoofdpunten worden samengevat:

Ten eerste is er de semi-isolerende eigenschap.

Tijdens bedrijf mag er geen significant lekpad zijn tussen het substraat en het apparaat; Anders zal het de parasitaire capaciteit vergroten, de hoogfrequente prestaties van het apparaat verslechteren of zelfs rechtstreeks de weerstand tegen spanningscapaciteit beïnvloeden. AlN vertoont een soortelijke weerstand in de orde van 10 ¹³ O· cm, waardoor het een van nature uitstekende isolator is die het apparaat effectief isoleert van het substraat en de lekstroom vermindert.

Ten tweede, warmteafvoer.

GaN-vermogensapparaten werken met een hoge vermogensdichtheid, waarbij de warmte in een zeer klein gebied wordt geconcentreerd; Wanneer het warmteafvoervermogen van het substraat dit echter niet kan bijhouden, kan het apparaat snel verslechteren of zelfs falen als gevolg van een te hoge temperatuur. AlN heeft een thermische geleidbaarheid variërend van 170 tot 340 W/(m · K), vergelijkbaar met die van SiC, en de warmteafvoerprestaties zijn aanzienlijk beter dan die van saffier.

Het derde probleem is het eeuwenoude probleem van roostermatching.

Traditionele GaN HEMT's worden voornamelijk gekweekt op silicium- of saffiersubstraten; de problemen met de hoge dislocatiedichtheid en de thermische mismatch die voortkomen uit een mismatch in het rooster beperken echter ook de dikte van de GaN-bufferlaag en de betrouwbaarheid van het apparaat. Door een AlN-substraat te gebruiken, kunnen de functionele lagen (zoals GaN en AlGaN) worden gekweekt onder omstandigheden die de "homogene epitaxie" benaderen, waardoor zowel de spanning als de defectdichtheid worden verminderd.

De afgelopen twee jaar is de academische gemeenschap doorgegaan met het verkennen van radicalere apparaatarchitecturen — zoals het vervaardigen van XHEMT's door een GaN-kanaallaag tussen twee AlN-lagen te sandwichen en deze epitaxiaal direct op een AlN-eenkristalsubstraat te laten groeien. Vanwege de bijna perfecte thermische afstemming tussen het substraat en de epitaxiale laag, biedt deze structuur superieure thermische beheerprestaties in vergelijking met traditionele architecturen gekweekt op 4H-SiC-substraten, ondanks dat SiC zelf een hogere thermische geleidbaarheid heeft; dit komt omdat de thermische grensweerstand tussen het AlN-substraat en de AlN-bufferlaag vrijwel verwaarloosbaar is, terwijl de thermische grensweerstand van een heterogeen substraat een onvermijdelijke beperking blijft. Bij een frequentie van 10 GHz kunnen dergelijke apparaten een uitgangsvermogen bereiken van bijna 6 W/mm3 en een efficiëntie bij het toevoegen van vermogen van 65%, wat vergelijkbaar is met de huidige state-of-the-art GaN HEMT-technologie.

Twee verschillende ontwikkelingstrajecten met verschillende focus op waferparameters.

Hoewel beide toepassingen AlN-wafels vereisen, leggen ze een geheel andere nadruk op de kwaliteitsparameters van de wafer:

Simpel gezegd: diep-ultraviolette LED's geven prioriteit aan de kristalkwaliteit, terwijl elektrische apparaten prioriteit geven aan elektrische en thermische prestaties – hoewel beide fundamenteel afhankelijk zijn van hetzelfde onderliggende principe: roosteraanpassing tussen AlN en het epitaxiale doelmateriaal.

Om dit toe te passen op producten uit de echte wereld: bepaal bij de keuze van een substraat eerst duidelijk welke kant je nodig hebt.

Producten zoals Semicera's 10 × Monokristallijne AlN-substraten van 10 mm worden op de officiële website vermeld als twee verschillende primaire toepassingsgebieden – onderzoek naar diep-ultraviolette opto-elektronica en hoogspannings- en hoge temperatuurmaterialen. Deze producten zijn onderverdeeld in drie klassen — P, R en D —waardoor klanten met verschillende budgetten en projectfasen een scala aan opties krijgen om uit te kiezen.

Voor epitaxiaal onderzoek en ontwikkeling gericht op diep-ultraviolette LED's, belangrijke maatstaven voor het beoordelen van de kristalkwaliteit — zoals de halve breedte bij half maximum (HWHM) van de XRD-schommelcurve — moet nauwlettend worden gevolgd; een hogere kwaliteitsgraad (bijvoorbeeld binnen 100 boogseconden voor P-graad) duidt op een betere controle over de dislocatiedichtheid.

Bij het ontwikkelen van GaN-vermogensapparaten of HEMT's is het naast de kristalkwaliteit ook noodzakelijk om te verifiëren of parameters zoals soortelijke weerstand en thermische geleidbaarheid aan de vereiste specificaties voldoen; deze moeten vaak afzonderlijk bij de leverancier worden bevestigd, omdat niet alle productkwaliteiten automatisch met dergelijke informatie worden geëtiketteerd.

Laatste opmerking

Wanneer hetzelfde materiaal tegelijkertijd belangstelling trekt vanuit twee totaal verschillende toepassingsgebieden, geeft dit meestal aan dat het materiaal een voldoende fundamentele uitdaging aangaat — namelijk ‘roostermatching’. Diep-ultraviolette LED's vertrouwen op dit principe om hun lichtefficiëntie te verbeteren, terwijl GaN-stroomapparaten ervan afhankelijk zijn om robuuste isolatie- en warmteafvoerprestaties te garanderen. Hoewel hun toepassingstrajecten verschillen, is hun uitgangspunt hetzelfde: het vinden van een substraat dat een compatibele structurele gelijkenis deelt met hun eigen substraat, waardoor de inherente defecten van de epitaxiale laag bij de wortel worden aangepakt.