Durchbruch bei der Überwindung der Schlüsselherausforderungen im GaN-Kristallwachstum
In dem sich schnell entwickelnden Halbleitertechnologiebereich haben ein Forscherteam aus dem zentralen Forschungs- und Entwicklungslabor eines japanischen Energieunternehmens (Inoue T., Seki Y. und Taguchi T.) und der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der Universität Yamaguchi (Kurai S. und Yamada Y.) ein entscheidendes Forschungsprojekt durchgeführt. Sie veröffentlichten einen Artikel mit dem Titel "Züchtung von großformatigen Galliumnitrid-Einkristallen durch druckgekontrolltes Lösungswachstum unter hohem Druck" in der Zeitschrift Physica Status Solidi (b), in dem die Entwicklung und Validierung einer neuen "druckgesteuerten Lösungswachstumsmethode (PC-SG)" detailliert beschrieben wird, die einen wirtschaftlicheren und effizienteren Weg für die Herstellung hochqualitativer GaN-Substrate bietet.
Enormes Potenzial und Wachstumsherausforderungen des GaN-Materials
GaN-basierte optoelektronische Bauelemente haben aufgrund ihrer signifikanten Vorteile in Bezug auf Energieeffizienz und Leistung immer mehr Aufmerksamkeit erlangt. Als Halbleitermaterial der III-V-Gruppe mit großer Bandlücke hat GaN vielversprechende Anwendungsperspektiven in Bereichen wie Optoelektronik und Leistungselektronik. Allerdings stellen der hohe Schmelzpunkt und der hohe Zersetzungsdruck von GaN die Haupthindernisse für das Wachstum von GaN-Einkristallen dar. Forscher müssen diese Herausforderung dringend überwinden, um die breite Anwendung von GaN-Materialien in fortschrittlichen Elektroniktechnologien zu ermöglichen.
Innovative Durchbrüche beim druckgesteuerten Lösungswachstum
Um dies zu bewältigen, entwickelte das Forscherteam eine neuartige "druckgesteuerte Lösungswachstumsmethode". Im Unterschied zu traditionellen Lösungswachstumstechniken wendeten sie einen übersättigten Druck bei konstanter Temperatur an, um Probleme wie Unterkühlung des Lösungsmittels, verringerte Wachstumsrate und Lösungsmittelrückstände zu vermeiden. Durch präzise Steuerung des Stickstoffgasdrucks und der Temperatur mit Hilfe eines Hochdruckofens (HPF#1) gelang es ihnen, hochqualitative GaN-Einkristalle innerhalb von pBN (pyrolytischem Bornitrid)-Tiegeln in einem hochreinen Gallium-Lösungsmittel zu züchten.
Der pBN-Tiegel - Der entscheidende Wachstumscontainer
Der pBN-Tiegel spielte in diesem Experiment eine entscheidende Rolle. Dieses Material hat eine hervorragende Temperatur- und Druckbeständigkeit, so dass es den Galliummetall und den Stickstoffgas unter extremen Bedingungen stabil enthalten und für Hochdrucklösungswachstumsverfahren sehr geeignet ist. Während des PC-SG-Prozesses wurde das Gallium im pBN-Tiegel unter hochdrucksauerstoff geheizt, was die Übersättigung und das Kristallwachstum von GaN förderte. Durch Steuerung der Stickstoffdruckerhöhungsrate konnte das Forscherteam GaN-Einkristalle unterschiedlicher Größe und Morphologie innerhalb der pBN-Tiegel züchten und die Vorteile von pBN bei der Bereitstellung einer einheitlichen Stickstoffumgebung und der Aufrechterhaltung stabiler Wachstumsbedingungen voll ausnutzen.
Herstellung von großformatigen GaN-Einkristallen
Die Versuchsergebnisse zeigten, dass bei 1475°C und 0,98 GPa Stickstoffdruck GaN-Einkristalle durch natürliche Keimbildung ohne Samen gezüchtet werden konnten. Durch Anpassung der Stickstoffdruckerhöhungsrate gelang es dem Forscherteam, großformatige GaN-Einkristalle mit einer Fläche von bis zu 120 mm² zu erhalten. Die anschließende Einführung eines neuen Hochdruckofens und eines Mehrtiegel-Systems ermöglichte das Wachstum von GaN-Einkristallen mit einer Fläche von bis zu 300 mm² sowie das Wachstum von 47 mm Durchmesser GaN-Kristallen auf Saphir-Substraten. Diese Errungenschaften validieren nicht nur die hervorragende Leistung der PC-SG-Methode, sondern geben auch neue Impulse für die Kommerzialisierung von GaN-basierten Bauelementen.
Neue Hoffnung durch innovative Methoden
Durch die Charakterisierung der gewonnenen GaN-Einkristalle mit Hilfe von XRD, TEM und PL bestätigten die Forscher die Wirksamkeit der PC-SG-Methode. Diese Methode kann nicht nur gut strukturierte GaN-Einkristalle unter hohem Druck züchten, sondern weist auch Vorteile bei Wachstumsrate und Kristallqualität auf. Das Forscherteam schlug außerdem eine neue "druckgesteuerte Flüssigphasenepitaxie (PC-LPE)-Methode" vor, die vielversprechend für die kostengünstige Herstellung hochqualitativer GaN-Substrate ist und neue Hoffnung für die Kommerzialisierung von GaN-basierten optoelektronischen und Leistungselektronikbauelementen bringt.
Als führender Hersteller von pBN-Tiegeln auf dem Markt hat QSAM Inc. den Forschungsnutzern hochwertige Dienstleistungen zur Verfügung gestellt. Ihre Expertise in der Herstellung und maßgeschneiderten Dienstleistungen ermöglichten es den Forschern, die am besten geeigneten hochqualitativen Tiegel entsprechend ihren experimentellen Anforderungen zu erhalten und den vertiefenden Fortschritt der wissenschaftlichen Forschung zu unterstützen.
Ausblick in die Zukunft
Die kontinuierliche Innovation chinesischer Wissenschaftler im Bereich der Halbleitermaterialien wird zweifellos neue Impulse für die Entwicklung der chinesischen Elektronik- und Informationsindustrie geben. Da die PC-SG- und PC-LPE-Methoden weiter optimiert und perfektioniert werden, werden Galliumnitridmaterialien eine immer wichtigere Rolle in energieeffizienter Beleuchtung, Hochleistungselektronik und Kommunikationsnetzen der nächsten Generation spielen und die Entwicklung fortschrittlicher Elektroniktechnologien vorantreiben. Durch anhaltende innovative Durchbrüche wird China zum Hochland für Schlüsselhalbeitermaterialien werden und seine Stärke zur Entwicklung der globalen Halbleiterindustrie beitragen.