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8インチのGaN-on-Si エピタキシシ基板 ((110 111 110) MOCVD反応器またはRFエネルギーアプリケーションのために
8インチのGaN-on-Siエピタキシープロセスは,直径8インチのシリコン (Si) 基板上にガリウムナイトリド (GaN) 層を培養することを含む.この組み合わせはGaNの高い電子移動性を活用する.,熱伝導性があり 広帯域の特性があり 拡張性があり 費用対効果もシリコンに匹敵します この構造の重要な部分は 表面軸緩衝層ですこれはGaNとSiの格子不一致と熱膨張差を管理するこの技術は高効率の電源電子機器,RFデバイス,LEDの生産に不可欠です.性能とコストのバランスを提供既存のシリコンプロセスと互換性があるため,大規模な半導体製造に使用される.
物質 の 特質
幅広く: GaNは,帯域間の大きな半導体で,帯域間のエネルギーは3.4 eVである.この特性により,GaNベースのデバイスは,より高い電圧,温度,伝統的なシリコンベースの装置と比較すると広い帯域の隙間も高断熱電圧につながり,高電力アプリケーションに理想的なGaN-on-Siになります.
高電子移動性と飽和速度: GaNは高い電子移動性 (通常約2000cm2/Vs) と高い飽和速度 (~2.5x107cm/s) を表しています.これらの特性により,高速スイッチ速度と高周波操作が可能になります.電源トランジスタやRFデバイスにとって不可欠なものです.
高熱伝導性: GaNはシリコンと比較して熱伝導性が良く,効率的な熱散に役立ちます.これは,高出力装置では特に重要で,装置の性能と信頼性を維持するために熱管理が重要です..
高臨界電場: GaNの臨界電場は3.3MV/cm程度で,シリコンよりもかなり高い.これは,GaNデバイスが分解せずにより高い電場に対処することを可能にします.パワーエレクトロニクスにおけるより高い効率と電力密度に貢献する.
構造と機械的特性
格子 の 不一致 と 張力: GaN-on-Siの表記における課題の1つは,GaNとSiの間の大きな格子不一致 (約17%) です.この不一致は表記層にストレスを誘発します.変身や欠陥を引き起こす可能性がありますしかし,バッファ層やストレイン管理戦略の使用などの上位軸成長技術の進歩により,これらの問題は緩和されています.高品質のGaN-on-Siウエフルの製造を可能にする.
ウェーファー の 曲げ と 曲げ: GaN と Si の間の熱膨張係数の違いにより,熱ストレスは,表軸成長過程でウエファーが曲げたり曲げたりすることがあります.この機械的変形は,デバイスの製造の次のステップに影響を与えます.成長条件を制御し,バッファ層を最適化することは,これらの影響を最小限に抑え,ウエフルの平らさを確保するために重要です.
電気特性と性能特性
高断熱電圧: GaN の広い帯域と高臨界電場の組み合わせにより,高断熱電圧を持つ装置が生成されます.この特性が電源装置にとって重要です.より効率的で信頼性の高い高電圧と電流を処理できるようにする.
低抵抗: GaN-on-Siデバイスは,通常,シリコンベースの同類と比較して低電阻を示します.この抵抗の減少は,より低い電源損失とより高い効率に変換されます.特に電源切換アプリケーションでは.
効率 と 電力 密度: GaN-on-Si技術により,より高い電源密度と効率を備えた装置の開発が可能になります.これは特に電源電子の分野で有益です.規模を削減し,パフォーマンスを向上させるのが継続的な課題である場合.
費用と拡張性
GaNエピタキスのために8インチシリコン基板を使用する主な利点の1つは,拡張性およびコスト削減です.シリコン基質は,サファイアやシリコンカービッド (SiC) などの他の基質と比較して広く利用可能で安価です8インチの大きなウエファーを使用できるため,ウエファーごとにより多くのデバイスが製造され,スケール経済と生産コストの削減につながります.
| パラメータカテゴリ | パラメータ | 値/範囲 | コメント |
| 物質 の 特質 | GaN の帯域間隔 | 3.4 eV | 高温,高電圧,高周波のアプリケーションに適した広帯域半導体 |
| Si のバンドギャップ | 1.12 eV | シリコンが基質材料として良いコスト効率を提供します | |
| 熱伝導性 | 130〜170W/m·K | GaN層の熱伝導性;シリコン基板は約149 W/m·K | |
| 電子移動性 | 1000〜2000cm2/V·s | GaN層における電子移動性は,シリコンよりも高い | |
| ダイレクトリ常数 | 9.5 (GaN),11.9 (Si) | GaNとSiの電解定数 | |
| 熱膨張係数 | 5.6ppm/°C (GaN),2.6ppm/°C (Si) | GaNとSiの熱膨張係数の不一致,ストレスを引き起こす可能性がある | |
| 格子定数 | 3.189 Å (GaN),5.431 Å (Si) | GaNとSiの格子定数不一致は 変位を引き起こす可能性があります | |
| 変位密度 | 108~109cm−2 | エピタキシアル成長過程に応じて,GaN層における典型的な脱位密度 | |
| メカニカル硬さ | 9 モース | 耐磨性と耐久性を提供するGaNの機械的硬さ | |
| ウェファーの仕様 | ワッフル直径 | 2インチ,4インチ6インチ8インチ | Si ワッフル上のGaNの一般的なサイズ |
| GaN 層厚さ | 1〜10 μm | 特定のアプリケーションのニーズに応じて | |
| 基板の厚さ | 500〜725 μm | 機械的強度に関するシリコン基板の典型的な厚さ | |
| 表面の荒さ | < 1 nm RMS | 磨き後の表面の荒さ,高品質の表頭生長を保証する | |
| ステップの高さ | < 2 nm | GaN層のステップの高さ,デバイスの性能に影響を与える | |
| ウェッファー・ボー | < 50 μm | 波紋弓,プロセス互換性に影響を与える | |
| 電気特性 | 電子濃度 | 1016〜1019cm−3 | GaN層のn型またはp型ドーピング濃度 |
| 耐性 | 10−3−10−2 Ω·cm | GaN層の典型的な抵抗性 | |
| 断裂 電場 | 3 MV/cm | 高電圧装置に適した高分解フィールド強度 | |
| オプティカルプロパティ | 放出波長 | 365~405nm (UV/ブルー) | LEDやレーザーで使用されるGaN材料の放出波長 |
| 吸収係数 | ~104cm−1 | 可視光範囲におけるGaNの吸収係数 | |
| 熱特性 | 熱伝導性 | 130〜170W/m·K | GaN層の熱伝導性;シリコン基板は約149 W/m·K |
| 熱膨張係数 | 5.6ppm/°C (GaN),2.6ppm/°C (Si) | GaNとSiの熱膨張係数の不一致,ストレスを引き起こす可能性がある | |
| 化学特性 | 化学的安定性 | 高い | GaNは腐食耐性があり,厳しい環境に適しています |
| 表面処理 | 塵のない,汚染のない | GaN ワッフル表面の清潔性要件 | |
| メカニカルプロパティ | メカニカル硬さ | 9 モース | 耐磨性と耐久性を提供するGaNの機械的硬さ |
| ヤングのモジュール | 350 GPa (GaN), 130 GPa (Si) | 装置の機械的特性に影響する,GaNとSiのヤングのモジュール | |
| 生産パラメータ | エピタキシャル成長方法 | MOCVD,HVPE,MBE | GaN 層のための一般的な上軸生長方法 |
| 収益率 | プロセスの制御とウエファーサイズによって異なります | 産出量は,流出密度やウエファー弓などの要因によって影響されます. | |
| 成長温度 | 1000〜1200°C | GaN 層の表軸生長のための典型的な温度 | |
| 冷却速度は | 制御された冷却 | 熱圧とウエファー弓を防ぐために通常冷却速度は制御されています |
8インチのGaN-on-Si (シリコン上のガリウムナイトリド) エピタキシは様々な高性能アプリケーションで重要な進歩を可能にした変革技術ですシリコン基板にGaNを組み込むことで,GaNの優れた特性と,シリコンのコスト効率とスケーラビリティを組み合わせます8インチのGaN-on-Siエピタキシの主要用途は以下の通りです.
電源トランジスタ: GaN-on-Siは,高電子移動性トランジスタ (HEMT) や金属酸化半導体フィールド効果トランジスタ (MOSFET) などの電源トランジスタにますます使用されています.このトランジスタは,GaNの高い電子移動性から恩恵を受けます高断熱電圧と低電圧抵抗により データセンター,電気自動車,再生可能エネルギーシステムなどのアプリケーションで効率的な電源変換に最適です
パワーコンバーター: 高周波スイッチングにおけるGaNとSiの優れた性能により,コンパクトで効率的な電源変換器の開発が可能になります.これらの変換器は,AC/DCアダプターと充電器から工業用電源や太陽光発電のインバーターまで,様々な用途で不可欠です..
再生可能エネルギー用インバーター: GaNとSiのインバーターは太陽光発電システムと風力タービンで使用されます.エネルギー損失を最小限に抑えながら,より高い周波数と電圧で動作する能力は,より効率的で信頼性の高い再生可能エネルギー発電につながります.
RF電源増幅器: 高周波で高効率で動作する能力のため,RF電源増幅器に広く使用されています.これらの増幅器は,通信インフラストラクチャにとって重要です.5Gベースステーションを含む衛星通信やレーダーシステム
低騒音増幅器 (LNA): RFアプリケーションでは,GaN-on-SiベースのLNAは,重要なノイズを追加することなく弱い信号を増幅するために使用され,通信システムの感受性とパフォーマンスを向上させます.
レーダーと防衛システム: 高性能で信頼性の高い動作が不可欠なレーダーや防衛用に使用するのに適している.
光発光ダイオード (LED): GaN-on-Si技術は,LEDの製造,特に一般照明とディスプレイ技術に使用されています.8インチのウエファのスケーラビリティは,様々な消費者および産業用アプリケーションで使用される高明るさのLEDの費用対効果の高い製造を可能にします.
レーザーダイオード: ガン-オン-シ は,光学 貯蔵 器,通信 器,医療 器具 に 用いる レーザー ダイオード の 開発 に も 用い られ ます.高効率のガナリンとシリコンのスケーラビリティの組み合わせにより これらの装置は よりアクセスしやすく 安価になります.
搭載された充電器とインバーター: GaNとSiの装置は,電気自動車で使用される搭載充電器とインバーターに組み込まれています.これらの部品は,GaNの高効率とコンパクトなサイズに恩恵を受けます.より長い走行距離と充電時間を短くする.
先進的な運転支援システム (ADAS): 高周波のガナ-オン-シの動作と効率は ADAS で価値があります. ADAS はレーダーとLiDAR技術に依存し,より安全な運転のためにリアルタイムデータを提供します.
電力供給ユニット (PSU): GaN-on-Si技術は,データセンターやサーバーの PSUで使用され,従来のシリコンベースの電源と比較してより高効率で熱発生量を削減します.低冷却コストと全体的なエネルギー効率の向上につながる.
高効率の電力管理: 細かいサイズと効率性により GaN-on-Si装置は,エネルギー効率と信頼性が極めて重要なデータセンターの先進的な電力管理システムに最適です
急速充電器: GaN-on-Si は,スマートフォン,ノートPC,その他の携帯機器の高速充電器でますます使用されています.この技術は,より小さく軽い充電器を効率的に高電力を供給することができます.充電時間を短縮する.
電源アダプター: GaN-on-Siベースの電源アダプタのコンパクトサイズと高効率は,消費電子機器の好ましい選択となり,より携帯的でエネルギー効率の高い充電ソリューションにつながります.
ベースステーション: 5Gベースステーションで使用されるパワーアンプには GaN-on-Siが不可欠ですより迅速で信頼性の高い通信ネットワークの導入を可能にする.
衛星通信: GaN-on-Si装置の高電力および周波数能力は衛星通信システムでも有益であり,信号強度とデータ伝送速度を向上させます.
8インチのGaN-on-Siエピタクシーの応用は,電力電子機器と通信から光電子機器および自動車システムまで幅広い産業に広がっています.高性能と費用対効果の高い製造を組み合わせる能力は,次世代技術の鍵となります需要の高い様々なセクターにおけるイノベーションを推進する.
Q:ガリウムナイトリドは,シリコンよりも優れているのでしょうか?
A: その通りガリウムナイトライド (GaN) は,広い帯域隙間,より高い電子移動性,より優れた熱伝導性により,シリコン (Si) よりも重要な利点を提供します.これらの特性により,GaN装置はより高い電圧で動作することができます.,高効率で高速なスイッチング速度を持つ温度と周波数. GaNはまた,より高い断熱電圧,より低いオン抵抗を持ち,より高い電源密度に対応することができます.パワーエレクトロニクスに最適です低密度,効率性,熱管理が重要である.
