GIST abre la era de la “copia infinita” de costosos semiconductores de nitruro de galio (GaN)

Se ha abierto un camino para producir semiconductores de nitruro de galio (GaN), que están atrayendo la atención como semiconductores de potencia de próxima generación, como si hubieran sido copiados en plantas industriales. Se espera que sea posible producir en masa semiconductores de nitruro de galio (GaN) altamente cristalinos y costosos a un precio muy bajo.

□ En el Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju (GIST, presidente Lim Ki-cheol), un equipo de investigación dirigido por el profesor Lee Dong-seon (Jefe de Ingeniería de Semiconductores) en el Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica e Informática desarrolló nitruro de galio (GaN )* tecnología de homoepitaxia* remota de semiconductores que utiliza únicamente deposición química de vapor metal-orgánico*. Dijo que sí.

∘ La tecnología epitaxia, que transforma materiales semiconductores en películas delgadas bien alineadas, es esencial para la fabricación de semiconductores. La homoepitaxia remota de GaN, que aplica la tecnología de epitaxia, forma un material bidimensional* en una oblea de GaN, luego genera un semiconductor de GaN de la misma calidad que la oblea y se puede quitar fácilmente, copiando el semiconductor de nitruro de galio con un solo GaN. oblea Podemos seguir produciendo como de costumbre.

∘ En particular, los semiconductores de GaN están atrayendo la atención como material semiconductor de potencia para vehículos eléctricos de próxima generación debido a sus características de conmutación de alta velocidad, bajas pérdidas y alta eficiencia, y se espera que se utilicen en la industria.

* Deposición química de vapor metal-orgánico (MOCVD): proceso de crecimiento de una película delgada semiconductora utilizando un compuesto metal-orgánico. El precursor del compuesto metal-orgánico se evapora y se transfiere a la oblea en estado gaseoso, y se produce una reacción química en su interior. dispositivo de deposición, se convierte en un sólido y crece como una película delgada sobre la oblea.

* Nitruro de galio (GaN): El nitruro de galio (GaN) tiene una excelente eficiencia energética y durabilidad frente a altas temperaturas y presiones en comparación con el silicio, un material semiconductor convencional. Además, la demanda es particularmente fuerte en industrias como la de satélite y defensa debido a su alta velocidad de conmutación (encendido y apagado de señales eléctricas).

* Epitaxia: una tecnología que convierte el mismo material o uno similar en una película delgada para tener cristalinidad en la red cristalina de oblea utilizada en la fabricación de semiconductores. Dependiendo del material, el tamaño de cada átomo y el espacio entre átomos son diferentes, por lo que es posible cultivar sólo materiales con la misma o similar red que la oblea.

* Crecimiento: En términos de semiconductores, se refiere al crecimiento de una capa de película delgada de alta calidad con cristalinidad en una oblea mediante métodos físicos y químicos.

* Material bidimensional: Un material formado como una única película estructural con un espesor atómico, como el grafeno.

□ Debido a las limitaciones técnicas de la epitaxia existente, se utilizó una oblea con un espesor de 1 mm, que es aproximadamente 1.000 veces mayor que el material semiconductor utilizado en la práctica, para obtener un material semiconductor con un espesor de aproximadamente 1 μm (micrómetro).

∘ En consecuencia, en 2017, el equipo de investigación del profesor Jihwan Kim en el MIT recibió gran atención al proponer una tecnología de ‘epitaxia remota’ que podría superar las dificultades existentes utilizando el método de epitaxia por haz molecular*.

* Epitaxia de haz molecular (MBE): método para laminar (crecer) un material deseado sobre un sustrato depositando varios materiales en forma de moléculas en un vacío ultraalto.

□ La tecnología de ‘epitaxia remota’ propuesta por el equipo del profesor Ji-hwan Kim es un método único para formar un material bidimensional muy delgado como el grafeno en una oblea y hacer crecer un material semiconductor sobre él.

∘ No sólo se puede obtener un material semiconductor de alta calidad en forma de una fina película que ‘copia’ las características de la oblea, sino que también se puede ‘despegar’ de la oblea, por lo que teóricamente, la oblea se puede reutilizar infinitamente. .

∘ Esta tecnología utiliza el principio de que las propiedades eléctricas de la superficie de la oblea penetran en la película de grafeno y el material semiconductor no se une directamente a la oblea con el material bidimensional en el medio, por lo que solo se puede despegar el material semiconductor.

□ En particular, los semiconductores de GaN, que se utilizan ampliamente en pantallas LED y dispositivos de carga de vehículos eléctricos, requieren el uso de obleas de GaN para lograr la mayor eficiencia, pero como el precio es aproximadamente 100 veces más caro que el de las obleas de zafiro, las obleas de zafiro, que tienen una calidad cristalina de 1/1.000 del nivel. En consecuencia, la tecnología de epitaxia remota que puede reutilizar costosas obleas de GaN está recibiendo gran atención.

∘ Hasta ahora, se sabía que la tecnología de epitaxia remota de GaN solo se puede implementar mediante el uso conjunto de epitaxia de haz molecular y método de deposición química de vapor organometálico. Esto se debe a que cuando solo se aplica el ‘método de deposición química de vapor organometálico’ a la tecnología de homoepitaxia remota, la superficie de la oblea de GaN se descompone en condiciones de crecimiento a alta temperatura y la capa de inserción del material bidimensional se daña.

□ En respuesta a esto, el equipo del profesor Lee Dong-seon utiliza únicamente el método de “deposición química de vapor organometálico”, que se usa ampliamente en la industria, para cubrir y proteger completamente el material bidimensional mediante el cultivo de GaN a baja temperatura. capa amortiguadora en la oblea de GaN sobre la que se forma el material bidimensional. Esta es la primera implementación de la tecnología de homoepitaxia remota de GaN que puede hacer crecer y exfoliar semiconductores.

□ El profesor Lee Dong-seon dijo: “Esta investigación ha implementado la tecnología ‘homoepitaxia remota de GaN’, que anteriormente se consideraba imposible. Aunque todavía se encuentra en sus primeras etapas, esta tecnología se utilizará para desarrollar tecnologías en el micro LED. y mercados de semiconductores de potencia GaN de próxima generación que se aplicarán a pantallas futuras.”Espero poder liderar el camino”, dijo.

□ Esta investigación, dirigida por el profesor Dong-seon Lee y realizada por el estudiante de doctorado Hee-min Kwak, contó con el apoyo del equipo de investigación del profesor Sang-ho Oh en el Instituto Coreano de Tecnología Energética y el proyecto de desarrollo de tecnología nano/material y proyecto de investigación individual (investigación de nivel medio) de la Fundación Nacional de Investigación de Corea dependiente del Ministerio de Ciencia y TIC. Fue publicado en línea el 12 de diciembre de 2023 en ‘ACS Applied Materials & Interfaces’, una reconocida revista académica internacional en los campos de ciencia de materiales y química.