Galliumnitridin kasvatuksessa käytettävien pii- ja piieristerakennealustojen taipuman mallinnus ja mittaus

Abstract

Galliumnitridiä (GaN) käytetään ledien lisäksi muun muassa puhelinten pikalatureissa ja 5G-tukiasemissa. Sen leveä energiarako ja korkean elektroniliikkuvuus tekevät siitä piitä (Si) paremman puolijohteen korkeaa tehoa ja taajuuksia vaativiin sovelluksiin. Galliumnitridiä valmistetaan kasvattamalla ohut kerros korkeassa lämpötilassa organometallisella kaasufaasikasvatuksella alustakiekolle, joka voidaan valmistaa esimerkiksi piistä. Nykyisin galliumnitridiä kasvatetaan 150 millimetrin ja 200 millimetrin piialustoille. Alustojen halkaisijan kasvaessa niiden taipumien hallinta muuttuu haastavammaksi. Liian suuri taipuma estää kiekkojen jatkojalostamisen. Tämän työn tavoitteena on selvittää, miten pii- ja piieristerakennealustat taipuvat galliumnitridin kasvatuksessa ja miten alustojen ominaisuudet vaikuttavat lopputaipumaan ja galliumnitridin laatuun. Lisäksi tavoitteena on luoda simulaatio, jolla mallinnetaan kasvatuksessa syntyvää alustojen taipumaa.

Työn teoriaosassa perehdytään radiotaajuussovelluksia varten suunniteltujen korkearesistiivisten pii- ja piieristerakennealustojen ominaisuuksiin galliumnitridin kasvatusta varten. Siinä käydään läpi tarvittavien kidemateriaalien kiinteän aineen fysiikka, alustakiekkojen valmistus, galliumnitridin kasvatus ja kasvatukseen vaikuttavat alustamateriaalin ominaisuudet. Työn tutkimusosassa suunnitellaan kasvatukseen käytettävät pii- ja piieristerakennealustat, joiden taipumaa mallinnetaan simulaatioilla ja tutkitaan kokeellisesti. Simulaatio toteutettiin Ansys Student 2022 R2 -ohjelmistolla, jolla rakenteiden taipumista ja lämpölaajenemista koskevia ongelmia ratkaistaan elementtimenetelmällä. Kokeellisissa mittauksissa vertailtiin taipuman lisäksi kasvatetun galliumnitridin laatua eri alustoilla. Kaikki alustat valmistettiin samasta kiteestä ja kasvatus toteutettiin samalla prosessilla yhtäaikaisesti Aixtronin AIX G5+ C -reaktiokammiossa kaikille näytealustoille.

Työn kokeellisista tuloksista havaitaan, että galliumnitridin kasvatusprosessilla ei välttämättä ole merkittävää vaikutusta alustakiekkojen taipumaan riippumatta alustan paksuudesta. Samasta erilliskiteestä valmistettujen 725 mikrometriä ja 1000 mikrometriä paksujen piialustojen lopputaipuma on 4--6 mikrometriä. Alle 10 mikrometrin alkutaipuma ei vaikuta kasvatusprosessissa syntyvään taipumaan vertailtaessa kahta samanpaksuista piialustaa. Röntgendiffraktiomittausten mukaan galliumnitridin laatu vastaa alan aikaisempia tuloksia pii- ja piieristerakennealustoille tehdyissä kasvatuksissa. Galliumnitridin laadussa ei havaita eroa kallistetulla kideorientaatiolla. Galliumnitridin laadun edelleen parantaminen vaatii kasvatusprosessin optimointia alustakohtaisesti.

Työssä rakennettu simulaatio antaa piieristerakennealustan taipuman lämpötilariippuvuuden kulmakertoimelle hyvän arvion. Simulaation käyttäminen galliumnitridin kasvatuksessa tapahtuvan taipumisen mallintamiseen ei sovellu nykyisellään lopputaipuman määrälliseen ennustamiseen, mutta se antaa oikean laadullisen tuloksen lopputaipuman muodolle. Jatkokehitykseen kuuluu ainakin kasvatettuihin kerroksiin syntyvien dislokaatioiden aiheuttaman relaksoitumisen ja korkeassa lämpötilassa piieristerakennealustojen piidioksidikerroksen liukumisen huomioiminen.

Gallium nitride (GaN) is used, in addition to LEDs, in fast chargers and 5G base stations. Its wide band gap and high electron mobility make it a superior semiconductor to silicon (Si) for high power and high frequency applications. Gallium nitride is produced by growing a thin layer at a high temperature by metalorganic vapour-phase epitaxy on a substrate, which can be made of, for example, silicon. Currently, gallium nitride is grown on 150 mm and 200 mm silicon substrates. As the diameter of the substrates increases, controlling of the wafer bow becomes more challenging. A too large bow prevents further processing of the wafers. The aim of this work is to study the wafer bow of silicon and silicon-on-insulator substrates in gallium nitride eptaxy and research how the properties of the substrates affect the final bow and the quality of the gallium nitride. In addition, the aim is to create a simulation to model the bow of the substrates during growth.

The theoretical part of the thesis focuses on the properties of high resistivity silicon and silicon-on-insulator substrates designed for GaN radio frequency applications. The solid state physics of the required crystal materials, the fabrication of the substrate wafers, the growth of gallium nitride, and the substrate material properties influencing the growth are explained. In the research part, silicon and silicon-on-insulator substrates are designed, and their bow during the epitaxy is modeled by simulation and measured experimentally. Ansys Student 2022 R2 software, which solves deflection and thermal expansion of structures using the finite element method, was used for the simulations. Experimental measurements were conducted to compare the bow and the quality of GaN on different substrates. All substrates were cut from the same crystal and epitaxy was performed concurrently in Aixtron's AIX G5+ C reaction chamber for all sample substrates.

The experimental results show that the gallium nitride growth process does not necessarily have a significant effect on the bow, regardless of the substrate thickness. The final bow of 725 micrometers and 1000 micrometers thick silicon substrates is 4--6 micrometers. An initial bow of less than 10 micrometers has no effect on the bow generated in the growth process when comparing two silicon substrates of the same thickness. X-ray diffraction measurements show that the quality of gallium nitride is consistent with previous results in the same field on silicon and silicon-on-insulator substrates. No difference in gallium nitride quality is observed with off-cut crystal orientation. Further improvement of gallium nitride quality requires substrate-specific optimisation of the growth process.