1. semiconductors ជំនាន់ទីបី
បច្ចេកវិទ្យា semiconductor ជំនាន់ទីមួយត្រូវបានបង្កើតឡើងដោយផ្អែកលើសម្ភារៈ semiconductor ដូចជា Si និង Ge ។ វាគឺជាមូលដ្ឋានសម្ភារៈសម្រាប់ការអភិវឌ្ឍនៃត្រង់ស៊ីស្ទ័រ និងបច្ចេកវិទ្យាសៀគ្វីរួមបញ្ចូលគ្នា។ សមា្ភារៈ semiconductor ជំនាន់ទី 1 បានដាក់មូលដ្ឋានគ្រឹះសម្រាប់ឧស្សាហកម្មអេឡិចត្រូនិចក្នុងសតវត្សទី 20 និងជាវត្ថុធាតុដើមសម្រាប់បច្ចេកវិទ្យាសៀគ្វីរួមបញ្ចូលគ្នា។
សមា្ភារៈ semiconductor ជំនាន់ទី 2 ភាគច្រើនរួមមាន ហ្គាលីញ៉ូម អាសេនីត ផូស្វ៊ីត ផូស្ហ្វីត ហ្គាលីញ៉ូម ផូស្ហ្វ៊ីត អ៊ីដ្រូសែន អាសេនីត អាលុយមីញ៉ូម អាសេនីត និងសមាសធាតុ ternary របស់វា។ សមា្ភារៈ semiconductor ជំនាន់ទី 2 គឺជាមូលដ្ឋានគ្រឹះនៃឧស្សាហកម្មព័ត៌មាន optoelectronic ។ នៅលើមូលដ្ឋាននេះ ឧស្សាហកម្មដែលពាក់ព័ន្ធដូចជា ពន្លឺ ការបង្ហាញ ឡាស៊ែរ និង photovoltaics ត្រូវបានបង្កើតឡើង។ ពួកវាត្រូវបានគេប្រើយ៉ាងទូលំទូលាយនៅក្នុងបច្ចេកវិទ្យាព័ត៌មានសហសម័យ និងឧស្សាហកម្មអេក្រង់ optoelectronic ។
សមា្ភារៈតំណាងនៃសមា្ភារៈ semiconductor ជំនាន់ទី 3 រួមមាន gallium nitride និង silicon carbide ។ ដោយសារតែគម្លាតក្រុមតន្រ្តីធំទូលាយ ល្បឿនរសាត់នៃអេឡិចត្រុងខ្ពស់ ចរន្តកំដៅខ្ពស់ និងកម្លាំងផ្នែកបំបែកខ្ពស់ ពួកវាជាវត្ថុធាតុដើមដ៏ល្អសម្រាប់រៀបចំឧបករណ៍អេឡិចត្រូនិកដែលមានដង់ស៊ីតេថាមពលខ្ពស់ ប្រេកង់ខ្ពស់ និងការបាត់បង់ទាប។ ក្នុងចំណោមឧបករណ៍ទាំងនោះ ឧបករណ៍ថាមពលស៊ីលីកុនកាបូនមានគុណសម្បត្តិនៃដង់ស៊ីតេថាមពលខ្ពស់ ការប្រើប្រាស់ថាមពលទាប និងទំហំតូច ហើយមានលទ្ធភាពប្រើប្រាស់យ៉ាងទូលំទូលាយនៅក្នុងយានជំនិះថាមពលថ្មី ថាមពលពន្លឺព្រះអាទិត្យ ការដឹកជញ្ជូនផ្លូវដែក ទិន្នន័យធំ និងវិស័យផ្សេងៗទៀត។ ឧបករណ៍ Gallium nitride RF មានគុណសម្បត្តិនៃប្រេកង់ខ្ពស់ ថាមពលខ្ពស់ កម្រិតបញ្ជូនធំទូលាយ ការប្រើប្រាស់ថាមពលទាប និងទំហំតូច ហើយមានលទ្ធភាពប្រើប្រាស់ទូលំទូលាយក្នុងទំនាក់ទំនង 5G អ៊ីនធឺណិតនៃអ្វីៗ រ៉ាដាយោធា និងវិស័យផ្សេងៗទៀត។ លើសពីនេះទៀតឧបករណ៍ថាមពលដែលមានមូលដ្ឋានលើ gallium nitride ត្រូវបានគេប្រើយ៉ាងទូលំទូលាយនៅក្នុងវាលវ៉ុលទាប។ លើសពីនេះ ក្នុងប៉ុន្មានឆ្នាំថ្មីៗនេះ សមា្ភារៈ Galium oxide ដែលកំពុងលេចចេញ ត្រូវបានគេរំពឹងថានឹងបង្កើតការបំពេញបន្ថែមផ្នែកបច្ចេកទេសជាមួយនឹងបច្ចេកវិទ្យា SiC និង GaN ដែលមានស្រាប់ ហើយមានសក្តានុពលនៃការអនុវត្តនៅក្នុងវាលដែលមានប្រេកង់ទាប និងតង់ស្យុងខ្ពស់។
បើប្រៀបធៀបជាមួយសម្ភារៈ semiconductor ជំនាន់ទី 2 សម្ភារៈ semiconductor ជំនាន់ទី 3 មានទទឹង bandgap ធំជាង (ទទឹង bandgap របស់ Si ដែលជាសម្ភារៈធម្មតានៃសម្ភារៈ semiconductor ជំនាន់ទី 1 គឺប្រហែល 1.1eV ទទឹង bandgap របស់ GaAs ធម្មតា សម្ភារៈនៃសម្ភារៈ semiconductor ជំនាន់ទីពីរគឺប្រហែល 1.42eV និងទទឹង bandgap នៃ GaN ដែលជាសម្ភារៈធម្មតានៃ សម្ភារៈ semiconductor ជំនាន់ទី 3 គឺលើសពី 2.3eV) ធន់នឹងវិទ្យុសកម្មខ្លាំងជាង ធន់ទ្រាំនឹងការបំបែកវាលអគ្គីសនី និងធន់ទ្រាំនឹងសីតុណ្ហភាពខ្ពស់ជាង។ សមា្ភារៈ semiconductor ជំនាន់ទី 3 ដែលមានទទឹង bandgap កាន់តែទូលំទូលាយ ជាពិសេសគឺសមរម្យសម្រាប់ការផលិតឧបករណ៍អេឡិចត្រូនិកដែលធន់នឹងវិទ្យុសកម្ម ប្រេកង់ខ្ពស់ ថាមពលខ្ពស់ និងដង់ស៊ីតេខ្ពស់នៃការរួមបញ្ចូល។ កម្មវិធីរបស់ពួកគេនៅក្នុងឧបករណ៍ប្រេកង់វិទ្យុមីក្រូវ៉េវ អំពូល LED ឡាស៊ែរ ឧបករណ៍ថាមពល និងផ្នែកផ្សេងទៀតបានទាក់ទាញការចាប់អារម្មណ៍ជាច្រើន ហើយពួកគេបានបង្ហាញពីការរំពឹងទុកនៃការអភិវឌ្ឍន៍យ៉ាងទូលំទូលាយនៅក្នុងទំនាក់ទំនងចល័ត ក្រឡាចត្រង្គឆ្លាតវៃ ផ្លូវដែក យានជំនិះថាមពលថ្មី គ្រឿងអេឡិចត្រូនិក និងកាំរស្មីអ៊ុលត្រាវីយូឡេ និងពណ៌ខៀវ។ ឧបករណ៍ភ្លើងពណ៌បៃតង [1] ។
ប្រភពរូបភាព៖ CASA, Zheshang Securities Research Institute
រូបភាពទី 1 មាត្រដ្ឋានពេលវេលាឧបករណ៍ថាមពល GaN និងការព្យាករណ៍
II រចនាសម្ព័ន្ធនិងលក្ខណៈសម្ភារៈ GaN
GaN គឺជាឧបករណ៍អេឡិចត្រូនិក bandgap ផ្ទាល់។ ទទឹង bandgap នៃរចនាសម្ព័ន្ធ wurtzite នៅសីតុណ្ហភាពបន្ទប់គឺប្រហែល 3.26eV ។ សម្ភារៈ GaN មានរចនាសម្ព័ន្ធគ្រីស្តាល់សំខាន់ៗចំនួនបីគឺរចនាសម្ព័ន្ធ wurtzite រចនាសម្ព័ន្ធ sphalerite និងរចនាសម្ព័ន្ធអំបិលថ្ម។ ក្នុងចំណោមពួកគេរចនាសម្ព័ន្ធ wurtzite គឺជារចនាសម្ព័ន្ធគ្រីស្តាល់ដែលមានស្ថេរភាពបំផុត។ រូបភាពទី 2 គឺជាដ្យាក្រាមនៃរចនាសម្ព័ន្ធ wurtzite ឆកោននៃ GaN ។ រចនាសម្ព័ន្ធ wurtzite នៃសម្ភារៈ GaN ជាកម្មសិទ្ធិរបស់រចនាសម្ព័ន្ធបិទជិតប្រាំមួយ។ កោសិកាឯកតានីមួយៗមានអាតូម 12 រួមទាំងអាតូម 6 N និង 6 អាតូម Ga ។ អាតូម Ga (N) នីមួយៗបង្កើតជាចំណងជាមួយអាតូម N (Ga) ចំនួន 4 ដែលនៅជិតបំផុត ហើយត្រូវបានដាក់ជង់តាមលំដាប់នៃ ABABAB… តាមទិស [0001] [2] ។
រូបភាពទី 2 រចនាសម្ព័ន្ធ Wurtzite ដ្យាក្រាមកោសិកាគ្រីស្តាល់ GaN
III ស្រទាប់ខាងក្រោមដែលប្រើជាទូទៅសម្រាប់ GaN epitaxy
វាហាក់ដូចជាថា epitaxy ដូចគ្នានៅលើស្រទាប់ខាងក្រោម GaN គឺជាជម្រើសដ៏ល្អបំផុតសម្រាប់ GaN epitaxy ។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយដោយសារតែថាមពលចំណងដ៏ធំនៃ GaN នៅពេលដែលសីតុណ្ហភាពឈានដល់ចំណុចរលាយនៃ 2500 ℃ សម្ពាធ decomposition ដែលត្រូវគ្នារបស់វាគឺប្រហែល 4.5Gpa ។ នៅពេលដែលសម្ពាធ decomposition ទាបជាងសម្ពាធនេះ GaN មិនរលាយទេប៉ុន្តែ decomposes ដោយផ្ទាល់។ នេះធ្វើឱ្យបច្ចេកវិទ្យានៃការរៀបចំស្រទាប់ខាងក្រោមចាស់ទុំដូចជាវិធីសាស្ត្រ Czochralski មិនស័ក្តិសមសម្រាប់ការរៀបចំស្រទាប់ខាងក្រោមគ្រីស្តាល់ GaN ដែលធ្វើឱ្យស្រទាប់ខាងក្រោម GaN ពិបាកក្នុងការផលិតច្រើន និងមានតម្លៃថ្លៃ។ ដូច្នេះ ស្រទាប់ខាងក្រោមដែលប្រើជាទូទៅក្នុងការលូតលាស់របស់ GaN epitaxial គឺភាគច្រើនជា Si, SiC, ត្បូងកណ្តៀង។ល។ [3] ។
គំនូសតាង 3 GaN និងប៉ារ៉ាម៉ែត្រនៃសម្ភារៈស្រទាប់ខាងក្រោមដែលប្រើជាទូទៅ
GaN epitaxy នៅលើត្បូងកណ្តៀង
ត្បូងកណ្តៀងមានលក្ខណៈសម្បត្តិគីមីមានស្ថេរភាព តម្លៃថោក និងមានភាពចាស់ទុំខ្ពស់នៃឧស្សាហកម្មផលិតកម្មខ្នាតធំ។ ដូច្នេះហើយ វាបានក្លាយជាសម្ភារៈស្រទាប់ខាងក្រោមដំបូងបំផុត និងប្រើប្រាស់យ៉ាងទូលំទូលាយបំផុតនៅក្នុងវិស្វកម្មឧបករណ៍ semiconductor ។ ក្នុងនាមជាស្រទាប់ខាងក្រោមដែលប្រើជាទូទៅសម្រាប់ GaN epitaxy បញ្ហាចម្បងដែលត្រូវដោះស្រាយសម្រាប់ស្រទាប់ខាងក្រោមត្បូងកណ្តៀងគឺ៖
✔ ដោយសារបន្ទះឈើធំមិនស៊ីគ្នារវាងត្បូងកណ្តៀង (Al2O3) និង GaN (ប្រហែល 15%) ដង់ស៊ីតេនៃពិការភាពនៅចំណុចប្រទាក់រវាងស្រទាប់អេពីតាស៊ីល និងស្រទាប់ខាងក្រោមគឺខ្ពស់ណាស់។ ដើម្បីកាត់បន្ថយផលប៉ះពាល់អវិជ្ជមានរបស់វា ស្រទាប់ខាងក្រោមត្រូវតែត្រូវបានទទួលរងនូវការព្យាបាលដោយស្មុគស្មាញ មុនពេលដំណើរការ epitaxy ចាប់ផ្តើម។ មុនពេលរីកលូតលាស់ GaN epitaxy នៅលើស្រទាប់ខាងក្រោមត្បូងកណ្តៀង ផ្ទៃស្រទាប់ខាងក្រោមត្រូវតែត្រូវបានសម្អាតយ៉ាងតឹងរ៉ឹងជាមុនសិន ដើម្បីលុបភាពកខ្វក់ ការខូចខាតសំណល់ប៉ូលា។ល។ និងដើម្បីបង្កើតរចនាសម្ព័ន្ធផ្ទៃជំហាន និងជំហាន។ បន្ទាប់មកផ្ទៃស្រទាប់ខាងក្រោមត្រូវបាន nitrided ដើម្បីផ្លាស់ប្តូរលក្ខណៈសម្បត្តិសើមនៃស្រទាប់ epitaxial ។ ជាចុងក្រោយ ស្រទាប់សតិបណ្ដោះអាសន្ន AlN ស្តើង (ជាធម្មតា 10-100nm ក្រាស់) ត្រូវការដាក់លើផ្ទៃស្រទាប់ខាងក្រោម ហើយត្រូវបានបិទភ្ជាប់នៅសីតុណ្ហភាពទាប ដើម្បីរៀបចំសម្រាប់ការលូតលាស់ epitaxial ចុងក្រោយ។ ទោះបីជាដូច្នេះក៏ដោយ ដង់ស៊ីតេនៃការផ្លាស់ទីលំនៅនៅក្នុងខ្សែភាពយន្ត GaN epitaxial ដែលដុះនៅលើស្រទាប់ខាងក្រោមត្បូងកណ្តៀងនៅតែខ្ពស់ជាងខ្សែភាពយន្ត homoepitaxial (ប្រហែល 1010cm-2 បើប្រៀបធៀបជាមួយនឹងដង់ស៊ីតេនៃការផ្លាស់ទីលំនៅជាសូន្យនៅក្នុងខ្សែភាពយន្ត silicon homoepitaxial films ឬ gallium arsenide homoepitaxial films 104-10cm ឬរវាង 1 ២). ដង់ស៊ីតេនៃពិការភាពកាន់តែខ្ពស់កាត់បន្ថយការចល័តរបស់ក្រុមហ៊ុនដឹកជញ្ជូន ដោយហេតុនេះធ្វើឱ្យអាយុកាលរបស់ក្រុមហ៊ុនដឹកជញ្ជូនតូចតាចខ្លី និងកាត់បន្ថយចរន្តកម្ដៅ ដែលទាំងអស់នេះនឹងកាត់បន្ថយដំណើរការឧបករណ៍ [4];
✔ មេគុណពង្រីកកំដៅនៃត្បូងកណ្តៀងគឺធំជាង GaN ដូច្នេះភាពតានតឹងបង្ហាប់ biaxial នឹងត្រូវបានបង្កើតនៅក្នុងស្រទាប់ epitaxial កំឡុងពេលដំណើរការនៃការត្រជាក់ពីសីតុណ្ហភាពដីទៅសីតុណ្ហភាពបន្ទប់។ សម្រាប់ខ្សែភាពយន្ត epitaxial ក្រាស់ ភាពតានតឹងនេះអាចបណ្តាលឱ្យមានការប្រេះស្រាំនៃខ្សែភាពយន្ត ឬសូម្បីតែស្រទាប់ខាងក្រោម។
✔បើប្រៀបធៀបជាមួយស្រទាប់ខាងក្រោមផ្សេងទៀត ចរន្តកំដៅនៃស្រទាប់ខាងក្រោមត្បូងកណ្តៀងគឺទាបជាង (ប្រហែល 0.25W*cm-1*K-1 នៅសីតុណ្ហភាព 100℃) ហើយប្រសិទ្ធភាពនៃការសាយភាយកំដៅគឺខ្សោយ។
✔ ដោយសារតែដំណើរការមិនល្អរបស់វា ស្រទាប់ខាងក្រោមត្បូងកណ្តៀងមិនអំណោយផលដល់ការរួមបញ្ចូល និងកម្មវិធីរបស់ពួកគេជាមួយឧបករណ៍ semiconductor ផ្សេងទៀត។
ទោះបីជាដង់ស៊ីតេនៃពិការភាពនៃស្រទាប់ epitaxial GaN ដែលដុះនៅលើស្រទាប់ខាងក្រោមត្បូងកណ្តៀងគឺខ្ពស់ក៏ដោយ វាហាក់ដូចជាមិនកាត់បន្ថយប្រសិទ្ធភាព optoelectronic នៃ LEDs ពណ៌ខៀវបៃតងដែលមានមូលដ្ឋានលើ GaN នោះទេ ដូច្នេះស្រទាប់ខាងក្រោមត្បូងកណ្តៀងនៅតែត្រូវបានប្រើប្រាស់ជាទូទៅសម្រាប់ស្រទាប់ខាងក្រោម LED ដែលមានមូលដ្ឋានលើ GaN ។
ជាមួយនឹងការអភិវឌ្ឍន៍កម្មវិធីថ្មីបន្ថែមទៀតនៃឧបករណ៍ GaN ដូចជាឡាស៊ែរ ឬឧបករណ៍ថាមពលដង់ស៊ីតេខ្ពស់ផ្សេងទៀត ពិការភាពនៃស្រទាប់ខាងក្រោមត្បូងកណ្តៀងបានក្លាយជាដែនកំណត់លើកម្មវិធីរបស់ពួកគេ។ លើសពីនេះ ជាមួយនឹងការអភិវឌ្ឍន៍បច្ចេកវិទ្យានៃការលូតលាស់ស្រទាប់ខាងក្រោម SiC ការកាត់បន្ថយថ្លៃដើម និងភាពចាស់ទុំនៃបច្ចេកវិទ្យា GaN epitaxial លើស្រទាប់ខាងក្រោម Si ការស្រាវជ្រាវបន្ថែមលើការរីកលូតលាស់ស្រទាប់ GaN epitaxial នៅលើស្រទាប់ខាងក្រោមត្បូងកណ្តៀងបានបង្ហាញពីនិន្នាការត្រជាក់បន្តិចម្តងៗ។
GaN epitaxy នៅលើ SiC
បើប្រៀបធៀបជាមួយត្បូងកណ្តៀង ស្រទាប់ខាងក្រោម SiC (4H- និង 6H-crystals) មានភាពមិនស៊ីគ្នានៃបន្ទះឈើតូចជាងជាមួយស្រទាប់ GaN epitaxial (3.1%, ស្មើនឹង [0001] ខ្សែភាពយន្ត epitaxial តម្រង់ទិស), ចរន្តកំដៅខ្ពស់ជាង (ប្រហែល 3.8W*cm-1*K -1) ជាដើម លើសពីនេះ ចរន្តនៃស្រទាប់ខាងក្រោម SiC ក៏អនុញ្ញាតឱ្យមានទំនាក់ទំនងអគ្គិសនីផងដែរ។ ផលិតនៅផ្នែកខាងក្រោយនៃស្រទាប់ខាងក្រោម ដែលជួយសម្រួលដល់រចនាសម្ព័ន្ធឧបករណ៍។ អត្ថិភាពនៃគុណសម្បត្តិទាំងនេះបានទាក់ទាញអ្នកស្រាវជ្រាវកាន់តែច្រើនឡើងដើម្បីធ្វើការលើ GaN epitaxy លើស្រទាប់ខាងក្រោមស៊ីលីកុនកាបូន។
ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ការធ្វើការដោយផ្ទាល់លើស្រទាប់ខាងក្រោម SiC ដើម្បីជៀសវាងការរីកលូតលាស់នៃ epilayers GaN ក៏ប្រឈមមុខនឹងគុណវិបត្តិជាបន្តបន្ទាប់ រួមទាំងដូចខាងក្រោម៖
✔ ភាពរដុបនៃស្រទាប់ខាងក្រោម SiC គឺខ្ពស់ជាងស្រទាប់ខាងក្រោមត្បូងកណ្តៀង (ភាពរដុបនៃត្បូងកណ្តៀង 0.1nm RMS, SiC roughness 1nm RMS) ស្រទាប់ខាងក្រោម SiC មានភាពរឹងខ្ពស់ និងដំណើរការមិនល្អ ហើយភាពរដុប និងការខូចខាតសំណល់ប៉ូលាក៏ជាផ្នែកមួយផងដែរ។ ប្រភពនៃពិការភាពនៅក្នុង epilayers GaN ។
✔ ដង់ស៊ីតេនៃការផ្លាស់ទីលំនៅរបស់វីសនៃស្រទាប់ខាងក្រោម SiC គឺខ្ពស់ (ដង់ស៊ីតេនៃការផ្លាស់ទីលំនៅ 103-104cm-2) ការផ្លាស់ទីលំនៅរបស់វីសអាចរីករាលដាលទៅ epilayer GaN និងកាត់បន្ថយដំណើរការឧបករណ៍។
✔ ការរៀបចំអាតូមិចលើផ្ទៃស្រទាប់ខាងក្រោម បណ្តាលឱ្យមានការបង្កើតកំហុសជង់ (BSFs) នៅក្នុងស្រទាប់អេពីដេ GaN ។ សម្រាប់ epitaxial GaN នៅលើស្រទាប់ខាងក្រោម SiC មានលំដាប់នៃការរៀបចំអាតូមិកជាច្រើននៅលើស្រទាប់ខាងក្រោម ដែលបណ្តាលឱ្យមានលំដាប់អាតូមដំបូងមិនស៊ីសង្វាក់គ្នានៃស្រទាប់ GaN epitaxial នៅលើវា ដែលងាយនឹងមានកំហុសក្នុងការជង់។ កំហុសជង់ (SFs) ណែនាំវាលអគ្គីសនីដែលភ្ជាប់មកជាមួយនៅតាមបណ្តោយអ័ក្ស c ដែលនាំឱ្យមានបញ្ហាដូចជាការលេចធ្លាយនៃឧបករណ៍បំបែកក្រុមហ៊ុនដឹកជញ្ជូនក្នុងយន្តហោះ។
✔មេគុណពង្រីកកំដៅនៃស្រទាប់ខាងក្រោម SiC មានទំហំតូចជាង AlN និង GaN ដែលបណ្តាលឱ្យមានការប្រមូលផ្តុំភាពតានតឹងកម្ដៅរវាងស្រទាប់ epitaxial និងស្រទាប់ខាងក្រោមកំឡុងពេលដំណើរការត្រជាក់។ Waltereit និង Brand បានព្យាករណ៍ដោយផ្អែកលើលទ្ធផលស្រាវជ្រាវរបស់ពួកគេថា បញ្ហានេះអាចត្រូវបានកាត់បន្ថយ ឬដោះស្រាយដោយការរីកលូតលាស់ស្រទាប់ GaN epitaxial នៅលើស្រទាប់ AlN nucleation ស្តើង និងស្អិតជាប់គ្នា។
✔បញ្ហានៃការសើមខ្សោយនៃអាតូម Ga ។ នៅពេលដែលការរីកលូតលាស់ស្រទាប់ GaN epitaxial ដោយផ្ទាល់លើផ្ទៃ SiC ដោយសារតែសំណើមមិនល្អរវាងអាតូមទាំងពីរ GaN ងាយនឹងការលូតលាស់របស់កោះ 3D លើផ្ទៃស្រទាប់ខាងក្រោម។ ការណែនាំស្រទាប់សតិបណ្ដោះអាសន្នគឺជាដំណោះស្រាយដែលប្រើជាទូទៅបំផុតដើម្បីកែលម្អគុណភាពនៃសម្ភារៈអេពីតាស៊ីលនៅក្នុង GaN epitaxy ។ ការណែនាំស្រទាប់បណ្ដោះអាសន្ន AlN ឬ AlxGa1-xN អាចធ្វើអោយប្រសើរឡើងនូវភាពសើមនៃផ្ទៃ SiC និងធ្វើឱ្យស្រទាប់ GaN epitaxial លូតលាស់ជាពីរវិមាត្រ។ លើសពីនេះ វាក៏អាចគ្រប់គ្រងភាពតានតឹង និងការពារពិការភាពស្រទាប់ខាងក្រោមពីការលាតសន្ធឹងទៅ GaN epitaxy;
✔ បច្ចេកវិជ្ជារៀបចំស្រទាប់ខាងក្រោម SiC មិនទាន់ពេញវ័យ ការចំណាយលើស្រទាប់ខាងក្រោមខ្ពស់ ហើយមានអ្នកផ្គត់ផ្គង់តិចតួច និងការផ្គត់ផ្គង់តិចតួច។
ការស្រាវជ្រាវរបស់ Torres et al. បង្ហាញថាការឆ្លាក់ស្រទាប់ខាងក្រោម SiC ជាមួយ H2 នៅសីតុណ្ហភាពខ្ពស់ (1600°C) មុនពេល epitaxy អាចបង្កើតរចនាសម្ព័ន្ធជំហានដែលមានលំដាប់បន្ថែមទៀតលើផ្ទៃស្រទាប់ខាងក្រោម ដោយហេតុនេះអាចទទួលបានខ្សែភាពយន្ត AlN epitaxial ដែលមានគុណភាពខ្ពស់ជាងពេលដែលវាផ្ទាល់។ ដុះលើផ្ទៃស្រទាប់ខាងក្រោមដើម។ Xie និងការស្រាវជ្រាវរបស់ក្រុមរបស់គាត់ក៏បង្ហាញផងដែរថាការកែឆ្កូតនៃស្រទាប់ខាងក្រោមស៊ីលីកុនកាបូនអាចធ្វើអោយប្រសើរឡើងនូវរូបរាង និងគុណភាពគ្រីស្តាល់នៃស្រទាប់ GaN epitaxial ។ Smith et al ។ បានរកឃើញថាការផ្លាស់ទីលំនៅរបស់ខ្សែស្រឡាយដែលមានប្រភពចេញពីស្រទាប់ខាងក្រោម/ស្រទាប់សតិបណ្ដោះអាសន្ន និងស្រទាប់សតិបណ្ដោះអាសន្ន/ចំណុចប្រទាក់ស្រទាប់ epitaxial គឺទាក់ទងទៅនឹងភាពរាបស្មើនៃស្រទាប់ខាងក្រោម [5]។
រូបភាពទី 4 TEM morphology នៃគំរូស្រទាប់ epitaxial GaN លូតលាស់នៅលើស្រទាប់ខាងក្រោម 6H-SiC (0001) ក្រោមលក្ខខណ្ឌព្យាបាលលើផ្ទៃផ្សេងៗគ្នា (ក) ការសម្អាតគីមី; (ខ) ការសម្អាតគីមី + ការព្យាបាលដោយអ៊ីដ្រូសែនប្លាស្មា; (គ) ការសម្អាតគីមី + ការព្យាបាលដោយអ៊ីដ្រូសែនប្លាស្មា + ការព្យាបាលកំដៅអ៊ីដ្រូសែន 1300 ℃ រយៈពេល 30 នាទី
GaN epitaxy នៅលើ Si
បើប្រៀបធៀបជាមួយស៊ីលីកុន កាប៊ីត ត្បូងកណ្តៀង និងស្រទាប់ខាងក្រោមផ្សេងទៀត ដំណើរការរៀបចំស្រទាប់ខាងក្រោមស៊ីលីកុនមានភាពចាស់ទុំ ហើយវាអាចផ្តល់នូវស្រទាប់ខាងក្រោមដែលមានទំហំធំពេញវ័យជាមួយនឹងដំណើរការចំណាយខ្ពស់។ ទន្ទឹមនឹងនេះចរន្តកំដៅនិងចរន្តអគ្គិសនីគឺល្អហើយដំណើរការឧបករណ៍អេឡិចត្រូនិក Si មានភាពចាស់ទុំ។ លទ្ធភាពនៃការរួមបញ្ចូលយ៉ាងល្អឥតខ្ចោះនូវឧបករណ៍ Optoelectronic GaN ជាមួយនឹងឧបករណ៍អេឡិចត្រូនិក Si នាពេលអនាគតក៏ធ្វើឱ្យការលូតលាស់របស់ GaN epitaxy លើស៊ីលីកូនមានភាពទាក់ទាញខ្លាំងផងដែរ។
ទោះបីជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ដោយសារតែភាពខុសគ្នាដ៏ធំនៃថេរបន្ទះរវាងស្រទាប់ខាងក្រោម Si និងសម្ភារៈ GaN នោះ epitaxy តំណពូជនៃ GaN នៅលើស្រទាប់ខាងក្រោម Si គឺជា epitaxy មិនស៊ីគ្នាដ៏ធំធម្មតា ហើយវាក៏ត្រូវប្រឈមមុខនឹងបញ្ហាជាបន្តបន្ទាប់ផងដែរ៖
✔បញ្ហាថាមពលចំណុចប្រទាក់ផ្ទៃ។ នៅពេលដែល GaN លូតលាស់នៅលើស្រទាប់ខាងក្រោម Si ផ្ទៃនៃស្រទាប់ខាងក្រោម Si នឹងត្រូវបាន nitrided ដើម្បីបង្កើតជាស្រទាប់ amorphous silicon nitride ដែលមិនអំណោយផលដល់ការ nucleation និងការលូតលាស់នៃ GaN ដង់ស៊ីតេខ្ពស់។ លើសពីនេះ ផ្ទៃ Si នឹងទាក់ទង Ga ជាដំបូង ដែលនឹងធ្វើឱ្យខូចផ្ទៃនៃស្រទាប់ខាងក្រោម Si ។ នៅសីតុណ្ហភាពខ្ពស់ ការរលួយនៃផ្ទៃ Si នឹងសាយភាយចូលទៅក្នុងស្រទាប់ GaN epitaxial ដើម្បីបង្កើតជាចំណុចស៊ីលីកុនខ្មៅ។
✔ ភាពមិនស៊ីសង្វាក់គ្នានៃបន្ទះឈើរវាង GaN និង Si មានទំហំធំ (~17%) ដែលនឹងនាំឱ្យមានការបង្កើតការផ្លាស់ទីលំនៅនៃខ្សែស្រឡាយដែលមានដង់ស៊ីតេខ្ពស់ និងកាត់បន្ថយគុណភាពនៃស្រទាប់ epitaxial យ៉ាងខ្លាំង។
✔បើប្រៀបធៀបជាមួយ Si, GaN មានមេគុណពង្រីកកម្ដៅធំជាង (មេគុណពង្រីកកម្ដៅរបស់ GaN គឺប្រហែល 5.6×10-6K-1, មេគុណពង្រីកកម្ដៅរបស់ Si គឺប្រហែល 2.6×10-6K-1) ហើយស្នាមប្រេះអាចត្រូវបានបង្កើតនៅក្នុង GaN ស្រទាប់ epitaxial កំឡុងពេលត្រជាក់នៃសីតុណ្ហភាព epitaxial ទៅសីតុណ្ហភាពបន្ទប់;
✔ Si មានប្រតិកម្មជាមួយ NH3 នៅសីតុណ្ហភាពខ្ពស់ដើម្បីបង្កើតជា polycrystalline SiNx ។ AlN មិនអាចបង្កើតជាស្នូលតម្រង់ទិសនិយមលើ polycrystalline SiNx ដែលនាំទៅរកការតំរង់ទិសមិនប្រក្រតីនៃស្រទាប់ GaN ដែលលូតលាស់ជាបន្តបន្ទាប់ និងពិការភាពច្រើន ដែលបណ្តាលឱ្យមានគុណភាពគ្រីស្តាល់ខ្សោយនៃស្រទាប់ GaN epitaxial ហើយថែមទាំងពិបាកក្នុងការបង្កើតគ្រីស្តាល់តែមួយ។ ស្រទាប់ epitaxial GaN [6] ។
ដើម្បីដោះស្រាយបញ្ហានៃភាពមិនស៊ីគ្នានៃបន្ទះឈើធំ អ្នកស្រាវជ្រាវបានព្យាយាមណែនាំសម្ភារៈដូចជា AlAs GaAs AlN GaN ZnO និង SiC ជាស្រទាប់ទ្រនាប់នៅលើស្រទាប់ខាងក្រោម Si ។ ដើម្បីជៀសវាងការបង្កើត polycrystalline SiNx និងកាត់បន្ថយផលប៉ះពាល់អវិជ្ជមានរបស់វាទៅលើគុណភាពគ្រីស្តាល់នៃសម្ភារៈ GaN/AlN/Si (111) ជាធម្មតា TMAL ត្រូវបានគេតម្រូវឱ្យណែនាំក្នុងរយៈពេលជាក់លាក់មួយ មុនពេលការលូតលាស់ epitaxial នៃស្រទាប់បណ្ដោះអាសន្ន AlN ដើម្បីការពារ NH3 ពីប្រតិកម្មជាមួយនឹងផ្ទៃ Si ដែលលាតត្រដាងដើម្បីបង្កើត SiNx ។ លើសពីនេះទៀត បច្ចេកវិជ្ជា epitaxial ដូចជាបច្ចេកវិទ្យាស្រទាប់ខាងក្រោមដែលមានលំនាំអាចត្រូវបានប្រើដើម្បីកែលម្អគុណភាពនៃស្រទាប់ epitaxial ។ ការអភិវឌ្ឍន៍នៃបច្ចេកវិទ្យាទាំងនេះជួយទប់ស្កាត់ការបង្កើត SiNx នៅចំណុចប្រទាក់ epitaxial ជំរុញការលូតលាស់ពីរវិមាត្រនៃស្រទាប់ GaN epitaxial និងធ្វើអោយប្រសើរឡើងនូវគុណភាពលូតលាស់នៃស្រទាប់ epitaxial ។ លើសពីនេះទៀតស្រទាប់សតិបណ្ដោះអាសន្ន AlN ត្រូវបានណែនាំដើម្បីទូទាត់សងសម្រាប់ភាពតានតឹង tensile ដែលបណ្តាលមកពីភាពខុសគ្នានៃមេគុណពង្រីកកម្ដៅ ដើម្បីជៀសវាងការបង្ក្រាបនៅក្នុងស្រទាប់ GaN epitaxial នៅលើស្រទាប់ខាងក្រោមស៊ីលីកុន។ ការស្រាវជ្រាវរបស់ Krost បង្ហាញថាមានទំនាក់ទំនងវិជ្ជមានរវាងកម្រាស់នៃស្រទាប់សតិបណ្ដោះអាសន្ន AlN និងការថយចុះនៃសំពាធ។ នៅពេលដែលកម្រាស់ស្រទាប់ទ្រនាប់ឡើងដល់ 12nm ស្រទាប់ epitaxial ក្រាស់ជាង 6μm អាចត្រូវបានដាំដុះនៅលើស្រទាប់ខាងក្រោមស៊ីលីកុន តាមរយៈគ្រោងការណ៍លូតលាស់សមស្របដោយមិនមានការបំបែកស្រទាប់ epitaxial ។
បន្ទាប់ពីការខិតខំប្រឹងប្រែងរយៈពេលវែងដោយក្រុមអ្នកស្រាវជ្រាវ គុណភាពនៃស្រទាប់អេពីតាស៊ីល GaN ដែលត្រូវបានដាំដុះនៅលើស្រទាប់ខាងក្រោមស៊ីលីកុនត្រូវបានធ្វើឱ្យប្រសើរឡើងយ៉ាងខ្លាំង ហើយឧបករណ៍ដូចជាត្រង់ស៊ីស្ទ័របែបផែនវាល ឧបករណ៍ចាប់កាំរស្មីអ៊ុលត្រាវីយូឡេរបាំង Schottky អំពូល LED ពណ៌ខៀវបៃតង និងកាំរស្មីអ៊ុលត្រាវីយូឡេមានការរីកចម្រើនគួរឱ្យកត់សម្គាល់។
សរុបមក ចាប់តាំងពីស្រទាប់ខាងក្រោម GaN epitaxial ដែលប្រើជាទូទៅគឺជា epitaxy ខុសធម្មតា ពួកវាទាំងអស់ប្រឈមមុខនឹងបញ្ហាទូទៅដូចជាការមិនស៊ីគ្នានៃបន្ទះឈើ និងភាពខុសគ្នាដ៏ធំនៃមេគុណពង្រីកកំដៅដល់កម្រិតផ្សេងៗគ្នា។ ស្រទាប់ខាងក្រោម GaN ដែលមានលក្ខណៈដូចគ្នាត្រូវបានកំណត់ដោយភាពចាស់ទុំនៃបច្ចេកវិទ្យា ហើយស្រទាប់ខាងក្រោមមិនទាន់ត្រូវបានផលិតទ្រង់ទ្រាយធំនៅឡើយ។ ថ្លៃដើមផលិតកម្មខ្ពស់ ទំហំស្រទាប់ខាងក្រោមតូច ហើយគុណភាពស្រទាប់ខាងក្រោមមិនសមស្របទេ។ ការអភិវឌ្ឍន៍នៃស្រទាប់ខាងក្រោម epitaxial GaN ថ្មី និងការធ្វើឱ្យប្រសើរឡើងនូវគុណភាព epitaxial នៅតែជាកត្តាសំខាន់មួយដែលដាក់កម្រិតលើការអភិវឌ្ឍន៍បន្ថែមទៀតនៃឧស្សាហកម្ម GaN epitaxial ។
IV. វិធីសាស្រ្តទូទៅសម្រាប់ GaN epitaxy
MOCVD (ការបញ្ចេញចំហាយគីមី)
វាហាក់ដូចជាថា epitaxy ដូចគ្នានៅលើស្រទាប់ខាងក្រោម GaN គឺជាជម្រើសដ៏ល្អបំផុតសម្រាប់ GaN epitaxy ។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ដោយសារមុនគេនៃការបញ្ចេញចំហាយគីមីគឺ trimethylgallium និងអាម៉ូញាក់ ហើយឧស្ម័នដែលផ្ទុកគឺអ៊ីដ្រូសែន សីតុណ្ហភាពលូតលាស់ MOCVD ធម្មតាគឺប្រហែល 1000-1100 ℃ ហើយអត្រាកំណើននៃ MOCVD គឺប្រហែលពីរបីមីក្រូក្នុងមួយម៉ោង។ វាអាចបង្កើតចំណុចប្រទាក់ដ៏ចោតនៅកម្រិតអាតូម ដែលស័ក្តិសមបំផុតសម្រាប់ការរីកលូតលាស់ heterojunctions, quantum wells, superlattices និងរចនាសម្ព័ន្ធផ្សេងទៀត។ អត្រាកំណើនលឿន ឯកសណ្ឋានល្អ និងភាពស័ក្តិសមសម្រាប់ការលូតលាស់ផ្នែកធំ និងច្រើនផ្នែក ជារឿយៗត្រូវបានប្រើប្រាស់ក្នុងផលិតកម្មឧស្សាហកម្ម។
MBE (អេពីតាស៊ីនៃធ្នឹមម៉ូលេគុល)
នៅក្នុង epitaxy ធ្នឹមម៉ូលេគុល Ga ប្រើប្រភពធាតុមួយ ហើយអាសូតសកម្មត្រូវបានទទួលពីអាសូតតាមរយៈប្លាស្មា RF ។ បើប្រៀបធៀបជាមួយវិធីសាស្ត្រ MOCVD សីតុណ្ហភាពលូតលាស់ MBE គឺទាបជាង 350-400 ℃។ សីតុណ្ហភាពលូតលាស់ទាបអាចជៀសវាងការបំពុលជាក់លាក់ដែលអាចបណ្តាលមកពីបរិយាកាសសីតុណ្ហភាពខ្ពស់។ ប្រព័ន្ធ MBE ដំណើរការក្រោមការបូមធូលីខ្ពស់ ដែលអនុញ្ញាតឱ្យវាបញ្ចូលវិធីសាស្ត្ររាវរកនៅក្នុងកន្លែងបន្ថែមទៀត។ ទន្ទឹមនឹងនេះ អត្រាកំណើន និងសមត្ថភាពផលិតរបស់វាមិនអាចប្រៀបធៀបជាមួយ MOCVD បានទេ ហើយវាត្រូវបានប្រើប្រាស់ច្រើនជាងក្នុងការស្រាវជ្រាវវិទ្យាសាស្ត្រ [7] ។
រូបភាពទី 5 (a) Eiko-MBE schematic (b) MBE main reaction chamber schematic
វិធីសាស្ត្រ HVPE (អ៊ីដ្រូសែនដំណាក់កាលអ៊ីដ្រូសែនអេទីតាស៊ី)
មុនគេនៃវិធីសាស្ត្រអេពីតាស៊ីដំណាក់កាលអ៊ីដ្រូសែនគឺ GaCl3 និង NH3 ។ Detchprohm et al ។ បានប្រើវិធីនេះដើម្បីបណ្តុះស្រទាប់ GaN epitaxial ក្រាស់រាប់រយមីក្រូននៅលើផ្ទៃនៃស្រទាប់ខាងក្រោមត្បូងកណ្តៀង។ នៅក្នុងការពិសោធន៍របស់ពួកគេ ស្រទាប់នៃ ZnO ត្រូវបានដាំដុះរវាងស្រទាប់ខាងក្រោមត្បូងកណ្តៀង និងស្រទាប់ epitaxial ជាស្រទាប់ទ្រនាប់ ហើយស្រទាប់ epitaxial ត្រូវបានបកចេញពីផ្ទៃស្រទាប់ខាងក្រោម។ បើប្រៀបធៀបជាមួយ MOCVD និង MBE លក្ខណៈសំខាន់នៃវិធីសាស្ត្រ HVPE គឺអត្រាកំណើនខ្ពស់របស់វា ដែលស័ក្តិសមសម្រាប់ការផលិតស្រទាប់ក្រាស់ និងសម្ភារៈភាគច្រើន។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយនៅពេលដែលកម្រាស់នៃស្រទាប់ epitaxial លើសពី 20μm ស្រទាប់ epitaxial ដែលផលិតដោយវិធីសាស្រ្តនេះគឺងាយនឹងប្រេះ។
Akira USUI បានណែនាំបច្ចេកវិទ្យាស្រទាប់ខាងក្រោមដែលមានលំនាំដោយផ្អែកលើវិធីសាស្ត្រនេះ។ ដំបូងពួកគេបានបង្កើតស្រទាប់ GaN epitaxial ក្រាស់ 1-1.5μm នៅលើស្រទាប់ខាងក្រោមត្បូងកណ្តៀងដោយប្រើវិធីសាស្ត្រ MOCVD ។ ស្រទាប់ epitaxial មានស្រទាប់ការពារ GaN ក្រាស់ 20nm លូតលាស់ក្រោមលក្ខខណ្ឌសីតុណ្ហភាពទាប និងស្រទាប់ GaN លូតលាស់ក្រោមលក្ខខណ្ឌសីតុណ្ហភាពខ្ពស់។ បន្ទាប់មកនៅសីតុណ្ហភាព 430 ℃ ស្រទាប់ SiO2 ត្រូវបានលាបលើផ្ទៃនៃស្រទាប់ epitaxial ហើយឆ្នូតបង្អួចត្រូវបានធ្វើឡើងនៅលើខ្សែភាពយន្ត SiO2 ដោយ photolithography ។ គម្លាតឆ្នូតគឺ 7μm ហើយទទឹងរបាំងមានចាប់ពី 1μm ដល់ 4μm។ បន្ទាប់ពីការកែលម្អនេះ ពួកគេទទួលបានស្រទាប់ GaN epitaxial នៅលើស្រទាប់ខាងក្រោមត្បូងកណ្តៀងដែលមានអង្កត់ផ្ចិត 2 អ៊ីញ ដែលមិនមានស្នាមប្រេះ និងរលោងដូចកញ្ចក់ ទោះបីជាកម្រាស់បានកើនឡើងដល់រាប់សិប ឬរាប់រយមីក្រូនក៏ដោយ។ ដង់ស៊ីតេពិការភាពត្រូវបានកាត់បន្ថយពី 109-1010cm-2 នៃវិធីសាស្ត្រ HVPE ប្រពៃណីទៅប្រហែល 6×107cm-2 ។ ពួកគេក៏បានចង្អុលបង្ហាញនៅក្នុងការពិសោធន៍ថានៅពេលដែលអត្រាកំណើនលើសពី 75μm/h ផ្ទៃគំរូនឹងក្លាយទៅជារដុប[8]។
រូបភាពទី 6 គ្រោងការណ៍ក្រាហ្វិកស្រទាប់ខាងក្រោម
V. សេចក្តីសង្ខេប និងទស្សនវិស័យ
សមា្ភារៈ GaN បានចាប់ផ្តើមលេចឡើងនៅក្នុងឆ្នាំ 2014 នៅពេលដែលអំពូល LED ពណ៌ខៀវបានឈ្នះរង្វាន់ណូបែលរូបវិទ្យានៅឆ្នាំនោះ ហើយបានចូលទៅក្នុងវិស័យសាធារណៈនៃកម្មវិធីសាកថ្មលឿននៅក្នុងវិស័យអេឡិចត្រូនិក។ តាមពិតទៅ កម្មវិធីនៅក្នុង power amplifiers និង RF ឧបករណ៍ដែលប្រើនៅក្នុងស្ថានីយ៍មូលដ្ឋាន 5G ដែលមនុស្សភាគច្រើនមើលមិនឃើញក៏លេចចេញដោយស្ងាត់ៗដែរ។ ក្នុងរយៈពេលប៉ុន្មានឆ្នាំចុងក្រោយនេះ ការទម្លាយឧបករណ៍ថាមពលថ្នាក់រថយន្តដែលមានមូលដ្ឋានលើ GaN ត្រូវបានគេរំពឹងថានឹងបើកចំណុចរីកចម្រើនថ្មីសម្រាប់ទីផ្សារកម្មវិធីសម្ភារៈ GaN ។
តម្រូវការទីផ្សារដ៏ធំពិតជានឹងជំរុញការអភិវឌ្ឍន៍នៃឧស្សាហកម្ម និងបច្ចេកវិទ្យាដែលទាក់ទងនឹង GaN ។ ជាមួយនឹងភាពចាស់ទុំ និងការកែលម្អនៃខ្សែសង្វាក់ឧស្សាហកម្មដែលទាក់ទងនឹង GaN បញ្ហាដែលប្រឈមមុខដោយបច្ចេកវិជ្ជា GaN epitaxial បច្ចុប្បន្ននឹងត្រូវបានកែលម្អ ឬយកឈ្នះជាយថាហេតុ។ នៅពេលអនាគត មនុស្សប្រាកដជានឹងអភិវឌ្ឍបច្ចេកវិទ្យា epitaxial ថ្មីបន្ថែមទៀត និងជម្រើសស្រទាប់ខាងក្រោមដ៏ល្អឥតខ្ចោះ។ នៅពេលនោះ មនុស្សនឹងអាចជ្រើសរើសបច្ចេកវិជ្ជាស្រាវជ្រាវខាងក្រៅ និងស្រទាប់ខាងក្រោមដែលសមរម្យបំផុតសម្រាប់សេណារីយ៉ូកម្មវិធីផ្សេងៗគ្នា យោងទៅតាមលក្ខណៈនៃសេណារីយ៉ូកម្មវិធី ហើយផលិតផលិតផលតាមតម្រូវការដែលមានការប្រកួតប្រជែងបំផុត។
ពេលវេលាបង្ហោះ៖ ថ្ងៃទី 28-06-2024