1. เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม
เทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรกได้รับการพัฒนาโดยใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เช่น Si และ Ge เป็นวัสดุพื้นฐานสำหรับการพัฒนาทรานซิสเตอร์และเทคโนโลยีวงจรรวม วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรกวางรากฐานสำหรับอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ในศตวรรษที่ 20 และเป็นวัสดุพื้นฐานสำหรับเทคโนโลยีวงจรรวม
วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สองส่วนใหญ่ประกอบด้วยแกลเลียมอาร์เซไนด์ อินเดียมฟอสไฟด์ แกลเลียมฟอสไฟด์ อินเดียมอาร์เซไนด์ อะลูมิเนียมอาร์เซไนด์ และสารประกอบไตรนารีของพวกมัน วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สองเป็นรากฐานของอุตสาหกรรมข้อมูลออปโตอิเล็กทรอนิกส์ บนพื้นฐานนี้ อุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้อง เช่น ไฟส่องสว่าง จอแสดงผล เลเซอร์ และเซลล์แสงอาทิตย์ได้รับการพัฒนา มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีสารสนเทศร่วมสมัยและอุตสาหกรรมการแสดงผลออปโตอิเล็กทรอนิกส์
วัสดุที่เป็นตัวแทนของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม ได้แก่ แกลเลียมไนไตรด์และซิลิคอนคาร์ไบด์ เนื่องจากช่องว่างแถบความถี่กว้าง ความเร็วดริฟท์ของความอิ่มตัวของอิเล็กตรอนสูง ค่าการนำความร้อนสูง และความแรงของสนามสลายสูง สิ่งเหล่านี้จึงเป็นวัสดุในอุดมคติสำหรับการเตรียมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูง ความถี่สูง และการสูญเสียต่ำ อุปกรณ์พลังงานซิลิคอนคาร์ไบด์มีข้อดีคือมีความหนาแน่นของพลังงานสูง ใช้พลังงานต่ำ และมีขนาดเล็ก และมีแนวโน้มการใช้งานที่กว้างขวางในยานพาหนะพลังงานใหม่ เซลล์แสงอาทิตย์ การขนส่งทางรถไฟ ข้อมูลขนาดใหญ่ และสาขาอื่นๆ อุปกรณ์ RF แกลเลียมไนไตรด์มีข้อดีคือความถี่สูง กำลังสูง แบนด์วิดท์กว้าง ใช้พลังงานต่ำ และมีขนาดเล็ก และมีแนวโน้มการใช้งานที่กว้างขวางในการสื่อสาร 5G, Internet of Things, เรดาร์ทางการทหาร และสาขาอื่นๆ นอกจากนี้ อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้แกลเลียมไนไตรด์ยังถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในสนามแรงดันไฟฟ้าต่ำ นอกจากนี้ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วัสดุแกลเลียมออกไซด์ที่เกิดขึ้นใหม่คาดว่าจะก่อให้เกิดการเสริมทางเทคนิคด้วยเทคโนโลยี SiC และ GaN ที่มีอยู่ และมีแนวโน้มการใช้งานที่เป็นไปได้ในสนามความถี่ต่ำและไฟฟ้าแรงสูง
เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สอง วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามมีความกว้างของแถบความถี่ที่กว้างกว่า (ความกว้างของแถบความถี่ของ Si ซึ่งเป็นวัสดุทั่วไปของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรก มีค่าประมาณ 1.1eV ความกว้างของแถบความถี่ของ GaAs โดยทั่วไป วัสดุของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สองมีค่าประมาณ 1.42eV และความกว้างของแถบความถี่ของ GaN ซึ่งเป็นวัสดุทั่วไปของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามนั้นอยู่เหนือ 2.3eV) ความต้านทานการแผ่รังสีที่แข็งแกร่ง ความต้านทานต่อการสลายสนามไฟฟ้าที่แข็งแกร่ง และความต้านทานต่ออุณหภูมิที่สูงขึ้น วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามที่มีความกว้างของแถบความถี่กว้างกว่านั้นเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความหนาแน่นสูงที่ทนทานต่อรังสี ความถี่สูง กำลังสูง และมีความหนาแน่นสูง การใช้งานของพวกเขาในอุปกรณ์ความถี่วิทยุไมโครเวฟ, LED, เลเซอร์, อุปกรณ์ไฟฟ้า และสาขาอื่น ๆ ได้รับความสนใจอย่างมาก และได้แสดงให้เห็นถึงแนวโน้มการพัฒนาในวงกว้างในด้านการสื่อสารเคลื่อนที่ สมาร์ทกริด การขนส่งทางรถไฟ ยานพาหนะพลังงานใหม่ เครื่องใช้ไฟฟ้า และรังสีอัลตราไวโอเลตและสีน้ำเงิน -อุปกรณ์ไฟเขียว [1]
แหล่งที่มาของภาพ: CASA สถาบันวิจัยหลักทรัพย์ Zheshang
รูปที่ 1 สเกลเวลาและการพยากรณ์ของอุปกรณ์ไฟฟ้า GaN
โครงสร้างและคุณสมบัติของวัสดุ II GaN
GaN เป็นเซมิคอนดักเตอร์ bandgap โดยตรง ความกว้างของแถบความถี่ของโครงสร้างเวิร์ตไซต์ที่อุณหภูมิห้องคือประมาณ 3.26eV วัสดุ GaN มีโครงสร้างผลึกหลักสามโครงสร้าง ได้แก่ โครงสร้างเวิร์ตไซต์ โครงสร้างสฟาเลอไรต์ และโครงสร้างเกลือสินเธาว์ โครงสร้างเวิร์ตไซต์เป็นโครงสร้างผลึกที่เสถียรที่สุด รูปที่ 2 เป็นแผนภาพโครงสร้าง wurtzite หกเหลี่ยมของ GaN โครงสร้าง wurtzite ของวัสดุ GaN เป็นโครงสร้างปิดอัดหกเหลี่ยม แต่ละหน่วยเซลล์มี 12 อะตอม รวมทั้ง 6 N อะตอม และ 6 Ga อะตอม อะตอม Ga (N) แต่ละอะตอมจะสร้างพันธะกับอะตอม N (Ga) ที่ใกล้ที่สุด 4 อะตอม และเรียงซ้อนกันตามลำดับ ABABAB... ตามทิศทาง [0001] [2]
รูปที่ 2 แผนภาพเซลล์คริสตัล GaN ของโครงสร้าง Wurtzite
III สารตั้งต้นที่ใช้กันทั่วไปสำหรับ GaN epitaxy
ดูเหมือนว่า epitaxy ที่เป็นเนื้อเดียวกันบนพื้นผิว GaN เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับ GaN epitaxy อย่างไรก็ตาม เนื่องจากพลังงานพันธะขนาดใหญ่ของ GaN เมื่ออุณหภูมิถึงจุดหลอมเหลวที่ 2,500 ℃ ความดันการสลายตัวที่สอดคล้องกันจะอยู่ที่ประมาณ 4.5GPa เมื่อความดันการสลายตัวต่ำกว่าความดันนี้ GaN จะไม่ละลาย แต่จะสลายตัวโดยตรง สิ่งนี้ทำให้เทคโนโลยีการเตรียมซับสเตรตที่สมบูรณ์ เช่น วิธี Czochralski ไม่เหมาะสำหรับการเตรียมซับสเตรตผลึกเดี่ยว GaN ทำให้ซับสเตรต GaN ผลิตจำนวนมากได้ยากและมีค่าใช้จ่ายสูง ดังนั้นซับสเตรตที่ใช้กันทั่วไปในการเจริญเติบโตของ epitaxis ของ GaN จึงส่วนใหญ่เป็น Si, SiC, แซฟไฟร์ ฯลฯ [3]
แผนภูมิที่ 3 GaN และพารามิเตอร์ของวัสดุพื้นผิวที่ใช้กันทั่วไป
GaN epitaxy บนไพลิน
แซฟไฟร์มีคุณสมบัติทางเคมีที่เสถียร ราคาถูก และมีความสมบูรณ์สูงในอุตสาหกรรมการผลิตขนาดใหญ่ ดังนั้นจึงกลายเป็นหนึ่งในวัสดุพื้นผิวที่เก่าแก่ที่สุดและใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในวิศวกรรมอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ เนื่องจากเป็นหนึ่งในซับสเตรตที่ใช้กันทั่วไปสำหรับ GaN epitaxy ปัญหาหลักที่ต้องแก้ไขสำหรับซับสเตรตแซฟไฟร์คือ:
✔ เนื่องจากแซฟไฟร์ (Al2O3) และ GaN (ประมาณ 15%) มีขนาดไม่ตรงกันขนาดใหญ่ ความหนาแน่นของข้อบกพร่องที่ส่วนต่อประสานระหว่างชั้นอีปิแอกเชียลและซับสเตรตจึงสูงมาก เพื่อลดผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ พื้นผิวจะต้องได้รับการบำบัดล่วงหน้าที่ซับซ้อนก่อนที่กระบวนการ epitaxy จะเริ่มต้นขึ้น ก่อนที่จะปลูก GaN epitaxy บนพื้นผิวแซฟไฟร์ พื้นผิวของพื้นผิวจะต้องได้รับการทำความสะอาดอย่างเข้มงวดก่อนเพื่อขจัดสิ่งปนเปื้อน ความเสียหายจากการขัดเงาที่ตกค้าง ฯลฯ และเพื่อสร้างขั้นตอนและโครงสร้างพื้นผิวขั้นตอน จากนั้น พื้นผิวของซับสเตรตจะถูกไนไตรด์เพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติการทำให้เปียกของชั้นเอพิแทกเซียล สุดท้าย จะต้องวางชั้นบัฟเฟอร์ AlN บางๆ (โดยปกติจะมีความหนา 10-100 นาโนเมตร) ไว้บนพื้นผิวของซับสเตรต และอบอ่อนที่อุณหภูมิต่ำเพื่อเตรียมสำหรับการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวขั้นสุดท้าย ถึงกระนั้นก็ตาม ความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนในฟิล์ม epitaxis ของ GaN ที่ปลูกบนพื้นผิวแซฟไฟร์ยังคงสูงกว่าของฟิล์มโฮโมอีพิเทกเซียล (ประมาณ 1,010 ซม.-2 เมื่อเทียบกับความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนเป็นศูนย์ในฟิล์มซิลิคอนโฮโมอิพิเทเชียลหรือฟิล์มแกลเลียมอาร์เซไนด์โฮโมอิพิเทกเซียล หรือระหว่าง 102 ถึง 104 ซม.- 2). ความหนาแน่นของข้อบกพร่องที่สูงขึ้นจะช่วยลดความคล่องตัวของผู้ให้บริการ ดังนั้นจึงทำให้อายุการใช้งานของผู้ให้บริการรายย่อยสั้นลง และลดการนำความร้อน ซึ่งทั้งหมดนี้จะลดประสิทธิภาพของอุปกรณ์ [4];
✔ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของแซฟไฟร์มีค่ามากกว่าค่า GaN ดังนั้น ความเครียดจากการบีบอัดแบบสองแกนจะถูกสร้างขึ้นในชั้นอีปิแอกเซียลในระหว่างกระบวนการทำความเย็นจากอุณหภูมิการสะสมไปจนถึงอุณหภูมิห้อง สำหรับฟิล์มอีพิเทเชียลที่หนาขึ้น ความเครียดนี้อาจทำให้เกิดการแตกร้าวของฟิล์มหรือแม้แต่วัสดุพิมพ์
✔ เมื่อเปรียบเทียบกับซับสเตรตอื่น ค่าการนำความร้อนของซับสเตรตแซฟไฟร์ต่ำกว่า (ประมาณ 0.25W*cm-1*K-1 ที่ 100°C) และประสิทธิภาพการกระจายความร้อนไม่ดี
✔ เนื่องจากมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำ พื้นผิวแซฟไฟร์จึงไม่เอื้อต่อการบูรณาการและการใช้งานกับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ
แม้ว่าความหนาแน่นของข้อบกพร่องของชั้น epitaxis ของ GaN ที่ปลูกบนพื้นผิวแซฟไฟร์จะสูง แต่ดูเหมือนว่าจะไม่ลดประสิทธิภาพออปโตอิเล็กทรอนิกส์ของ LED สีน้ำเงินเขียวที่ใช้ GaN อย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้นพื้นผิวแซฟไฟร์ยังคงใช้กันทั่วไปสำหรับพื้นผิวสำหรับ LED ที่ใช้ GaN
ด้วยการพัฒนาแอปพลิเคชันใหม่ๆ ของอุปกรณ์ GaN เช่น เลเซอร์หรืออุปกรณ์พลังงานความหนาแน่นสูงอื่นๆ ข้อบกพร่องโดยธรรมชาติของซับสเตรตแซฟไฟร์จึงกลายเป็นข้อจำกัดในการใช้งานมากขึ้น นอกจากนี้ ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของสารตั้งต้น SiC การลดต้นทุน และความสมบูรณ์ของเทคโนโลยี epitaxis ของ GaN บนสารตั้งต้น Si การวิจัยเพิ่มเติมเกี่ยวกับการเติบโตของชั้น epitaxis ของ GaN บนพื้นผิวแซฟไฟร์ได้ค่อยๆ แสดงให้เห็นแนวโน้มการทำความเย็น
GaN epitaxy บน SiC
เมื่อเปรียบเทียบกับแซฟไฟร์ สารตั้งต้น SiC (คริสตัล 4H และ 6H) มีตาข่ายที่ไม่ตรงกันน้อยกว่ากับชั้นอีพิเทเชียล GaN (3.1% เทียบเท่ากับฟิล์มอีพิเทเชียลเชิง [0001]) ค่าการนำความร้อนสูงกว่า (ประมาณ 3.8W*ซม.-1*K -1) ฯลฯ นอกจากนี้ สภาพการนำไฟฟ้าของซับสเตรต SiC ยังช่วยให้เกิดหน้าสัมผัสทางไฟฟ้าที่ด้านหลังของซับสเตรต ซึ่งช่วยลดความซับซ้อน โครงสร้างอุปกรณ์ การมีอยู่ของข้อดีเหล่านี้ได้ดึงดูดนักวิจัยจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ ให้มาทำงานเกี่ยวกับ GaN epitaxy บนพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์
อย่างไรก็ตาม การทำงานโดยตรงบนสารตั้งต้น SiC เพื่อหลีกเลี่ยงการเจริญเติบโตของชั้นกำจัดขน GaN ก็ต้องเผชิญกับข้อเสียหลายประการ ซึ่งรวมถึงสิ่งต่อไปนี้:
✔ ความหยาบพื้นผิวของพื้นผิว SiC นั้นสูงกว่าพื้นผิวของแซฟไฟร์มาก (ความหยาบของแซฟไฟร์ 0.1nm RMS, ความหยาบของ SiC 1nm RMS) พื้นผิว SiC มีความแข็งสูงและประสิทธิภาพการประมวลผลต่ำ และความหยาบนี้และความเสียหายจากการขัดเงาที่ตกค้างก็เป็นหนึ่งใน แหล่งที่มาของข้อบกพร่องในเครื่องกำจัดขน GaN
✔ ความหนาแน่นของการเคลื่อนที่ของสกรูของพื้นผิว SiC สูง (ความหนาแน่นของการเคลื่อนที่ 103-104cm-2) การเคลื่อนที่ของสกรูอาจแพร่กระจายไปยังเครื่องกำจัดขน GaN และลดประสิทธิภาพของอุปกรณ์
✔ การจัดเรียงอะตอมบนพื้นผิวของสารตั้งต้นทำให้เกิดการก่อตัวของ Stacking Fault (BSF) ในเครื่องกำจัดขน GaN สำหรับ GaN แบบอีพิเทเชียลบนซับสเตรต SiC มีลำดับการจัดเรียงอะตอมมิกที่เป็นไปได้หลายลำดับบนซับสเตรต ส่งผลให้ลำดับการเรียงอะตอมเริ่มต้นเริ่มต้นของชั้นอีพิแทกเซียล GaN บนนั้นไม่สอดคล้องกัน ซึ่งมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อผิดพลาดในการซ้อน Stacking Faults (SFs) ทำให้เกิดสนามไฟฟ้าในตัวตามแนวแกน C ซึ่งนำไปสู่ปัญหาต่างๆ เช่น การรั่วไหลของอุปกรณ์แยกตัวพาบนเครื่องบิน
✔ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของซับสเตรต SiC มีค่าน้อยกว่าค่าสัมประสิทธิ์ของ AlN และ GaN ซึ่งทำให้เกิดการสะสมความเครียดจากความร้อนระหว่างชั้นเอพิแทกเซียลและซับสเตรตในระหว่างกระบวนการทำความเย็น Waltereit และ Brand คาดการณ์จากผลการวิจัยของพวกเขาว่าปัญหานี้สามารถบรรเทาหรือแก้ไขได้โดยการเพิ่มชั้น epitaxis ของ GaN บนชั้นนิวเคลียสของ AlN ที่ตึงเครียดและต่อเนื่องกัน
✔ ปัญหาความสามารถในการเปียกน้ำของอะตอม Ga ได้ไม่ดี เมื่อสร้างชั้น epitaxis ของ GaN โดยตรงบนพื้นผิว SiC เนื่องจากความสามารถในการเปียกระหว่างอะตอมทั้งสองได้ไม่ดี GaN จึงมีแนวโน้มที่จะเติบโตแบบเกาะ 3 มิติบนพื้นผิวของสารตั้งต้น การแนะนำชั้นบัฟเฟอร์เป็นวิธีการที่ใช้กันมากที่สุดในการปรับปรุงคุณภาพของวัสดุอีพิแอกเซียลในอีพิแทซี GaN การแนะนำชั้นบัฟเฟอร์ AlN หรือ AlxGa1-xN สามารถปรับปรุงความสามารถในการเปียกของพื้นผิว SiC ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และทำให้ชั้น epitaxis ของ GaN เติบโตขึ้นในสองมิติ นอกจากนี้ยังสามารถควบคุมความเครียดและป้องกันข้อบกพร่องของสารตั้งต้นไม่ให้ขยายไปยัง epitaxy ของ GaN
✔ เทคโนโลยีการเตรียมพื้นผิว SiC ยังไม่สมบูรณ์ ต้นทุนวัสดุพิมพ์สูง และมีซัพพลายเออร์น้อยรายและมีอุปทานน้อย
การวิจัยของ Torres และคณะ แสดงให้เห็นว่าการกัดซับสเตรต SiC ด้วย H2 ที่อุณหภูมิสูง (1600°C) ก่อนการลอกผิวจะสามารถสร้างโครงสร้างขั้นบันไดที่เป็นระเบียบมากขึ้นบนพื้นผิวของซับสเตรต ดังนั้นจึงได้ฟิล์มเอพิแทกเซียล AlN คุณภาพสูงกว่าการกัดโดยตรง ปลูกบนพื้นผิวพื้นผิวเดิม Xie และงานวิจัยของทีมงานของเขายังแสดงให้เห็นว่าการปรับสภาพการกัดกรดของสารตั้งต้นซิลิกอนคาร์ไบด์สามารถปรับปรุงสัณฐานวิทยาของพื้นผิวและคุณภาพผลึกของชั้น epitaxis ของ GaN ได้อย่างมีนัยสำคัญ สมิธและคณะ พบว่าการเคลื่อนตัวของเกลียวที่เกิดจากชั้นซับสเตรต/ชั้นบัฟเฟอร์ และชั้นบัฟเฟอร์/ชั้นอีปิแอกเซียล สัมพันธ์กับความเรียบของซับสเตรต [5]
รูปที่ 4 สัณฐานวิทยาของ TEM ของตัวอย่างชั้น epitaxis ของ GaN ที่ปลูกบนพื้นผิว 6H-SiC (0001) ภายใต้สภาวะการรักษาพื้นผิวที่แตกต่างกัน (a) การทำความสะอาดสารเคมี; (b) การทำความสะอาดด้วยสารเคมี + การบำบัดด้วยไฮโดรเจนพลาสมา (c) การทำความสะอาดสารเคมี + การบำบัดด้วยไฮโดรเจนพลาสมา + การบำบัดความร้อนด้วยไฮโดรเจน 1300 ℃ เป็นเวลา 30 นาที
GaN epitaxy บนศรี
เมื่อเปรียบเทียบกับซิลิกอนคาร์ไบด์ แซฟไฟร์ และซับสเตรตอื่นๆ กระบวนการเตรียมซับสเตรตซิลิกอนมีความสมบูรณ์ และสามารถให้ซับสเตรตขนาดใหญ่ที่เติบโตเต็มที่โดยมีประสิทธิภาพด้านต้นทุนสูง ในขณะเดียวกันการนำความร้อนและการนำไฟฟ้าก็ดี และกระบวนการอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ Si ก็ครบกำหนด ความเป็นไปได้ของการรวมอุปกรณ์ GaN ออปโตอิเล็กทรอนิกส์เข้ากับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ Si อย่างสมบูรณ์แบบในอนาคตยังทำให้การเติบโตของ epitaxy GaN บนซิลิคอนน่าสนใจมาก
อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความแตกต่างอย่างมากในค่าคงที่ของแลตทิซระหว่างซับสเตรต Si และวัสดุ GaN, epitaxy ที่ต่างกันของ GaN บนซับสเตรต Si จึงเป็น epitaxy ที่ไม่ตรงกันขนาดใหญ่โดยทั่วไป และยังต้องเผชิญกับปัญหาหลายประการด้วย:
✔ปัญหาพลังงานอินเทอร์เฟซของพื้นผิว เมื่อ GaN เติบโตบนพื้นผิว Si พื้นผิวของสารตั้งต้น Si จะถูกไนไตรด์ก่อนเพื่อสร้างชั้นซิลิคอนไนไตรด์อสัณฐานที่ไม่เอื้อต่อการเกิดนิวเคลียสและการเติบโตของ GaN ที่มีความหนาแน่นสูง นอกจากนี้ พื้นผิว Si จะสัมผัสกับ Ga ก่อน ซึ่งจะกัดกร่อนพื้นผิวของสารตั้งต้น Si ที่อุณหภูมิสูง การสลายตัวของพื้นผิว Si จะกระจายไปสู่ชั้น epitaxis ของ GaN เพื่อสร้างจุดซิลิคอนสีดำ
✔ ความไม่ตรงกันคงที่ของตาข่ายระหว่าง GaN และ Si มีขนาดใหญ่ (~ 17%) ซึ่งจะนำไปสู่การก่อตัวของการเคลื่อนตัวของเกลียวที่มีความหนาแน่นสูง และลดคุณภาพของชั้น epitaxis อย่างมีนัยสำคัญ
✔ เมื่อเปรียบเทียบกับ Si แล้ว GaN มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนที่ใหญ่กว่า (ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของ GaN อยู่ที่ประมาณ 5.6×10-6K-1 ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของ Si อยู่ที่ประมาณ 2.6×10-6K-1) และอาจเกิดรอยแตกร้าวใน GaN ชั้น epitaxis ในระหว่างการทำความเย็นของอุณหภูมิ epitaxis ถึงอุณหภูมิห้อง
✔ Si ทำปฏิกิริยากับ NH3 ที่อุณหภูมิสูงเพื่อสร้าง Polycrystalline SiNx AlN ไม่สามารถสร้างนิวเคลียสที่มุ่งเน้นพิเศษบน polycrystalline SiNx ได้ ซึ่งนำไปสู่การวางแนวที่ไม่เป็นระเบียบของชั้น GaN ที่เติบโตในเวลาต่อมาและมีข้อบกพร่องจำนวนมาก ส่งผลให้คุณภาพผลึกต่ำของชั้น epitaxis ของ GaN และแม้แต่ความยากลำบากในการสร้างผลึกเดี่ยว ชั้นอีปิเทเชียล GaN [6]
เพื่อที่จะแก้ปัญหาความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายขนาดใหญ่ นักวิจัยได้พยายามแนะนำวัสดุ เช่น AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO และ SiC เป็นชั้นบัฟเฟอร์บนพื้นผิว Si เพื่อหลีกเลี่ยงการก่อตัวของโพลีคริสตัลไลน์ SiNx และลดผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ต่อคุณภาพผลึกของวัสดุ GaN/AlN/Si (111) โดยปกติแล้ว จะต้องใส่ TMAl เป็นระยะเวลาหนึ่งก่อนที่เยื่อบุผิวจะเติบโตของชั้นบัฟเฟอร์ AlN เพื่อป้องกันไม่ให้ NH3 ทำปฏิกิริยากับพื้นผิว Si ที่สัมผัสจนเกิดเป็น SiNx นอกจากนี้ เทคโนโลยีอีพิแทกเซียล เช่น เทคโนโลยีซับสเตรตที่มีลวดลายสามารถใช้เพื่อปรับปรุงคุณภาพของชั้นอีพิแทกเซียลได้ การพัฒนาเทคโนโลยีเหล่านี้ช่วยยับยั้งการก่อตัวของ SiNx ที่ส่วนต่อประสานระหว่างอีพิทาแอกเซียล ส่งเสริมการเติบโตแบบสองมิติของชั้นเอพิโทแอกเชียล GaN และปรับปรุงคุณภาพการเติบโตของชั้นอีพิแทกเซียล นอกจากนี้ ชั้นบัฟเฟอร์ AlN ยังถูกนำมาใช้เพื่อชดเชยความเค้นแรงดึงที่เกิดจากความแตกต่างของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน เพื่อหลีกเลี่ยงรอยแตกในชั้น epitaxis ของ GaN บนซับสเตรตซิลิกอน การวิจัยของ Krost แสดงให้เห็นว่ามีความสัมพันธ์เชิงบวกระหว่างความหนาของชั้นบัฟเฟอร์ AlN และการลดความเครียด เมื่อความหนาของชั้นบัฟเฟอร์ถึง 12 นาโนเมตร ชั้น epitaxis ที่หนากว่า 6μm สามารถเติบโตได้บนพื้นผิวซิลิกอนผ่านแผนการเติบโตที่เหมาะสมโดยไม่มีการแตกร้าวของชั้น epitaxis
หลังจากความพยายามในระยะยาวของนักวิจัย คุณภาพของชั้น epitaxis ของ GaN ที่ปลูกบนพื้นผิวซิลิกอนได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ และอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ทรานซิสเตอร์ภาคสนาม เครื่องตรวจจับรังสีอัลตราไวโอเลต Schottky Barrier ไฟ LED สีฟ้าสีเขียว และเลเซอร์อัลตราไวโอเลต มีความก้าวหน้าอย่างมาก
โดยสรุป เนื่องจากซับสเตรต GaN epitaxial ที่ใช้กันทั่วไปนั้นเป็น epitaxy ที่ต่างกันทั้งหมด พวกมันทั้งหมดประสบปัญหาทั่วไป เช่น แลตทิซไม่ตรงกัน และความแตกต่างอย่างมากในค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนในองศาที่แตกต่างกัน สารตั้งต้น GaN ที่เป็นเนื้อเดียวกันถูกจำกัดโดยความสมบูรณ์ของเทคโนโลยี และสารตั้งต้นยังไม่ได้มีการผลิตเป็นจำนวนมาก ต้นทุนการผลิตสูง ขนาดวัสดุพิมพ์มีขนาดเล็ก และคุณภาพของวัสดุพิมพ์ไม่เหมาะ การพัฒนาสารตั้งต้น epitaxis ของ GaN ใหม่และการปรับปรุงคุณภาพ epitaxis ยังคงเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่จำกัดการพัฒนาอุตสาหกรรม epitaxis ของ GaN ต่อไป
IV. วิธีการทั่วไปสำหรับ GaN epitaxy
MOCVD (การสะสมไอสารเคมี)
ดูเหมือนว่า epitaxy ที่เป็นเนื้อเดียวกันบนพื้นผิว GaN เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับ GaN epitaxy อย่างไรก็ตาม เนื่องจากสารตั้งต้นของการสะสมไอสารเคมีคือไตรเมทิลแกลเลียมและแอมโมเนีย และก๊าซตัวพาคือไฮโดรเจน อุณหภูมิการเติบโตของ MOCVD โดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 1,000-1100°C และอัตราการเติบโตของ MOCVD อยู่ที่ประมาณไม่กี่ไมครอนต่อชั่วโมง มันสามารถสร้างส่วนต่อประสานที่สูงชันในระดับอะตอม ซึ่งเหมาะมากสำหรับการเติบโตของทางแยกเฮเทอโร หลุมควอนตัม ซูเปอร์แลตติซ และโครงสร้างอื่นๆ อัตราการเติบโตที่รวดเร็ว ความสม่ำเสมอที่ดี และความเหมาะสมสำหรับการเติบโตในพื้นที่ขนาดใหญ่และหลายชิ้น มักใช้ในการผลิตภาคอุตสาหกรรม
MBE (เยื่อบุผิวลำแสงโมเลกุล)
ใน epitaxy ของลำแสงโมเลกุล Ga ใช้แหล่งกำเนิดธาตุ และรับไนโตรเจนแบบแอคทีฟจากไนโตรเจนผ่านพลาสมา RF เมื่อเปรียบเทียบกับวิธี MOCVD อุณหภูมิการเจริญเติบโตของ MBE จะต่ำกว่าประมาณ 350-400°C อุณหภูมิการเติบโตที่ต่ำกว่าสามารถหลีกเลี่ยงมลพิษบางอย่างที่อาจเกิดจากสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง ระบบ MBE ทำงานภายใต้สุญญากาศสูงพิเศษ ซึ่งช่วยให้บูรณาการวิธีการตรวจจับในแหล่งกำเนิดได้มากขึ้น ในเวลาเดียวกัน ไม่สามารถเทียบอัตราการเติบโตและกำลังการผลิตกับ MOCVD ได้ และมีการใช้ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์มากกว่า [7]
รูปที่ 5 (a) แผนผัง Eiko-MBE (b) แผนผังห้องปฏิกิริยาหลักของ MBE
วิธี HVPE ( epitaxy เฟสไอไฮไดรด์)
สารตั้งต้นของวิธี epitaxy เฟสไอไฮไดรด์คือ GaCl3 และ NH3 เดชพรหม และคณะ ใช้วิธีนี้เพื่อขยายชั้น epitaxis ของ GaN ที่มีความหนาหลายร้อยไมครอนบนพื้นผิวของซับสเตรตแซฟไฟร์ ในการทดลองของพวกเขา ชั้นของ ZnO ถูกสร้างขึ้นระหว่างซับสเตรตแซฟไฟร์และชั้นเอปิเทกเซียลเป็นชั้นบัฟเฟอร์ และชั้นเอพิแทกเซียลถูกลอกออกจากพื้นผิวของซับสเตรต เมื่อเปรียบเทียบกับ MOCVD และ MBE คุณลักษณะหลักของวิธี HVPE ก็คืออัตราการเติบโตที่สูง ซึ่งเหมาะสำหรับการผลิตชั้นหนาและวัสดุเทกอง อย่างไรก็ตาม เมื่อความหนาของชั้นเยื่อบุผิวเกิน 20μm ชั้นเยื่อบุผิวที่เกิดจากวิธีนี้มีแนวโน้มที่จะเกิดรอยแตกร้าว
Akira USUI ได้แนะนำเทคโนโลยีซับสเตรตที่มีลวดลายตามวิธีนี้ ขั้นแรกพวกเขาสร้างชั้น epitaxis GaN หนา 1-1.5μm บางๆ บนพื้นผิวแซฟไฟร์โดยใช้วิธี MOCVD ชั้นเยื่อบุผิวประกอบด้วยชั้นบัฟเฟอร์ GaN หนา 20 นาโนเมตรที่เติบโตภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำ และชั้น GaN ที่เติบโตภายใต้สภาวะที่มีอุณหภูมิสูง จากนั้น ที่อุณหภูมิ 430°C ชั้นของ SiO2 ถูกชุบบนพื้นผิวของชั้นเอปิแทกเซียล และแถบหน้าต่างถูกสร้างขึ้นบนฟิล์ม SiO2 โดยการพิมพ์หินด้วยแสง ระยะห่างของแถบคือ 7μm และความกว้างของมาส์กอยู่ระหว่าง 1μm ถึง 4μm หลังจากการปรับปรุงนี้ พวกเขาได้รับชั้น epitaxis GaN บนพื้นผิวแซฟไฟร์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 2 นิ้วที่ปราศจากรอยแตกร้าวและเรียบเนียนราวกับกระจก แม้ว่าความหนาจะเพิ่มขึ้นเป็นสิบหรือหลายร้อยไมครอนก็ตาม ความหนาแน่นของข้อบกพร่องลดลงจาก 109-1010cm-2 ของวิธี HVPE แบบดั้งเดิมเป็นประมาณ 6×107cm-2 พวกเขายังชี้ให้เห็นในการทดลองด้วยว่าเมื่ออัตราการเติบโตเกิน 75μm/h พื้นผิวของตัวอย่างจะหยาบ[8]
รูปที่ 6 แผนผังพื้นผิวแบบกราฟิก
V. สรุปและแนวโน้ม
วัสดุ GaN เริ่มปรากฏในปี 2014 เมื่อไฟ LED สีฟ้าได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีนั้น และเข้าสู่วงการการชาร์จอย่างรวดเร็วในสาขาเครื่องใช้ไฟฟ้า ในความเป็นจริง แอปพลิเคชันในเครื่องขยายกำลังและอุปกรณ์ RF ที่ใช้ในสถานีฐาน 5G ที่คนส่วนใหญ่ไม่สามารถมองเห็นได้ก็เกิดขึ้นอย่างเงียบๆ เช่นกัน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ความก้าวหน้าของอุปกรณ์จ่ายไฟเกรดยานยนต์ที่ใช้ GaN คาดว่าจะเปิดจุดเติบโตใหม่สำหรับตลาดการใช้วัสดุ GaN
ความต้องการของตลาดขนาดใหญ่จะส่งเสริมการพัฒนาอุตสาหกรรมและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับ GaN อย่างแน่นอน ด้วยความสมบูรณ์และการปรับปรุงห่วงโซ่อุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับ GaN ปัญหาที่เทคโนโลยี epitaxis ของ GaN ในปัจจุบันจะได้รับการปรับปรุงหรือเอาชนะในที่สุด ในอนาคต ผู้คนจะพัฒนาเทคโนโลยีอีพิแทกเซียลใหม่ๆ มากขึ้นและตัวเลือกซับสเตรตที่ยอดเยี่ยมมากขึ้นอย่างแน่นอน เมื่อถึงเวลานั้น ผู้คนจะสามารถเลือกเทคโนโลยีการวิจัยภายนอกและสารตั้งต้นที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกันตามลักษณะของสถานการณ์การใช้งาน และผลิตผลิตภัณฑ์แบบกำหนดเองที่มีการแข่งขันสูงที่สุด
เวลาโพสต์: 28 มิ.ย.-2024