១. ស៊ីមីកុងដុកទ័រជំនាន់ទីបី
បច្ចេកវិទ្យាស៊ីមីកុងដុកទ័រជំនាន់ទីមួយត្រូវបានបង្កើតឡើងដោយផ្អែកលើសម្ភារៈស៊ីមីកុងដុកទ័រដូចជា Si និង Ge។ វាជាមូលដ្ឋានសម្ភារៈសម្រាប់ការអភិវឌ្ឍត្រង់ស៊ីស្ទ័រ និងបច្ចេកវិទ្យាសៀគ្វីរួម។ សម្ភារៈស៊ីមីកុងដុកទ័រជំនាន់ទីមួយបានដាក់គ្រឹះសម្រាប់ឧស្សាហកម្មអេឡិចត្រូនិកនៅសតវត្សរ៍ទី 20 និងជាសម្ភារៈមូលដ្ឋានសម្រាប់បច្ចេកវិទ្យាសៀគ្វីរួម។
សម្ភារៈស៊ីមីកុងដុកទ័រជំនាន់ទីពីរភាគច្រើនរួមមាន ហ្គាលីញ៉ូមអាសេនីត អ៊ីនដ្យូមផូស្វ័រ ហ្គាលីញ៉ូមផូស្វ័រ អ៊ីនដ្យូមអាសេនីត អាលុយមីញ៉ូមអាសេនីត និងសមាសធាតុបីយ៉ាងរបស់វា។ សម្ភារៈស៊ីមីកុងដុកទ័រជំនាន់ទីពីរគឺជាមូលដ្ឋានគ្រឹះនៃឧស្សាហកម្មព័ត៌មានអុបតូអេឡិចត្រូនិច។ ដោយផ្អែកលើមូលដ្ឋាននេះ ឧស្សាហកម្មពាក់ព័ន្ធដូចជា ភ្លើងបំភ្លឺ អេក្រង់បង្ហាញ ឡាស៊ែរ និង photovoltaic ត្រូវបានបង្កើតឡើង។ ពួកវាត្រូវបានគេប្រើប្រាស់យ៉ាងទូលំទូលាយនៅក្នុងបច្ចេកវិទ្យាព័ត៌មានសហសម័យ និងឧស្សាហកម្មអេក្រង់បង្ហាញអុបតូអេឡិចត្រូនិច។
សម្ភារៈតំណាងនៃសម្ភារៈ semiconductor ជំនាន់ទីបីរួមមាន gallium nitride និង silicon carbide។ ដោយសារតែគម្លាតក្រុមធំទូលាយរបស់វា ល្បឿនរសាត់ឆ្អែតអេឡិចត្រុងខ្ពស់ ចរន្តកំដៅខ្ពស់ និងកម្លាំងវាលបំបែកខ្ពស់ ពួកវាជាសម្ភារៈដ៏ល្អសម្រាប់ការរៀបចំឧបករណ៍អេឡិចត្រូនិចដែលមានដង់ស៊ីតេថាមពលខ្ពស់ ប្រេកង់ខ្ពស់ និងការបាត់បង់ទាប។ ក្នុងចំណោមនោះ ឧបករណ៍ថាមពល silicon carbide មានគុណសម្បត្តិនៃដង់ស៊ីតេថាមពលខ្ពស់ ការប្រើប្រាស់ថាមពលទាប និងទំហំតូច ហើយមានទស្សនវិស័យកម្មវិធីទូលំទូលាយនៅក្នុងយានយន្តថាមពលថ្មី ថាមពល photovoltaic ការដឹកជញ្ជូនផ្លូវដែក ទិន្នន័យធំ និងវិស័យផ្សេងៗទៀត។ ឧបករណ៍ RF gallium nitride មានគុណសម្បត្តិនៃប្រេកង់ខ្ពស់ ថាមពលខ្ពស់ កម្រិតបញ្ជូនធំទូលាយ ការប្រើប្រាស់ថាមពលទាប និងទំហំតូច ហើយមានទស្សនវិស័យកម្មវិធីទូលំទូលាយនៅក្នុងទំនាក់ទំនង 5G អ៊ីនធឺណិតនៃវត្ថុ រ៉ាដាយោធា និងវិស័យផ្សេងៗទៀត។ លើសពីនេះ ឧបករណ៍ថាមពលដែលមានមូលដ្ឋានលើ gallium nitride ត្រូវបានគេប្រើប្រាស់យ៉ាងទូលំទូលាយនៅក្នុងវាលវ៉ុលទាប។ លើសពីនេះ ក្នុងប៉ុន្មានឆ្នាំថ្មីៗនេះ សម្ភារៈអុកស៊ីដ gallium ដែលកំពុងលេចចេញត្រូវបានគេរំពឹងថានឹងបង្កើតការបំពេញបន្ថែមបច្ចេកទេសជាមួយនឹងបច្ចេកវិទ្យា SiC និង GaN ដែលមានស្រាប់ ហើយមានទស្សនវិស័យកម្មវិធីដែលមានសក្តានុពលនៅក្នុងវាលប្រេកង់ទាប និងវ៉ុលខ្ពស់។
បើប្រៀបធៀបជាមួយសម្ភារៈ semiconductor ជំនាន់ទីពីរ សម្ភារៈ semiconductor ជំនាន់ទីបីមានទទឹង bandgap ធំជាង (ទទឹង bandgap របស់ Si ដែលជាសម្ភារៈធម្មតានៃសម្ភារៈ semiconductor ជំនាន់ទីមួយ គឺប្រហែល 1.1 eV ទទឹង bandgap របស់ GaAs ដែលជាសម្ភារៈធម្មតានៃសម្ភារៈ semiconductor ជំនាន់ទីពីរ គឺប្រហែល 1.42 eV និងទទឹង bandgap របស់ GaN ដែលជាសម្ភារៈធម្មតានៃសម្ភារៈ semiconductor ជំនាន់ទីបី គឺលើសពី 2.3 eV) ភាពធន់នឹងវិទ្យុសកម្មខ្លាំងជាង ភាពធន់នឹងការបំបែកដែនអគ្គិសនីខ្លាំងជាង និងភាពធន់នឹងសីតុណ្ហភាពខ្ពស់។ សម្ភារៈ semiconductor ជំនាន់ទីបីដែលមានទទឹង bandgap ធំជាងគឺស័ក្តិសមជាពិសេសសម្រាប់ការផលិតឧបករណ៍អេឡិចត្រូនិចធន់នឹងវិទ្យុសកម្ម ប្រេកង់ខ្ពស់ ថាមពលខ្ពស់ និងដង់ស៊ីតេរួមបញ្ចូលខ្ពស់។ កម្មវិធីរបស់ពួកវានៅក្នុងឧបករណ៍ប្រេកង់វិទ្យុមីក្រូវ៉េវ អំពូល LED ឡាស៊ែរ ឧបករណ៍ថាមពល និងវិស័យផ្សេងៗទៀតបានទាក់ទាញការចាប់អារម្មណ៍យ៉ាងខ្លាំង ហើយពួកវាបានបង្ហាញពីទស្សនវិស័យអភិវឌ្ឍន៍យ៉ាងទូលំទូលាយក្នុងការទំនាក់ទំនងចល័ត បណ្តាញឆ្លាតវៃ ការដឹកជញ្ជូនតាមផ្លូវដែក យានយន្តថាមពលថ្មី គ្រឿងអេឡិចត្រូនិចប្រើប្រាស់ និងឧបករណ៍ពន្លឺអ៊ុលត្រាវីយូឡេ និងខៀវ-បៃតង [1]។
ប្រភពរូបភាព៖ CASA, វិទ្យាស្ថានស្រាវជ្រាវមូលបត្រ Zheshang
រូបភាពទី 1 មាត្រដ្ឋានពេលវេលាឧបករណ៍ថាមពល GaN និងការព្យាករណ៍
រចនាសម្ព័ន្ធ និងលក្ខណៈនៃសម្ភារៈ GaN II
GaN គឺជាឧបករណ៍អេឡិចត្រូនិកដែលមានចន្លោះប្រហោងបញ្ជូនដោយផ្ទាល់។ ទទឹងចន្លោះប្រហោងបញ្ជូននៃរចនាសម្ព័ន្ធវើតហ្ស៊ីតនៅសីតុណ្ហភាពបន្ទប់គឺប្រហែល 3.26 eV។ សម្ភារៈ GaN មានរចនាសម្ព័ន្ធគ្រីស្តាល់សំខាន់ៗចំនួនបី គឺរចនាសម្ព័ន្ធវើតហ្ស៊ីត រចនាសម្ព័ន្ធស្ហ្វាឡឺរីត និងរចនាសម្ព័ន្ធអំបិលថ្ម។ ក្នុងចំណោមនោះ រចនាសម្ព័ន្ធវើតហ្ស៊ីតគឺជារចនាសម្ព័ន្ធគ្រីស្តាល់ដែលមានស្ថេរភាពបំផុត។ រូបភាពទី 2 គឺជាដ្យាក្រាមនៃរចនាសម្ព័ន្ធវើតហ្ស៊ីតឆកោនរបស់ GaN។ រចនាសម្ព័ន្ធវើតហ្ស៊ីតនៃសម្ភារៈ GaN ជាកម្មសិទ្ធិរបស់រចនាសម្ព័ន្ធខ្ចប់ជិតឆកោន។ ក្រឡាឯកតានីមួយៗមានអាតូមចំនួន 12 រួមទាំងអាតូម N ចំនួន 6 និងអាតូម Ga ចំនួន 6។ អាតូម Ga (N) នីមួយៗបង្កើតជាចំណងជាមួយអាតូម N (Ga) ចំនួន 4 ដែលនៅជិតបំផុត ហើយត្រូវបានដាក់ជង់តាមលំដាប់ ABABAB… តាមទិសដៅ [0001] [2]។
រូបភាពទី 2 ដ្យាក្រាមកោសិកាគ្រីស្តាល់ GaN រចនាសម្ព័ន្ធ Wurtzite
III ស្រទាប់ខាងក្រោមដែលប្រើជាទូទៅសម្រាប់ GaN epitaxy
វាហាក់ដូចជា epitaxy ដូចគ្នានៅលើស្រទាប់ខាងក្រោម GaN គឺជាជម្រើសដ៏ល្អបំផុតសម្រាប់ epitaxy GaN។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ដោយសារតែថាមពលចំណងធំរបស់ GaN នៅពេលដែលសីតុណ្ហភាពឈានដល់ចំណុចរលាយ 2500 ℃ សម្ពាធរលួយដែលត្រូវគ្នារបស់វាគឺប្រហែល 4.5GPa។ នៅពេលដែលសម្ពាធរលួយទាបជាងសម្ពាធនេះ GaN មិនរលាយទេ ប៉ុន្តែរលួយដោយផ្ទាល់។ នេះធ្វើឱ្យបច្ចេកវិទ្យារៀបចំស្រទាប់ខាងក្រោមចាស់ទុំដូចជាវិធីសាស្ត្រ Czochralski មិនស័ក្តិសមសម្រាប់ការរៀបចំស្រទាប់ខាងក្រោមគ្រីស្តាល់តែមួយ GaN ដែលធ្វើឱ្យស្រទាប់ខាងក្រោម GaN ពិបាកផលិតច្រើន និងមានតម្លៃថ្លៃ។ ដូច្នេះ ស្រទាប់ខាងក្រោមដែលត្រូវបានប្រើជាទូទៅនៅក្នុងការលូតលាស់ epitaxial GaN ភាគច្រើនគឺ Si, SiC, sapphire ជាដើម។ [3]។
តារាងទី 3 GaN និងប៉ារ៉ាម៉ែត្រនៃសម្ភារៈស្រទាប់ខាងក្រោមដែលប្រើជាទូទៅ
អេពីតាក់ស៊ី GaN លើត្បូងកណ្តៀង
ត្បូងកណ្តៀងមានលក្ខណៈសម្បត្តិគីមីដែលមានស្ថេរភាព មានតម្លៃថោក និងមានភាពចាស់ទុំខ្ពស់នៃឧស្សាហកម្មផលិតកម្មទ្រង់ទ្រាយធំ។ ដូច្នេះ វាបានក្លាយជាសម្ភារៈស្រទាប់ខាងក្រោមដំបូងបំផុត និងប្រើប្រាស់យ៉ាងទូលំទូលាយបំផុតមួយនៅក្នុងវិស្វកម្មឧបករណ៍អេឡិចត្រូនិក។ ក្នុងនាមជាស្រទាប់ខាងក្រោមដែលប្រើជាទូទៅសម្រាប់អេពីតាស៊ី GaN បញ្ហាចម្បងដែលត្រូវដោះស្រាយសម្រាប់ស្រទាប់ខាងក្រោមត្បូងកណ្តៀងគឺ៖
✔ ដោយសារតែភាពមិនស៊ីគ្នានៃបន្ទះសំណាញ់ធំរវាងត្បូងកណ្តៀង (Al2O3) និង GaN (ប្រហែល 15%) ដង់ស៊ីតេពិការភាពនៅចំណុចប្រសព្វរវាងស្រទាប់អេពីតាក់ស៊ី និងស្រទាប់ខាងក្រោមគឺខ្ពស់ណាស់។ ដើម្បីកាត់បន្ថយផលប៉ះពាល់អវិជ្ជមានរបស់វា ស្រទាប់ខាងក្រោមត្រូវតែទទួលរងនូវការព្យាបាលជាមុនដ៏ស្មុគស្មាញមុនពេលដំណើរការអេពីតាក់ស៊ីចាប់ផ្តើម។ មុនពេលដាំអេពីតាក់ស៊ី GaN លើស្រទាប់ខាងក្រោមត្បូងកណ្តៀង ផ្ទៃស្រទាប់ខាងក្រោមត្រូវតែសម្អាតយ៉ាងតឹងរ៉ឹងជាមុនសិន ដើម្បីយកសារធាតុកខ្វក់ ការខូចខាតប៉ូលាដែលនៅសេសសល់ចេញ។ល។ និងដើម្បីបង្កើតជាជំហានៗ និងរចនាសម្ព័ន្ធផ្ទៃជំហាន។ បន្ទាប់មក ផ្ទៃស្រទាប់ខាងក្រោមត្រូវបានបន្ថែមនីទ្រីត ដើម្បីផ្លាស់ប្តូរលក្ខណៈសម្បត្តិសើមនៃស្រទាប់អេពីតាក់ស៊ី។ ជាចុងក្រោយ ស្រទាប់សតិបណ្ដោះអាសន្ន AlN ស្តើងមួយ (ជាធម្មតាក្រាស់ 10-100nm) ត្រូវដាក់លើផ្ទៃស្រទាប់ខាងក្រោម ហើយត្រូវបានដុតនៅសីតុណ្ហភាពទាប ដើម្បីរៀបចំសម្រាប់ការលូតលាស់អេពីតាក់ស៊ីចុងក្រោយ។ ទោះបីជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ដង់ស៊ីតេនៃការផ្លាស់ទីលំនៅនៅក្នុងខ្សែភាពយន្ត epitaxial GaN ដែលដាំដុះនៅលើស្រទាប់ខាងក្រោម sapphire នៅតែខ្ពស់ជាងខ្សែភាពយន្ត homoepitaxial (ប្រហែល 1010cm-2 បើប្រៀបធៀបទៅនឹងដង់ស៊ីតេនៃការផ្លាស់ទីលំនៅសូន្យនៅក្នុងខ្សែភាពយន្ត silicon homoepitaxial ឬខ្សែភាពយន្ត gallium arsenide homoepitaxial ឬរវាង 102 និង 104cm-2)។ ដង់ស៊ីតេពិការភាពខ្ពស់កាត់បន្ថយការចល័តរបស់ឧបករណ៍ផ្ទុក ដោយហេតុនេះធ្វើឱ្យអាយុកាលរបស់ឧបករណ៍ផ្ទុកភាគតិចខ្លី និងកាត់បន្ថយចរន្តកំដៅ ដែលទាំងអស់នេះនឹងកាត់បន្ថយដំណើរការឧបករណ៍ [4];
✔ មេគុណពង្រីកកម្ដៅរបស់ត្បូងកណ្តៀងគឺធំជាង GaN ដូច្នេះភាពតានតឹងបង្ហាប់ទ្វេភាគីនឹងត្រូវបានបង្កើតឡើងនៅក្នុងស្រទាប់អេពីតាក់ស៊ីក្នុងអំឡុងពេលដំណើរការត្រជាក់ពីសីតុណ្ហភាពដាក់ទៅសីតុណ្ហភាពបន្ទប់។ ចំពោះខ្សែភាពយន្តអេពីតាក់ស៊ីក្រាស់ជាងនេះ ភាពតានតឹងនេះអាចបណ្តាលឱ្យមានការប្រេះនៃខ្សែភាពយន្ត ឬសូម្បីតែស្រទាប់ខាងក្រោម។
✔ បើប្រៀបធៀបជាមួយស្រទាប់ផ្សេងទៀត ចរន្តកំដៅនៃស្រទាប់ត្បូងកណ្តៀងគឺទាបជាង (ប្រហែល 0.25W*cm-1*K-1 នៅ 100℃) ហើយដំណើរការរលាយកំដៅគឺមិនល្អ;
✔ ដោយសារតែចរន្តអគ្គិសនីមិនល្អ ស្រទាប់ខាងក្រោមត្បូងកណ្តៀងមិនអំណោយផលដល់ការរួមបញ្ចូល និងការប្រើប្រាស់របស់វាជាមួយឧបករណ៍ស៊ីមីកុងដុកទ័រផ្សេងទៀតទេ។
ទោះបីជាដង់ស៊ីតេពិការភាពនៃស្រទាប់ epitaxial GaN ដែលដាំដុះលើស្រទាប់ sapphire មានកម្រិតខ្ពស់ក៏ដោយ វាហាក់ដូចជាមិនកាត់បន្ថយដំណើរការ optoelectronic នៃ LED ពណ៌ខៀវ-បៃតងដែលមានមូលដ្ឋានលើ GaN ច្រើននោះទេ ដូច្នេះស្រទាប់ sapphire នៅតែជាស្រទាប់ខាងក្រោមដែលត្រូវបានគេប្រើជាទូទៅសម្រាប់ LED ដែលមានមូលដ្ឋានលើ GaN។
ជាមួយនឹងការអភិវឌ្ឍនៃកម្មវិធីថ្មីៗបន្ថែមទៀតនៃឧបករណ៍ GaN ដូចជាឡាស៊ែរ ឬឧបករណ៍ថាមពលដង់ស៊ីតេខ្ពស់ផ្សេងទៀត ពិការភាពដែលមាននៅក្នុងស្រទាប់ខាងក្រោមត្បូងកណ្តៀងបានក្លាយជាដែនកំណត់លើការអនុវត្តរបស់ពួកគេ។ លើសពីនេះ ជាមួយនឹងការអភិវឌ្ឍបច្ចេកវិទ្យាលូតលាស់ស្រទាប់ខាងក្រោម SiC ការកាត់បន្ថយថ្លៃដើម និងភាពចាស់ទុំនៃបច្ចេកវិទ្យា epitaxial GaN លើស្រទាប់ខាងក្រោម Si ការស្រាវជ្រាវបន្ថែមលើការដាំដុះស្រទាប់ epitaxial GaN លើស្រទាប់ខាងក្រោមត្បូងកណ្តៀងបានបង្ហាញនិន្នាការត្រជាក់បន្តិចម្តងៗ។
អ៊ីពីតាក់ស៊ី GaN លើ SiC
បើប្រៀបធៀបជាមួយត្បូងកណ្តៀង ស្រទាប់ខាងក្រោម SiC (គ្រីស្តាល់ 4H- និង 6H) មានភាពមិនស៊ីគ្នានៃបន្ទះឈើតូចជាងជាមួយស្រទាប់អេពីតាក់ស៊ី GaN (3.1% ស្មើនឹងខ្សែភាពយន្តអេពីតាក់ស៊ីដែលតម្រង់ទិស [0001]) មានចរន្តកំដៅខ្ពស់ជាង (ប្រហែល 3.8W*cm-1*K-1)។ល។ លើសពីនេះ ចរន្តអគ្គិសនីនៃស្រទាប់ខាងក្រោម SiC ក៏អនុញ្ញាតឱ្យមានទំនាក់ទំនងអគ្គិសនីនៅខាងក្រោយស្រទាប់ខាងក្រោម ដែលជួយសម្រួលដល់រចនាសម្ព័ន្ធឧបករណ៍។ វត្តមាននៃគុណសម្បត្តិទាំងនេះបានទាក់ទាញអ្នកស្រាវជ្រាវកាន់តែច្រើនឡើងៗឱ្យធ្វើការលើអេពីតាក់ស៊ី GaN លើស្រទាប់ខាងក្រោមស៊ីលីកុនកាប៊ីត។
ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ការធ្វើការដោយផ្ទាល់លើស្រទាប់ SiC ដើម្បីជៀសវាងការលូតលាស់ស្រទាប់ GaN ក៏ប្រឈមមុខនឹងគុណវិបត្តិមួយចំនួនផងដែរ រួមទាំងចំណុចខាងក្រោម៖
✔ ភាពរដុបនៃផ្ទៃនៃស្រទាប់ SiC គឺខ្ពស់ជាងស្រទាប់ sapphire (ភាពរដុប sapphire 0.1nm RMS, ភាពរដុប SiC 1nm RMS) ស្រទាប់ SiC មានភាពរឹងខ្ពស់ និងដំណើរការដំណើរការមិនល្អ ហើយភាពរដុប និងការខូចខាតប៉ូលាដែលនៅសេសសល់នេះក៏ជាប្រភពមួយនៃពិការភាពនៅក្នុងស្រទាប់ GaN epilayers ផងដែរ។
✔ ដង់ស៊ីតេនៃការផ្លាស់ទីលំនៅរបស់វីសនៃស្រទាប់ SiC គឺខ្ពស់ (ដង់ស៊ីតេនៃការផ្លាស់ទីលំនៅ 103-104cm-2) ការផ្លាស់ទីលំនៅរបស់វីសអាចរីករាលដាលដល់ស្រទាប់ GaN និងកាត់បន្ថយដំណើរការឧបករណ៍។
✔ ការរៀបចំអាតូមនៅលើផ្ទៃស្រទាប់ខាងក្រោមបង្កឱ្យមានការបង្កើតកំហុស stacking (BSFs) នៅក្នុងស្រទាប់ GaN epitaxial។ ចំពោះ GaN epitaxial លើស្រទាប់ខាងក្រោម SiC មានលំដាប់ការរៀបចំអាតូមច្រើនដែលអាចធ្វើទៅបាននៅលើស្រទាប់ខាងក្រោម ដែលបណ្តាលឱ្យមានលំដាប់ stacking អាតូមដំបូងមិនស៊ីសង្វាក់គ្នានៃស្រទាប់ GaN epitaxial នៅលើវា ដែលងាយនឹងកើតមានកំហុស stacking។ កំហុស stacking (SFs) ណែនាំដែនអគ្គិសនីដែលភ្ជាប់មកជាមួយតាមបណ្តោយអ័ក្ស c ដែលនាំឱ្យមានបញ្ហាដូចជាការលេចធ្លាយនៃឧបករណ៍បំបែកនៅក្នុងយន្តហោះ។
✔ មេគុណពង្រីកកម្ដៅនៃស្រទាប់ SiC គឺតូចជាង AlN និង GaN ដែលបណ្តាលឱ្យមានការប្រមូលផ្តុំភាពតានតឹងកម្ដៅរវាងស្រទាប់ epitaxial និងស្រទាប់ខាងក្រោមក្នុងអំឡុងពេលដំណើរការត្រជាក់។ Waltereit និង Brand បានព្យាករណ៍ដោយផ្អែកលើលទ្ធផលស្រាវជ្រាវរបស់ពួកគេថាបញ្ហានេះអាចត្រូវបានកាត់បន្ថយ ឬដោះស្រាយដោយការដាំស្រទាប់ epitaxial GaN លើស្រទាប់ nucleation AlN ស្តើងៗ ដែលមានភាពតានតឹងជាប់លាប់។
✔ បញ្ហានៃភាពសើមមិនល្អនៃអាតូម Ga។ នៅពេលដាំស្រទាប់ epitaxial GaN ដោយផ្ទាល់នៅលើផ្ទៃ SiC ដោយសារតែភាពសើមមិនល្អរវាងអាតូមទាំងពីរ GaN ងាយនឹងដុះកោះ 3D នៅលើផ្ទៃស្រទាប់ខាងក្រោម។ ការណែនាំស្រទាប់ទ្រនាប់គឺជាដំណោះស្រាយដែលប្រើជាទូទៅបំផុតដើម្បីកែលម្អគុណភាពនៃសម្ភារៈ epitaxial នៅក្នុង epitaxy GaN។ ការណែនាំស្រទាប់ទ្រនាប់ AlN ឬ AlxGa1-xN អាចធ្វើអោយប្រសើរឡើងនូវភាពសើមនៃផ្ទៃ SiC យ៉ាងមានប្រសិទ្ធភាព និងធ្វើឱ្យស្រទាប់ epitaxial GaN លូតលាស់ក្នុងវិមាត្រពីរ។ លើសពីនេះ វាក៏អាចគ្រប់គ្រងភាពតានតឹង និងការពារពិការភាពស្រទាប់ខាងក្រោមពីការពង្រីកទៅ epitaxy GaN;
✔ បច្ចេកវិទ្យារៀបចំស្រទាប់ SiC នៅមិនទាន់ពេញវ័យនៅឡើយ តម្លៃស្រទាប់ខ្ពស់ ហើយមានអ្នកផ្គត់ផ្គង់តិចតួច និងការផ្គត់ផ្គង់តិចតួច។
ការស្រាវជ្រាវរបស់ Torres និងក្រុមការងារបង្ហាញថា ការឆ្លាក់ស្រទាប់ SiC ជាមួយ H2 នៅសីតុណ្ហភាពខ្ពស់ (1600°C) មុនពេល epitaxy អាចបង្កើតរចនាសម្ព័ន្ធជំហានដែលមានសណ្តាប់ធ្នាប់ជាងមុននៅលើផ្ទៃស្រទាប់ ដោយហេតុនេះទទួលបានខ្សែភាពយន្ត epitaxial AlN ដែលមានគុណភាពខ្ពស់ជាងពេលដែលវាត្រូវបានដាំដុះដោយផ្ទាល់នៅលើផ្ទៃស្រទាប់ដើម។ ការស្រាវជ្រាវរបស់ Xie និងក្រុមរបស់គាត់ក៏បង្ហាញផងដែរថា ការព្យាបាលជាមុននៃការឆ្លាក់ស្រទាប់ស៊ីលីកុនកាប៊ីតអាចធ្វើអោយប្រសើរឡើងយ៉ាងខ្លាំងនូវរូបរាងផ្ទៃ និងគុណភាពគ្រីស្តាល់នៃស្រទាប់ epitaxial GaN។ Smith និងក្រុមការងារបានរកឃើញថា ការផ្លាស់ទីលំនៅខ្សែស្រឡាយដែលមានប្រភពចេញពីស្រទាប់ស្រទាប់/ស្រទាប់សតិបណ្ដោះអាសន្ន និងចំណុចប្រទាក់ស្រទាប់សតិបណ្ដោះអាសន្ន/ស្រទាប់ epitaxial គឺទាក់ទងទៅនឹងភាពរាបស្មើនៃស្រទាប់ខាងក្រោម [5]។
រូបភាពទី 4 រូបរាង TEM នៃសំណាកស្រទាប់ epitaxial GaN ដែលដាំដុះលើស្រទាប់ខាងក្រោម 6H-SiC (0001) ក្រោមលក្ខខណ្ឌនៃការព្យាបាលលើផ្ទៃផ្សេងៗគ្នា (ក) ការសម្អាតគីមី; (ខ) ការសម្អាតគីមី + ការព្យាបាលដោយប្លាស្មាអ៊ីដ្រូសែន; (គ) ការសម្អាតគីមី + ការព្យាបាលដោយប្លាស្មាអ៊ីដ្រូសែន + ការព្យាបាលដោយកំដៅអ៊ីដ្រូសែន 1300℃ រយៈពេល 30 នាទី
អ៊ីពីតាក់ស៊ី GaN លើ Si
បើប្រៀបធៀបជាមួយស៊ីលីកុនកាបៃ ត្បូងកណ្តៀង និងស្រទាប់ខាងក្រោមផ្សេងទៀត ដំណើរការរៀបចំស្រទាប់ខាងក្រោមស៊ីលីកុនមានភាពចាស់ទុំ ហើយវាអាចផ្តល់នូវស្រទាប់ខាងក្រោមទំហំធំដែលមានដំណើរការចំណាយខ្ពស់។ ក្នុងពេលជាមួយគ្នានេះ ចរន្តកំដៅ និងចរន្តអគ្គិសនីគឺល្អ ហើយដំណើរការឧបករណ៍អេឡិចត្រូនិច Si ក៏មានភាពចាស់ទុំផងដែរ។ លទ្ធភាពនៃការរួមបញ្ចូលឧបករណ៍ GaN អុបតូអេឡិចត្រូនិចយ៉ាងល្អឥតខ្ចោះជាមួយឧបករណ៍អេឡិចត្រូនិច Si នាពេលអនាគតក៏ធ្វើឱ្យការរីកចម្រើននៃ epitaxy GaN លើស៊ីលីកុនមានភាពទាក់ទាញខ្លាំងផងដែរ។
ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ដោយសារតែភាពខុសគ្នាយ៉ាងខ្លាំងនៃចំនួនថេរនៃបន្ទះឈើរវាងស្រទាប់ Si និងសម្ភារៈ GaN អេពីតាក់ស៊ីចម្រុះនៃ GaN លើស្រទាប់ Si គឺជាអេពីតាក់ស៊ីមិនស៊ីគ្នាធំធម្មតា ហើយវាក៏ត្រូវប្រឈមមុខនឹងបញ្ហាមួយចំនួនផងដែរ៖
✔ បញ្ហាថាមពលផ្ទៃប៉ះ។ នៅពេលដែល GaN លូតលាស់លើស្រទាប់ Si ផ្ទៃនៃស្រទាប់ Si នឹងត្រូវបាន nitrided ជាមុនសិន ដើម្បីបង្កើតជាស្រទាប់ silicon nitride amorphous ដែលមិនអំណោយផលដល់ការបង្កើតស្នូល និងការលូតលាស់នៃ GaN ដង់ស៊ីតេខ្ពស់នោះទេ។ លើសពីនេះ ផ្ទៃ Si នឹងប៉ះ Ga ជាមុនសិន ដែលនឹងกัดกร่อนផ្ទៃនៃស្រទាប់ Si។ នៅសីតុណ្ហភាពខ្ពស់ ការរលួយនៃផ្ទៃ Si នឹងសាយភាយចូលទៅក្នុងស្រទាប់ epitaxial GaN ដើម្បីបង្កើតជាចំណុច silicon ខ្មៅ។
✔ ភាពមិនស៊ីគ្នានៃថេរឡាទីករវាង GaN និង Si គឺធំ (~17%) ដែលនឹងនាំឱ្យមានការបង្កើតការផ្លាស់ទីលំនៅនៃខ្សែស្រឡាយដង់ស៊ីតេខ្ពស់ និងកាត់បន្ថយគុណភាពនៃស្រទាប់អេពីតាក់ស៊ីយ៉ាងខ្លាំង។
✔ បើប្រៀបធៀបជាមួយ Si ហ្គាណានមានមេគុណពង្រីកកម្ដៅធំជាង (មេគុណពង្រីកកម្ដៅរបស់ហ្គាណានគឺប្រហែល 5.6×10-6K-1 មេគុណពង្រីកកម្ដៅរបស់ស៊ីគឺប្រហែល 2.6×10-6K-1) ហើយស្នាមប្រេះអាចកើតឡើងនៅក្នុងស្រទាប់អេពីតាស៊ីលហ្គាណានក្នុងអំឡុងពេលត្រជាក់នៃសីតុណ្ហភាពអេពីតាស៊ីលទៅសីតុណ្ហភាពបន្ទប់។
✔ Si មានប្រតិកម្មជាមួយ NH3 នៅសីតុណ្ហភាពខ្ពស់ដើម្បីបង្កើតជា SiNx ពហុគ្រីស្តាល់។ AlN មិនអាចបង្កើតជាស្នូលដែលមានទិសដៅអនុគ្រោះលើ SiNx ពហុគ្រីស្តាល់បានទេ ដែលនាំឱ្យមានការតំរង់ទិសមិនប្រក្រតីនៃស្រទាប់ GaN ដែលលូតលាស់ជាបន្តបន្ទាប់ និងចំនួនពិការភាពខ្ពស់ ដែលបណ្តាលឱ្យគុណភាពគ្រីស្តាល់មិនល្អនៃស្រទាប់ epitaxial GaN និងសូម្បីតែការលំបាកក្នុងការបង្កើតស្រទាប់ epitaxial GaN តែមួយគ្រីស្តាល់ [6]។
ដើម្បីដោះស្រាយបញ្ហានៃភាពមិនស៊ីគ្នានៃបន្ទះសំណាញ់ធំៗ អ្នកស្រាវជ្រាវបានព្យាយាមណែនាំសម្ភារៈដូចជា AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO និង SiC ជាស្រទាប់ទ្រនាប់លើស្រទាប់ Si។ ដើម្បីជៀសវាងការបង្កើត SiNx ពហុគ្រីស្តាល់ និងកាត់បន្ថយផលប៉ះពាល់អវិជ្ជមានរបស់វាទៅលើគុណភាពគ្រីស្តាល់នៃសម្ភារៈ GaN/AlN/Si (111) ជាធម្មតា TMAl ត្រូវបានណែនាំសម្រាប់រយៈពេលជាក់លាក់មួយមុនពេលការលូតលាស់ epitaxial នៃស្រទាប់ទ្រនាប់ AlN ដើម្បីការពារ NH3 ពីប្រតិកម្មជាមួយផ្ទៃ Si ដែលលាតត្រដាងដើម្បីបង្កើត SiNx។ លើសពីនេះ បច្ចេកវិទ្យា epitaxial ដូចជាបច្ចេកវិទ្យាស្រទាប់ខាងក្រោមដែលមានលំនាំអាចត្រូវបានប្រើដើម្បីកែលម្អគុណភាពនៃស្រទាប់ epitaxial។ ការអភិវឌ្ឍបច្ចេកវិទ្យាទាំងនេះជួយទប់ស្កាត់ការបង្កើត SiNx នៅចំណុចប្រទាក់ epitaxial លើកកម្ពស់ការលូតលាស់ពីរវិមាត្រនៃស្រទាប់ epitaxial GaN និងបង្កើនគុណភាពការលូតលាស់នៃស្រទាប់ epitaxial។ លើសពីនេះ ស្រទាប់ទ្រនាប់ AlN ត្រូវបានណែនាំដើម្បីទូទាត់សងសម្រាប់ភាពតានតឹង tensile ដែលបណ្តាលមកពីភាពខុសគ្នានៃមេគុណពង្រីកកម្ដៅ ដើម្បីជៀសវាងការប្រេះនៅក្នុងស្រទាប់ epitaxial GaN នៅលើស្រទាប់ស៊ីលីកុន។ ការស្រាវជ្រាវរបស់ Krost បង្ហាញថា មានទំនាក់ទំនងវិជ្ជមានរវាងកម្រាស់នៃស្រទាប់សតិបណ្ដោះអាសន្ន AlN និងការថយចុះនៃភាពតានតឹង។ នៅពេលដែលកម្រាស់ស្រទាប់សតិបណ្ដោះអាសន្នឈានដល់ 12nm ស្រទាប់អេពីតាក់ស៊ីលដែលក្រាស់ជាង 6μm អាចត្រូវបានដាំដុះនៅលើស្រទាប់ស៊ីលីកុនតាមរយៈគ្រោងការណ៍លូតលាស់សមស្របដោយគ្មានការប្រេះស្រទាប់អេពីតាក់ស៊ីល។
បន្ទាប់ពីកិច្ចខិតខំប្រឹងប្រែងរយៈពេលវែងរបស់អ្នកស្រាវជ្រាវ គុណភាពនៃស្រទាប់ epitaxial GaN ដែលដាំដុះលើស្រទាប់ស៊ីលីកុនត្រូវបានធ្វើឱ្យប្រសើរឡើងគួរឱ្យកត់សម្គាល់ ហើយឧបករណ៍ដូចជាត្រង់ស៊ីស្ទ័របែបផែនវាល ឧបករណ៍រាវរកអ៊ុលត្រាវីយូឡេ Schottky អំពូល LED ពណ៌ខៀវ-បៃតង និងឡាស៊ែរអ៊ុលត្រាវីយូឡេ មានវឌ្ឍនភាពគួរឱ្យកត់សម្គាល់។
សរុបមក ដោយសារតែស្រទាប់ខាងក្រោម GaN epitaxial ដែលប្រើជាទូទៅសុទ្ធតែជា epitaxy ដែលមិនដូចគ្នា ពួកវាទាំងអស់សុទ្ធតែប្រឈមមុខនឹងបញ្ហាទូទៅដូចជាភាពមិនស៊ីគ្នានៃបន្ទះសៀគ្វី និងភាពខុសគ្នាយ៉ាងខ្លាំងនៃមេគុណពង្រីកកម្ដៅក្នុងកម្រិតផ្សេងៗគ្នា។ ស្រទាប់ខាងក្រោម GaN epitaxial ដូចគ្នាត្រូវបានកំណត់ដោយភាពចាស់ទុំនៃបច្ចេកវិទ្យា ហើយស្រទាប់ខាងក្រោមមិនទាន់ត្រូវបានផលិតច្រើននៅឡើយទេ។ ថ្លៃដើមផលិតកម្មខ្ពស់ ទំហំស្រទាប់ខាងក្រោមតូច ហើយគុណភាពស្រទាប់ខាងក្រោមមិនល្អឥតខ្ចោះ។ ការអភិវឌ្ឍស្រទាប់ខាងក្រោម GaN epitaxial ថ្មី និងការកែលម្អគុណភាព epitaxial នៅតែជាកត្តាសំខាន់មួយដែលរឹតត្បិតការអភិវឌ្ឍបន្ថែមទៀតនៃឧស្សាហកម្ម epitaxial GaN។
IV. វិធីសាស្ត្រទូទៅសម្រាប់ GaN epitaxy
MOCVD (ការដាក់ចំហាយគីមី)
វាហាក់ដូចជា epitaxy ដូចគ្នានៅលើស្រទាប់ខាងក្រោម GaN គឺជាជម្រើសដ៏ល្អបំផុតសម្រាប់ epitaxy GaN។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ដោយសារតែសារធាតុមុននៃការដាក់ចំហាយគីមីគឺ trimethylgallium និង ammonia ហើយឧស្ម័នផ្ទុកគឺអ៊ីដ្រូសែន សីតុណ្ហភាពលូតលាស់ MOCVD ធម្មតាគឺប្រហែល 1000-1100 ℃ ហើយអត្រាលូតលាស់របស់ MOCVD គឺប្រហែលពីរបីមីក្រូក្នុងមួយម៉ោង។ វាអាចបង្កើតចំណុចប្រទាក់ចោតនៅកម្រិតអាតូម ដែលស័ក្តិសមណាស់សម្រាប់ការដាំដុះ heterojunctions អណ្តូង quantum ស្រទាប់ superlattices និងរចនាសម្ព័ន្ធផ្សេងៗទៀត។ អត្រាលូតលាស់លឿន ឯកសណ្ឋានល្អ និងភាពស័ក្តិសមសម្រាប់ការលូតលាស់តំបន់ធំ និងបំណែកច្រើនត្រូវបានគេប្រើជាញឹកញាប់នៅក្នុងផលិតកម្មឧស្សាហកម្ម។
MBE (អេពីតាក់ស៊ីធ្នឹមម៉ូលេគុល)
នៅក្នុង epitaxy ធ្នឹមម៉ូលេគុល Ga ប្រើប្រភពធាតុ ហើយអាសូតសកម្មត្រូវបានទទួលពីអាសូតតាមរយៈប្លាស្មា RF ។ បើប្រៀបធៀបជាមួយវិធីសាស្ត្រ MOCVD សីតុណ្ហភាពលូតលាស់ MBE គឺទាបជាងប្រហែល 350-400 ℃។ សីតុណ្ហភាពលូតលាស់ទាបអាចជៀសវាងការបំពុលមួយចំនួនដែលអាចបណ្តាលមកពីបរិស្ថានសីតុណ្ហភាពខ្ពស់។ ប្រព័ន្ធ MBE ដំណើរការក្រោមកន្លែងទំនេរខ្ពស់ខ្លាំង ដែលអនុញ្ញាតឱ្យវារួមបញ្ចូលវិធីសាស្ត្ររកឃើញនៅនឹងកន្លែងកាន់តែច្រើន។ ក្នុងពេលជាមួយគ្នានេះ អត្រាកំណើន និងសមត្ថភាពផលិតរបស់វាមិនអាចប្រៀបធៀបជាមួយ MOCVD បានទេ ហើយវាត្រូវបានគេប្រើច្រើនជាងនៅក្នុងការស្រាវជ្រាវវិទ្យាសាស្ត្រ [7]។
រូបភាពទី 5 (a) Eiko-MBE schematic (b) MBE main reaction chamber schematic
វិធីសាស្ត្រ HVPE (អេពីតាក់ស៊ីដំណាក់កាលចំហាយអ៊ីដ្រូសែន)
សារធាតុមុននៃវិធីសាស្ត្រ epitaxy ដំណាក់កាលចំហាយអ៊ីដ្រូសែនគឺ GaCl3 និង NH3។ Detchprohm និងក្រុមបានប្រើវិធីសាស្ត្រនេះដើម្បីដាំស្រទាប់ epitaxial GaN កម្រាស់រាប់រយមីក្រូនលើផ្ទៃនៃស្រទាប់ត្បូងកណ្តៀង។ នៅក្នុងការពិសោធន៍របស់ពួកគេ ស្រទាប់ ZnO មួយត្រូវបានដាំរវាងស្រទាប់ត្បូងកណ្តៀង និងស្រទាប់ epitaxial ជាស្រទាប់ទ្រនាប់ ហើយស្រទាប់ epitaxial ត្រូវបានបកចេញពីផ្ទៃស្រទាប់ត្បូង។ បើធៀបនឹង MOCVD និង MBE លក្ខណៈពិសេសចម្បងនៃវិធីសាស្ត្រ HVPE គឺអត្រាកំណើនខ្ពស់របស់វា ដែលស័ក្តិសមសម្រាប់ការផលិតស្រទាប់ក្រាស់ៗ និងវត្ថុធាតុច្រើន។ ទោះជាយ៉ាងណា នៅពេលដែលកម្រាស់នៃស្រទាប់ epitaxial លើសពី 20 μm ស្រទាប់ epitaxial ដែលផលិតដោយវិធីសាស្ត្រនេះងាយនឹងប្រេះ។
Akira USUI បានណែនាំបច្ចេកវិទ្យាស្រទាប់ខាងក្រោមដែលមានលំនាំដោយផ្អែកលើវិធីសាស្ត្រនេះ។ ដំបូងឡើយ ពួកគេបានដាំស្រទាប់ epitaxial GaN ស្តើងមួយកម្រាស់ 1-1.5μm នៅលើស្រទាប់ខាងក្រោម sapphire ដោយប្រើវិធីសាស្ត្រ MOCVD។ ស្រទាប់ epitaxial មានស្រទាប់ទ្រនាប់ GaN ក្រាស់ 20nm ដែលដាំដុះក្រោមលក្ខខណ្ឌសីតុណ្ហភាពទាប និងស្រទាប់ GaN ដែលដាំដុះក្រោមលក្ខខណ្ឌសីតុណ្ហភាពខ្ពស់។ បន្ទាប់មក នៅសីតុណ្ហភាព 430℃ ស្រទាប់ SiO2 ត្រូវបានស្រោបលើផ្ទៃនៃស្រទាប់ epitaxial ហើយឆ្នូតបង្អួចត្រូវបានបង្កើតឡើងនៅលើខ្សែភាពយន្ត SiO2 ដោយប្រើ photolithography។ ចន្លោះឆ្នូតគឺ 7μm ហើយទទឹងរបាំងមានចាប់ពី 1μm ដល់ 4μm។ បន្ទាប់ពីការកែលម្អនេះ ពួកគេទទួលបានស្រទាប់ epitaxial GaN នៅលើស្រទាប់ខាងក្រោម sapphire ដែលមានអង្កត់ផ្ចិត 2 អ៊ីញ ដែលគ្មានស្នាមប្រេះ និងរលោងដូចកញ្ចក់ ទោះបីជាកម្រាស់កើនឡើងដល់រាប់សិប ឬរាប់រយមីក្រូក៏ដោយ។ ដង់ស៊ីតេពិការភាពត្រូវបានកាត់បន្ថយពី 109-1010cm-2 នៃវិធីសាស្ត្រ HVPE ប្រពៃណីមកត្រឹមប្រហែល 6×107cm-2។ ពួកគេក៏បានចង្អុលបង្ហាញនៅក្នុងការពិសោធន៍ផងដែរថា នៅពេលដែលអត្រាកំណើនលើសពី 75μm/h ផ្ទៃគំរូនឹងក្លាយទៅជារដុប[8]។
រូបភាពទី 6 គ្រោងការណ៍ក្រាហ្វិកនៃស្រទាប់ខាងក្រោម
V. សេចក្តីសង្ខេប និងទស្សនវិស័យ
សម្ភារៈ GaN បានចាប់ផ្តើមលេចចេញជារូបរាងនៅឆ្នាំ 2014 នៅពេលដែលអំពូល LED ពណ៌ខៀវបានឈ្នះពានរង្វាន់ណូបែលផ្នែករូបវិទ្យានៅឆ្នាំនោះ ហើយបានចូលទៅក្នុងវិស័យកម្មវិធីសាកថ្មលឿនរបស់សាធារណជននៅក្នុងវិស័យអេឡិចត្រូនិចប្រើប្រាស់។ តាមពិតទៅ កម្មវិធីនៅក្នុងឧបករណ៍ពង្រីកថាមពល និងឧបករណ៍ RF ដែលប្រើក្នុងស្ថានីយ៍មូលដ្ឋាន 5G ដែលមនុស្សភាគច្រើនមើលមិនឃើញក៏បានលេចចេញជារូបរាងយ៉ាងស្ងាត់ៗផងដែរ។ ក្នុងប៉ុន្មានឆ្នាំថ្មីៗនេះ ការទម្លាយភាពទាល់ច្រកនៃឧបករណ៍ថាមពលកម្រិតរថយន្តដែលមានមូលដ្ឋានលើ GaN ត្រូវបានគេរំពឹងថានឹងបើកចំណុចកំណើនថ្មីសម្រាប់ទីផ្សារកម្មវិធីសម្ភារៈ GaN។
តម្រូវការទីផ្សារដ៏ច្រើនសន្ធឹកសន្ធាប់ប្រាកដជានឹងជំរុញការអភិវឌ្ឍឧស្សាហកម្ម និងបច្ចេកវិទ្យាដែលទាក់ទងនឹង GaN។ ជាមួយនឹងភាពចាស់ទុំ និងការកែលម្អនៃខ្សែសង្វាក់ឧស្សាហកម្មដែលទាក់ទងនឹង GaN បញ្ហាដែលបច្ចេកវិទ្យា epitaxial GaN បច្ចុប្បន្នប្រឈមមុខនឹងត្រូវបានកែលម្អ ឬយកឈ្នះនៅទីបំផុត។ នៅពេលអនាគត មនុស្សប្រាកដជានឹងអភិវឌ្ឍបច្ចេកវិទ្យា epitaxial ថ្មីៗបន្ថែមទៀត និងជម្រើសស្រទាប់ខាងក្រោមដ៏ល្អឥតខ្ចោះបន្ថែមទៀត។ នៅពេលនោះ មនុស្សនឹងអាចជ្រើសរើសបច្ចេកវិទ្យាស្រាវជ្រាវខាងក្រៅ និងស្រទាប់ខាងក្រោមដែលសមស្របបំផុតសម្រាប់សេណារីយ៉ូកម្មវិធីផ្សេងៗគ្នា អាស្រ័យលើលក្ខណៈនៃសេណារីយ៉ូកម្មវិធី និងផលិតផលិតផលផ្ទាល់ខ្លួនដែលមានការប្រកួតប្រជែងបំផុត។
ពេលវេលាបង្ហោះ៖ ថ្ងៃទី ២៨ ខែមិថុនា ឆ្នាំ ២០២៤