ข้อมูลสรุปเกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์ GaN รุ่นที่สามและเทคโนโลยีเอพิแทกเซียลที่เกี่ยวข้อง

1. เซมิคอนดักเตอร์ยุคที่ 3

เทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรกได้รับการพัฒนาขึ้นโดยใช้สารกึ่งตัวนำ เช่น ซิลิกอนและเจเนอรัลอิเล็กทริก เป็นวัสดุพื้นฐานสำหรับการพัฒนาทรานซิสเตอร์และเทคโนโลยีวงจรรวม วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรกวางรากฐานให้กับอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ในศตวรรษที่ 20 และเป็นวัสดุพื้นฐานสำหรับเทคโนโลยีวงจรรวม

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สองประกอบด้วยแกลเลียมอาร์เซไนด์ อินเดียมฟอสไฟด์ แกลเลียมฟอสไฟด์ อินเดียมอาร์เซไนด์ อะลูมิเนียมอาร์เซไนด์ และสารประกอบสามองค์ประกอบของวัสดุเหล่านี้ วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สองถือเป็นรากฐานของอุตสาหกรรมข้อมูลออปโตอิเล็กทรอนิกส์ โดยอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้อง เช่น แสงสว่าง จอภาพ เลเซอร์ และโฟโตวอลตาอิคส์ ได้รับการพัฒนาขึ้นบนพื้นฐานนี้ โดยมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเทคโนโลยีสารสนเทศและจอภาพออปโตอิเล็กทรอนิกส์ในปัจจุบัน

วัสดุตัวแทนของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม ได้แก่ แกเลียมไนไตรด์และซิลิกอนคาร์ไบด์ เนื่องจากมีแบนด์แก็ปกว้าง ความเร็วดริฟท์ของอิเล็กตรอนอิ่มตัวสูง การนำความร้อนสูง และความแข็งแรงของสนามการพังทลายสูง จึงทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับการเตรียมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูง ความถี่สูง และการสูญเสียต่ำ ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ อุปกรณ์พลังงานซิลิกอนคาร์ไบด์มีข้อดีคือมีความหนาแน่นของพลังงานสูง ใช้พลังงานต่ำ และมีขนาดเล็ก และมีแนวโน้มการใช้งานที่กว้างขวางในยานยนต์พลังงานใหม่ โฟโตวอลตาอิกส์ การขนส่งทางรถไฟ ข้อมูลขนาดใหญ่ และสาขาอื่นๆ อุปกรณ์ RF แกเลียมไนไตรด์มีข้อดีคือมีความถี่สูง พลังงานสูง แบนด์วิดท์กว้าง ใช้พลังงานต่ำ และมีขนาดเล็ก และมีแนวโน้มการใช้งานที่กว้างขวางในการสื่อสาร 5G อินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง เรดาร์ทางทหาร และสาขาอื่นๆ นอกจากนี้ อุปกรณ์พลังงานที่ใช้แกเลียมไนไตรด์ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาแรงดันไฟต่ำ นอกจากนี้ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา คาดว่าวัสดุแกเลียมออกไซด์ที่เพิ่งเกิดใหม่จะสามารถสร้างความสมบูรณ์ทางเทคนิคกับเทคโนโลยี SiC และ GaN ที่มีอยู่ และมีแนวโน้มนำไปประยุกต์ใช้ในสาขาความถี่ต่ำและแรงดันไฟฟ้าสูง

เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สอง วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามจะมีความกว้างของแบนด์แก๊ปที่กว้างกว่า (ความกว้างของแบนด์แก๊ปของซิลิกอน ซึ่งเป็นวัสดุทั่วไปของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรกอยู่ที่ประมาณ 1.1eV ความกว้างของแบนด์แก๊ปของ ​​GaAs ซึ่งเป็นวัสดุทั่วไปของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สองอยู่ที่ประมาณ 1.42eV และความกว้างของแบนด์แก๊ปของ ​​GaN ซึ่งเป็นวัสดุทั่วไปของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามอยู่เหนือ 2.3eV) มีความต้านทานการแผ่รังสีที่แข็งแกร่งกว่า ความต้านทานการแตกของสนามไฟฟ้าที่แข็งแกร่งกว่า และทนต่ออุณหภูมิที่สูงกว่า วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามที่มีความกว้างของแบนด์แก๊ปที่กว้างกว่านั้นเหมาะเป็นพิเศษสำหรับการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ต้านทานการแผ่รังสี ความถี่สูง กำลังไฟฟ้าสูง และความหนาแน่นของการผสานรวมสูง การประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์ความถี่วิทยุไมโครเวฟ LED เลเซอร์ อุปกรณ์กำลัง และสาขาอื่นๆ ดึงดูดความสนใจเป็นอย่างมาก และมีแนวโน้มการพัฒนาที่กว้างขวางในระบบสื่อสารเคลื่อนที่ สมาร์ทกริด ระบบขนส่งทางราง รถยนต์พลังงานใหม่ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค และอุปกรณ์แสงอัลตราไวโอเลตและแสงสีน้ำเงิน-เขียว [1]

ที่มาของภาพ: CASA, สถาบันวิจัยหลักทรัพย์ Zheshang

รูปที่ 1 มาตราส่วนเวลาและการคาดการณ์อุปกรณ์กำลังไฟฟ้า GaN

IIโครงสร้างและคุณลักษณะของวัสดุ GaN

GaN เป็นสารกึ่งตัวนำแบนด์แก๊ปโดยตรง ความกว้างของแบนด์แก๊ปของโครงสร้างเวิร์ตไซต์ที่อุณหภูมิห้องอยู่ที่ประมาณ 3.26eV วัสดุ GaN มีโครงสร้างผลึกหลักสามโครงสร้าง ได้แก่ โครงสร้างเวิร์ตไซต์ โครงสร้างสฟาเรอไรต์ และโครงสร้างเกลือหิน โดยโครงสร้างเวิร์ตไซต์เป็นโครงสร้างผลึกที่เสถียรที่สุดในบรรดาโครงสร้างเหล่านั้น รูปที่ 2 เป็นแผนภาพโครงสร้างเวิร์ตไซต์หกเหลี่ยมของ GaN โครงสร้างเวิร์ตไซต์ของวัสดุ GaN จัดอยู่ในโครงสร้างหกเหลี่ยมที่อัดแน่น เซลล์ยูนิตแต่ละเซลล์มีอะตอม 12 อะตอม ซึ่งประกอบด้วยอะตอม N 6 อะตอมและอะตอม Ga 6 อะตอม อะตอม Ga (N) แต่ละอะตอมสร้างพันธะกับอะตอม N (Ga) ที่ใกล้ที่สุด 4 อะตอม และเรียงซ้อนกันตามลำดับของ ABABAB… ตามทิศทาง [0001] [2]

รูปที่ 2 แผนภาพเซลล์ผลึก GaN ที่มีโครงสร้าง Wurtzite

III สารตั้งต้นที่ใช้กันทั่วไปสำหรับอิพิแทกซี GaN

ดูเหมือนว่าการทำอิพิแทกซีแบบเนื้อเดียวกันบนพื้นผิว GaN จะเป็นทางเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการทำอิพิแทกซี GaN อย่างไรก็ตาม เนื่องจากพลังงานพันธะของ GaN มีขนาดใหญ่ เมื่ออุณหภูมิถึงจุดหลอมเหลวที่ 2,500℃ ความดันการสลายตัวที่สอดคล้องกันจะอยู่ที่ประมาณ 4.5GPa เมื่อความดันการสลายตัวต่ำกว่าความดันนี้ GaN จะไม่หลอมละลายแต่จะสลายตัวโดยตรง ซึ่งทำให้เทคโนโลยีการเตรียมพื้นผิวที่สมบูรณ์ เช่น วิธี Czochralski ไม่เหมาะสำหรับการเตรียมพื้นผิวผลึกเดี่ยว GaN ทำให้พื้นผิว GaN ผลิตจำนวนมากได้ยากและมีราคาแพง ดังนั้น พื้นผิวที่ใช้กันทั่วไปในการปลูกอิพิแทกซี GaN จึงเป็น Si, SiC, แซฟไฟร์ เป็นต้น เป็นหลัก [3]

แผนภูมิ 3 GaN และพารามิเตอร์ของวัสดุพื้นผิวที่ใช้กันทั่วไป

อิพิแทกซี GaN บนแซฟไฟร์

แซฟไฟร์มีคุณสมบัติทางเคมีที่เสถียร ราคาถูก และมีอายุใช้งานยาวนานในอุตสาหกรรมการผลิตขนาดใหญ่ ดังนั้น จึงกลายเป็นหนึ่งในวัสดุพื้นผิวที่เก่าแก่ที่สุดและใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในงานวิศวกรรมอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ เนื่องจากแซฟไฟร์เป็นหนึ่งในวัสดุพื้นผิวที่ใช้กันทั่วไปสำหรับอิพิแทกซี GaN ปัญหาหลักที่ต้องแก้ไขสำหรับวัสดุพื้นผิวแซฟไฟร์มีดังนี้:

✔ เนื่องจากโครงตาข่ายที่ไม่ตรงกันระหว่างแซฟไฟร์ (Al2O3) และ GaN (ประมาณ 15%) มีขนาดใหญ่ ความหนาแน่นของข้อบกพร่องที่อินเทอร์เฟซระหว่างชั้นเอพิแทกเซียลและพื้นผิวจึงสูงมาก เพื่อลดผลกระทบเชิงลบ พื้นผิวจะต้องผ่านการบำบัดล่วงหน้าที่ซับซ้อนก่อนที่จะเริ่มกระบวนการเอพิแทกเซียล ก่อนที่จะปลูกเอพิแทกเซียล GaN บนพื้นผิวแซฟไฟร์ ต้องทำความสะอาดพื้นผิวพื้นผิวอย่างเคร่งครัดก่อนเพื่อขจัดสิ่งปนเปื้อน ความเสียหายจากการขัดที่เหลือ ฯลฯ และเพื่อสร้างขั้นตอนและโครงสร้างพื้นผิวแบบขั้นบันได จากนั้นจึงทำการไนไตรด์พื้นผิวพื้นผิวเพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติการเปียกของชั้นเอพิแทกเซียล ในที่สุด จำเป็นต้องวางชั้นบัฟเฟอร์ AlN บางๆ (โดยปกติมีความหนา 10-100 นาโนเมตร) บนพื้นผิวพื้นผิวและอบที่อุณหภูมิต่ำเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการปลูกเอพิแทกเซียลขั้นสุดท้าย แม้กระนั้น ความหนาแน่นของการเคลื่อนย้ายตัวพาในฟิล์มอิพิแทกเซียล GaN ที่ปลูกบนพื้นผิวแซฟไฟร์ก็ยังสูงกว่าฟิล์มโฮโมอิพิแทกเซียล (ประมาณ 1010 ซม. -2 เมื่อเปรียบเทียบกับความหนาแน่นของการเคลื่อนย้ายตัวพาที่แทบจะเป็นศูนย์ในฟิล์มโฮโมอิพิแทกเซียลซิลิกอนหรือฟิล์มโฮโมอิพิแทกเซียลแกเลียมอาร์เซไนด์ หรือระหว่าง 102 ถึง 104 ซม. -2) ความหนาแน่นของข้อบกพร่องที่สูงขึ้นจะลดการเคลื่อนที่ของตัวพา ส่งผลให้อายุการใช้งานของตัวพาส่วนน้อยสั้นลงและการนำความร้อนลดลง ซึ่งทั้งหมดนี้จะทำให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ลดลง [4]

✔ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของแซฟไฟร์มีค่ามากกว่าของ GaN ดังนั้นความเค้นอัดแบบสองแกนจะเกิดขึ้นในชั้นเอพิแทกเซียลในระหว่างกระบวนการทำความเย็นจากอุณหภูมิการสะสมไปยังอุณหภูมิห้อง สำหรับฟิล์มเอพิแทกเซียลที่หนากว่า ความเค้นนี้อาจทำให้ฟิล์มหรือแม้กระทั่งพื้นผิวแตกร้าวได้

✔ เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุอื่นๆ แล้ว วัสดุแซฟไฟร์จะมีค่าการนำความร้อนต่ำกว่า (ประมาณ 0.25W*cm-1*K-1 ที่ 100℃) และประสิทธิภาพในการกระจายความร้อนก็ไม่ดี

✔ เนื่องจากคุณสมบัติการนำไฟฟ้าที่ไม่ดี ซับสเตรตแซฟไฟร์จึงไม่เอื้อต่อการบูรณาการและการใช้งานกับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์อื่น

แม้ว่าความหนาแน่นของข้อบกพร่องของชั้นอิพิแทกเซียล GaN ที่ปลูกบนพื้นผิวแซฟไฟร์จะสูง แต่ดูเหมือนว่าจะไม่ลดประสิทธิภาพทางออปโตอิเล็กทรอนิกส์ของ LED สีน้ำเงิน-เขียวที่ใช้ GaN อย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้น พื้นผิวแซฟไฟร์จึงยังคงถูกใช้เป็นพื้นผิวสำหรับ LED ที่ใช้ GaN ทั่วไป

ด้วยการพัฒนาของการใช้งานใหม่ๆ ของอุปกรณ์ GaN เช่น เลเซอร์หรืออุปกรณ์กำลังความหนาแน่นสูงอื่นๆ มากขึ้น ข้อบกพร่องโดยธรรมชาติของซับสเตรตแซฟไฟร์จึงกลายเป็นข้อจำกัดในการใช้งานมากขึ้น นอกจากนี้ ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการเติบโตของซับสเตรต SiC การลดต้นทุน และความพร้อมของเทคโนโลยีอิพิแทกเซียล GaN บนพื้นผิวซิลิกอน การวิจัยเพิ่มเติมเกี่ยวกับการเติบโตของชั้นอิพิแทกเซียล GaN บนพื้นผิวแซฟไฟร์จึงค่อยๆ แสดงให้เห็นถึงแนวโน้มการเย็นลง

อิพิแทกซี GaN บน SiC

เมื่อเปรียบเทียบกับแซฟไฟร์แล้ว พื้นผิว SiC (ผลึก 4H และ 6H) จะมีความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายกับชั้นเอพิแทกเซียล GaN น้อยกว่า (3.1% เทียบเท่ากับฟิล์มเอพิแทกเซียลที่วางแนว [0001]) มีการนำความร้อนสูงกว่า (ประมาณ 3.8W*cm-1*K-1) เป็นต้น นอกจากนี้ สภาพการนำไฟฟ้าของพื้นผิว SiC ยังช่วยให้สามารถทำการสัมผัสทางไฟฟ้าที่ด้านหลังของพื้นผิวได้ ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของโครงสร้างอุปกรณ์ การมีอยู่ของข้อได้เปรียบเหล่านี้ได้ดึงดูดนักวิจัยมากขึ้นเรื่อยๆ ให้ทำงานเกี่ยวกับเอพิแทกเซียล GaN บนพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์

อย่างไรก็ตาม การทำงานโดยตรงบนพื้นผิว SiC เพื่อหลีกเลี่ยงการเติบโตของชั้นอนุภาค GaN ยังเผชิญกับข้อเสียหลายประการ ซึ่งรวมถึงต่อไปนี้:

✔ ความหยาบของพื้นผิวของซับสเตรต SiC สูงกว่าซับสเตรตแซฟไฟร์มาก (ความหยาบของแซฟไฟร์ 0.1 นาโนเมตร RMS, ความหยาบของ SiC 1 นาโนเมตร RMS) โดยซับสเตรต SiC มีความแข็งสูงและมีประสิทธิภาพในการประมวลผลต่ำ ซึ่งความหยาบและความเสียหายจากการขัดที่เหลือนี้ยังเป็นแหล่งที่มาของข้อบกพร่องในชั้นอนุภาค GaN อีกด้วย

✔ ความหนาแน่นของการเคลื่อนตัวของสกรูของซับสเตรต SiC สูง (ความหนาแน่นของการเคลื่อนตัว 103-104cm-2) การเคลื่อนตัวของสกรูอาจแพร่กระจายไปยังชั้นอนุภาค GaN และลดประสิทธิภาพของอุปกรณ์

✔ การจัดเรียงอะตอมบนพื้นผิวของวัสดุทำให้เกิดการเกิดการเรียงซ้อนของอะตอม (BSF) ในชั้นอนุภาค GaN สำหรับ GaN แบบเอพิแทกเซียลบนพื้นผิว SiC มีลำดับการจัดเรียงอะตอมที่เป็นไปได้หลายลำดับบนพื้นผิว ส่งผลให้ลำดับการเรียงซ้อนอะตอมเริ่มต้นของชั้น GaN แบบเอพิแทกเซียลบนพื้นผิวนั้นไม่สม่ำเสมอ ซึ่งมีแนวโน้มที่จะเกิดการเรียงซ้อน ความผิดพลาดในการเรียงซ้อน (SF) จะสร้างสนามไฟฟ้าในตัวตามแกน c ซึ่งนำไปสู่ปัญหาต่างๆ เช่น การรั่วไหลของอุปกรณ์แยกตัวพาในระนาบ

✔ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของสารตั้งต้น SiC มีค่าน้อยกว่าของ AlN และ GaN ซึ่งทำให้เกิดการสะสมของความเครียดจากความร้อนระหว่างชั้นเอพิแทกเซียลและสารตั้งต้นในระหว่างกระบวนการทำความเย็น Waltereit และ Brand ทำนายจากผลการวิจัยของพวกเขาว่าปัญหาเหล่านี้สามารถบรรเทาหรือแก้ไขได้โดยการปลูกชั้นเอพิแทกเซียล GaN บนชั้นนิวเคลียส AlN ที่บางและเครียดอย่างสอดคล้องกัน

✔ ปัญหาของการเปียกที่ไม่ดีของอะตอม Ga เมื่อปลูกชั้นเอพิแทกเซียล GaN โดยตรงบนพื้นผิว SiC เนื่องจากความสามารถในการเปียกที่ไม่ดีระหว่างอะตอมทั้งสอง GaN จึงมีแนวโน้มที่จะเติบโตเป็นเกาะ 3 มิติบนพื้นผิวของพื้นผิว การแนะนำชั้นบัฟเฟอร์เป็นวิธีแก้ปัญหาที่ใช้กันทั่วไปมากที่สุดในการปรับปรุงคุณภาพของวัสดุเอพิแทกเซียลในเอพิแทกเซียล GaN การแนะนำชั้นบัฟเฟอร์ AlN หรือ AlxGa1-xN สามารถปรับปรุงความสามารถในการเปียกของพื้นผิว SiC ได้อย่างมีประสิทธิภาพและทำให้ชั้นเอพิแทกเซียล GaN เติบโตในสองมิติ นอกจากนี้ยังสามารถควบคุมความเครียดและป้องกันไม่ให้ข้อบกพร่องของพื้นผิวขยายไปถึงเอพิแทกเซียล GaN ได้อีกด้วย

✔ เทคโนโลยีการเตรียมพื้นผิว SiC ยังไม่สมบูรณ์ ต้นทุนพื้นผิวสูง และมีซัพพลายเออร์และอุปทานน้อย

งานวิจัยของ Torres et al. แสดงให้เห็นว่าการกัดพื้นผิว SiC ด้วย H2 ที่อุณหภูมิสูง (1600°C) ก่อนการเกิดเอพิแทกซีสามารถสร้างโครงสร้างขั้นตอนที่เป็นระเบียบมากขึ้นบนพื้นผิวของพื้นผิว จึงทำให้ได้ฟิล์มเอพิแทกเซียล AlN ที่มีคุณภาพสูงกว่าเมื่อปลูกโดยตรงบนพื้นผิวของพื้นผิวเดิม งานวิจัยของ Xie และทีมของเขายังแสดงให้เห็นอีกด้วยว่าการกัดพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์ล่วงหน้าสามารถปรับปรุงสัณฐานวิทยาของพื้นผิวและคุณภาพผลึกของชั้นเอพิแทกเซียล GaN ได้อย่างมีนัยสำคัญ Smith et al. พบว่าการเคลื่อนตัวของเกลียวที่เกิดจากอินเทอร์เฟซของชั้นพื้นผิว/บัฟเฟอร์และชั้นบัฟเฟอร์/ชั้นเอพิแทกเซียลมีความเกี่ยวข้องกับความเรียบของพื้นผิว [5]

รูปที่ 4 สัณฐานวิทยา TEM ของตัวอย่างชั้นเอพิแทกเซียล GaN ที่ปลูกบนพื้นผิว 6H-SiC (0001) ภายใต้เงื่อนไขการบำบัดพื้นผิวที่แตกต่างกัน (ก) การทำความสะอาดทางเคมี (ข) การทำความสะอาดทางเคมี + การบำบัดด้วยพลาสมาไฮโดรเจน (ค) การทำความสะอาดทางเคมี + การบำบัดด้วยพลาสมาไฮโดรเจน + การบำบัดด้วยความร้อนไฮโดรเจนที่อุณหภูมิ 1300℃ เป็นเวลา 30 นาที

อิพิแทกซี GaN บน Si

เมื่อเปรียบเทียบกับซิลิกอนคาร์ไบด์ แซฟไฟร์ และสารตั้งต้นอื่นๆ กระบวนการเตรียมสารตั้งต้นซิลิกอนถือว่ามีความครบถ้วนสมบูรณ์ และสามารถผลิตสารตั้งต้นขนาดใหญ่ที่มีความครบถ้วนสมบูรณ์พร้อมประสิทธิภาพต้นทุนสูงได้อย่างเสถียร ในเวลาเดียวกัน การนำความร้อนและการนำไฟฟ้าก็ดี และกระบวนการอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ซิลิกอนก็มีความครบถ้วนสมบูรณ์เช่นกัน ความเป็นไปได้ในการผสานรวมอุปกรณ์ GaN ออปโตอิเล็กทรอนิกส์กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ซิลิกอนอย่างสมบูรณ์แบบในอนาคตยังทำให้การเติบโตของอิพิแทกซี GaN บนซิลิกอนมีความน่าสนใจอย่างมาก

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความแตกต่างอย่างมากในค่าคงที่ของโครงตาข่ายระหว่างซับสเตรต Si และวัสดุ GaN จึงทำให้การเกิดเอพิแทกซีที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันของ GaN บนพื้นผิว Si เป็นเอพิแทกซีที่ไม่ตรงกันขนาดใหญ่โดยทั่วไป และยังต้องเผชิญกับปัญหาชุดหนึ่งด้วย:

✔ ปัญหาพลังงานของอินเทอร์เฟซพื้นผิว เมื่อ GaN เติบโตบนพื้นผิว Si พื้นผิวของพื้นผิว Si จะถูกไนไตรด์ก่อนเพื่อสร้างชั้นซิลิกอนไนไตรด์แบบอะมอร์ฟัสซึ่งไม่เอื้อต่อการสร้างนิวเคลียสและการเติบโตของ GaN ที่มีความหนาแน่นสูง นอกจากนี้ พื้นผิว Si จะสัมผัสกับ Ga ก่อน ซึ่งจะทำให้พื้นผิวของพื้นผิว Si กัดกร่อน ที่อุณหภูมิสูง การสลายตัวของพื้นผิว Si จะแพร่กระจายเข้าไปในชั้นอิพิแทกเซียล GaN เพื่อสร้างจุดซิลิกอนสีดำ

✔ ความไม่ตรงกันของค่าคงที่ของโครงตาข่ายระหว่าง GaN และ Si มีขนาดใหญ่ (~17%) ซึ่งจะนำไปสู่การเกิดการเคลื่อนตัวของเกลียวความหนาแน่นสูง และลดคุณภาพของชั้นเอพิแทกเซียลอย่างมีนัยสำคัญ

✔ เมื่อเปรียบเทียบกับ Si แล้ว GaN มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนที่สูงกว่า (ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของ GaN อยู่ที่ประมาณ 5.6×10-6K-1, ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของ Si อยู่ที่ประมาณ 2.6×10-6K-1) และอาจเกิดรอยแตกร้าวในชั้นเอพิแทกเซียล GaN ระหว่างการทำให้อุณหภูมิเอพิแทกเซียลเย็นลงถึงอุณหภูมิห้อง

✔ Si ทำปฏิกิริยากับ NH3 ที่อุณหภูมิสูงเพื่อสร้าง SiNx แบบโพลีคริสตัลไลน์ AlN ไม่สามารถสร้างนิวเคลียสที่มีทิศทางเฉพาะบน SiNx แบบโพลีคริสตัลไลน์ได้ ซึ่งนำไปสู่ทิศทางที่ไม่เป็นระเบียบของชั้น GaN ที่เติบโตขึ้นในเวลาต่อมา และมีข้อบกพร่องจำนวนมาก ส่งผลให้คุณภาพผลึกของชั้นเอพิแทกเซียล GaN ต่ำ และแม้แต่การสร้างชั้นเอพิแทกเซียล GaN ที่เป็นผลึกเดี่ยวก็มีความยากลำบาก [6]

เพื่อแก้ปัญหาความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายขนาดใหญ่ นักวิจัยได้พยายามนำวัสดุ เช่น AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO และ SiC มาใช้เป็นชั้นบัฟเฟอร์บนพื้นผิว Si เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิด SiNx ที่เป็นผลึกหลายชั้นและลดผลกระทบเชิงลบต่อคุณภาพผลึกของวัสดุ GaN/AlN/Si (111) โดยปกติแล้วจะต้องนำ TMAl มาใช้เป็นระยะเวลาหนึ่งก่อนที่ชั้นบัฟเฟอร์ AlN จะเติบโตแบบเอพิแทกเซียล เพื่อป้องกันไม่ให้ NH3 ทำปฏิกิริยากับพื้นผิว Si ที่สัมผัสเพื่อสร้าง SiNx นอกจากนี้ ยังสามารถใช้เทคโนโลยีเอพิแทกเซียล เช่น เทคโนโลยีพื้นผิวที่มีลวดลาย เพื่อปรับปรุงคุณภาพของชั้นเอพิแทกเซียลได้ การพัฒนาเทคโนโลยีเหล่านี้จะช่วยยับยั้งการเกิด SiNx ที่อินเทอร์เฟซเอพิแทกเซียล ส่งเสริมการเติบโตแบบสองมิติของชั้นเอพิแทกเซียล GaN และปรับปรุงคุณภาพการเติบโตของชั้นเอพิแทกเซียล นอกจากนี้ ยังมีการนำชั้นบัฟเฟอร์ AlN เข้ามาใช้เพื่อชดเชยแรงดึงที่เกิดจากความแตกต่างของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน เพื่อหลีกเลี่ยงรอยแตกร้าวในชั้นเอพิแทกเซียล GaN บนพื้นผิวซิลิกอน การวิจัยของ Krost แสดงให้เห็นว่ามีความสัมพันธ์เชิงบวกระหว่างความหนาของชั้นบัฟเฟอร์ AlN และการลดลงของความเครียด เมื่อความหนาของชั้นบัฟเฟอร์ถึง 12 นาโนเมตร ชั้นเอพิแทกเซียลที่มีความหนามากกว่า 6 ไมโครเมตรสามารถเจริญเติบโตบนพื้นผิวซิลิกอนได้โดยใช้รูปแบบการเจริญเติบโตที่เหมาะสมโดยที่ชั้นเอพิแทกเซียลไม่เกิดรอยแตกร้าว

หลังจากที่นักวิจัยพยายามอย่างยาวนาน คุณภาพของชั้นอิพิแทกเซียล GaN ที่ปลูกบนพื้นผิวซิลิกอนได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ และอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนาม เครื่องตรวจจับรังสีอัลตราไวโอเลตแบบ Schottky Barrier LED สีน้ำเงิน-เขียว และเลเซอร์รังสีอัลตราไวโอเลตก็มีความก้าวหน้าอย่างมาก

โดยสรุป เนื่องจากซับสเตรตเอพิแทกเซียล GaN ที่ใช้กันทั่วไปล้วนเป็นเอพิแทกเซียลที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน จึงต้องเผชิญกับปัญหาทั่วไป เช่น ความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายและความแตกต่างอย่างมากของสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนในระดับที่แตกต่างกัน ซับสเตรตเอพิแทกเซียล GaN ที่เป็นเนื้อเดียวกันถูกจำกัดด้วยความพร้อมของเทคโนโลยี และซับสเตรตยังไม่ได้ผลิตเป็นจำนวนมาก ต้นทุนการผลิตสูง ขนาดซับสเตรตเล็ก และคุณภาพของซับสเตรตไม่เหมาะสม การพัฒนาซับสเตรตเอพิแทกเซียล GaN ใหม่และการปรับปรุงคุณภาพเอพิแทกเซียลยังคงเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่จำกัดการพัฒนาต่อไปของอุตสาหกรรมเอพิแทกเซียล GaN

IV. วิธีการทั่วไปสำหรับอิพิแทกซี GaN

MOCVD (การสะสมไอเคมี)

ดูเหมือนว่าการทำอิพิแทกซีแบบเนื้อเดียวกันบนพื้นผิว GaN จะเป็นทางเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการทำอิพิแทกซี GaN อย่างไรก็ตาม เนื่องจากสารตั้งต้นของการสะสมไอเคมีคือไตรเมทิลแกลเลียมและแอมโมเนีย และก๊าซพาหะคือไฮโดรเจน อุณหภูมิการเจริญเติบโตของ MOCVD ทั่วไปจึงอยู่ที่ประมาณ 1,000-1,100℃ และอัตราการเจริญเติบโตของ MOCVD อยู่ที่ประมาณไม่กี่ไมครอนต่อชั่วโมง MOCVD สามารถผลิตอินเทอร์เฟซที่ชันได้ในระดับอะตอม ซึ่งเหมาะมากสำหรับการเติบโตของเฮเทอโรจั๊งก์ชัน ควอนตัมเวลล์ ซูเปอร์แลตทิซ และโครงสร้างอื่นๆ อัตราการเจริญเติบโตที่รวดเร็ว ความสม่ำเสมอที่ดี และความเหมาะสมสำหรับการเติบโตในพื้นที่ขนาดใหญ่และหลายชิ้น มักใช้ในการผลิตทางอุตสาหกรรม
MBE (เอพิแทกซีลำแสงโมเลกุล)
ในการวิเคราะห์ลำแสงโมเลกุล Ga ใช้แหล่งธาตุ และไนโตรเจนที่ใช้งานได้จะได้รับจากไนโตรเจนผ่านพลาสมา RF เมื่อเปรียบเทียบกับวิธี MOCVD อุณหภูมิการเจริญเติบโตของ MBE ต่ำกว่าประมาณ 350-400℃ อุณหภูมิการเจริญเติบโตที่ต่ำกว่าสามารถหลีกเลี่ยงมลพิษบางอย่างที่อาจเกิดจากสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงได้ ระบบ MBE ทำงานภายใต้สุญญากาศที่สูงมาก ซึ่งช่วยให้สามารถผสานรวมวิธีการตรวจจับในสถานที่ได้มากขึ้น ในขณะเดียวกัน อัตราการเจริญเติบโตและกำลังการผลิตของระบบไม่สามารถเปรียบเทียบกับ MOCVD ได้ และมีการใช้ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์มากกว่า [7]

รูปที่ 5 (a) แผนผัง Eiko-MBE (b) แผนผังห้องปฏิกิริยาหลักของ MBE

วิธี HVPE (อิพิแทกซีเฟสไอไฮไดรด์)

สารตั้งต้นของวิธีการเอพิแทกซีเฟสไอไฮไดรด์คือ GaCl3 และ NH3 Detchproh และคณะใช้กระบวนการนี้เพื่อปลูกชั้นเอพิแทกเซียล GaN ที่มีความหนาหลายร้อยไมครอนบนพื้นผิวของซับสเตรตแซฟไฟร์ ในการทดลองของพวกเขา ได้ปลูกชั้น ZnO ไว้ระหว่างซับสเตรตแซฟไฟร์และชั้นเอพิแทกเซียลเป็นชั้นบัฟเฟอร์ จากนั้นจึงลอกชั้นเอพิแทกเซียลออกจากพื้นผิวของซับสเตรต เมื่อเปรียบเทียบกับ MOCVD และ MBE คุณสมบัติหลักของกระบวนการ HVPE คืออัตราการเติบโตที่สูง ซึ่งเหมาะสำหรับการผลิตชั้นหนาและวัสดุจำนวนมาก อย่างไรก็ตาม เมื่อความหนาของชั้นเอพิแทกเซียลเกิน 20μm ชั้นเอพิแทกเซียลที่ผลิตขึ้นโดยกระบวนการนี้มีแนวโน้มที่จะเกิดรอยแตกร้าว
Akira USUI แนะนำเทคโนโลยีพื้นผิวที่มีลวดลายตามวิธีนี้ ขั้นแรก พวกเขาปลูกชั้นอิพิแทกเซียล GaN บางๆ ที่มีความหนา 1-1.5 ไมโครเมตรบนพื้นผิวแซฟไฟร์โดยใช้วิธี MOCVD ชั้นอิพิแทกเซียลประกอบด้วยชั้นบัฟเฟอร์ GaN ที่มีความหนา 20 นาโนเมตรที่ปลูกภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำและชั้น GaN ที่ปลูกภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง จากนั้น ที่อุณหภูมิ 430 องศาเซลเซียส ชั้น SiO2 จะถูกชุบบนพื้นผิวของชั้นอิพิแทกเซียล และทำแถบหน้าต่างบนฟิล์ม SiO2 ด้วยเทคนิคโฟโตลิโทกราฟี ระยะห่างของแถบคือ 7 ไมโครเมตร และความกว้างของมาส์กอยู่ระหว่าง 1 ไมโครเมตรถึง 4 ไมโครเมตร หลังจากการปรับปรุงนี้ พวกเขาได้ชั้นอิพิแทกเซียล GaN บนพื้นผิวแซฟไฟร์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 2 นิ้ว ซึ่งไม่มีรอยแตกร้าวและเรียบเนียนเหมือนกระจกแม้ว่าความหนาจะเพิ่มขึ้นเป็นสิบหรือหลายร้อยไมครอนก็ตาม ความหนาแน่นของข้อบกพร่องลดลงจาก 109-1010cm-2 ของวิธี HVPE แบบดั้งเดิมเหลือประมาณ 6×107cm-2 นอกจากนี้ พวกเขายังชี้ให้เห็นในการทดลองว่าเมื่ออัตราการเติบโตเกิน 75μm/h พื้นผิวตัวอย่างจะหยาบ[8]

รูปที่ 6 แผนผังพื้นผิวกราฟิก

V. บทสรุปและแนวโน้ม

วัสดุ GaN เริ่มปรากฏขึ้นในปี 2014 เมื่อไฟ LED สีน้ำเงินได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีนั้น และเข้าสู่สนามของสาธารณะในแอปพลิเคชันการชาร์จเร็วในสาขาอิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ในความเป็นจริง แอปพลิเคชันในเครื่องขยายกำลังและอุปกรณ์ RF ที่ใช้ในสถานีฐาน 5G ที่คนส่วนใหญ่ไม่สามารถมองเห็นได้ก็ปรากฏขึ้นอย่างเงียบๆ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ความก้าวหน้าของอุปกรณ์พลังงานเกรดยานยนต์ที่ใช้ GaN คาดว่าจะเปิดจุดเติบโตใหม่ให้กับตลาดแอปพลิเคชันวัสดุ GaN
ความต้องการตลาดที่มหาศาลจะส่งเสริมการพัฒนาของอุตสาหกรรมและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับ GaN อย่างแน่นอน ด้วยความสมบูรณ์และการพัฒนาของห่วงโซ่อุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับ GaN ปัญหาที่เทคโนโลยีเอพิแทกเซียล GaN เผชิญในปัจจุบันจะได้รับการปรับปรุงหรือเอาชนะในที่สุด ในอนาคต ผู้คนจะพัฒนาเทคโนโลยีเอพิแทกเซียลใหม่ๆ มากขึ้นและตัวเลือกพื้นผิวที่ยอดเยี่ยมมากขึ้นอย่างแน่นอน เมื่อถึงเวลานั้น ผู้คนจะสามารถเลือกเทคโนโลยีการวิจัยภายนอกและพื้นผิวที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกันตามลักษณะของสถานการณ์การใช้งาน และผลิตผลิตภัณฑ์ที่กำหนดเองที่มีการแข่งขันสูงสุดได้