บทนำโดยสังเขปเกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม GaN และเทคโนโลยีการปลูกผลึกแบบเอพิแท็กเซียลที่เกี่ยวข้อง

1. เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม

เทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรกพัฒนาขึ้นจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เช่น ซิลิคอน (Si) และเจอร์มาเนียม (Ge) ซึ่งเป็นพื้นฐานทางวัสดุสำหรับการพัฒนาทรานซิสเตอร์และเทคโนโลยีวงจรรวม วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรกวางรากฐานให้กับอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ในศตวรรษที่ 20 และเป็นวัสดุพื้นฐานสำหรับเทคโนโลยีวงจรรวม

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สองส่วนใหญ่ประกอบด้วยแกลเลียมอาร์เซไนด์ อินเดียมฟอสไฟด์ อะลูมิเนียมอาร์เซไนด์ และสารประกอบไตรภาคของสารเหล่านี้ วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สองเป็นรากฐานของอุตสาหกรรมข้อมูลอิเล็กโทรออปติก บนพื้นฐานนี้ได้มีการพัฒนาอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้อง เช่น แสงสว่าง จอแสดงผล เลเซอร์ และเซลล์แสงอาทิตย์ วัสดุเหล่านี้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเทคโนโลยีสารสนเทศและอุตสาหกรรมจอแสดงผลอิเล็กโทรออปติกในปัจจุบัน

วัสดุตัวแทนของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม ได้แก่ แกลเลียมไนไตรด์และซิลิคอนคาร์ไบด์ เนื่องจากมีช่องว่างแถบพลังงานกว้าง ความเร็วการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูง การนำความร้อนสูง และความแข็งแรงของสนามไฟฟ้าสูง จึงเป็นวัสดุที่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการเตรียมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูง ความถี่สูง และการสูญเสียต่ำ ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ อุปกรณ์กำลังไฟฟ้าที่ใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์มีข้อดีคือความหนาแน่นพลังงานสูง การใช้พลังงานต่ำ และขนาดเล็ก และมีโอกาสในการใช้งานอย่างกว้างขวางในยานยนต์พลังงานใหม่ พลังงานแสงอาทิตย์ การขนส่งทางราง บิ๊กดาต้า และสาขาอื่นๆ อุปกรณ์ RF ที่ใช้แกลเลียมไนไตรด์มีข้อดีคือความถี่สูง กำลังสูง แบนด์วิดท์กว้าง การใช้พลังงานต่ำ และขนาดเล็ก และมีโอกาสในการใช้งานอย่างกว้างขวางในระบบสื่อสาร 5G อินเทอร์เน็ตของสิ่งต่างๆ เรดาร์ทางทหาร และสาขาอื่นๆ นอกจากนี้ อุปกรณ์กำลังไฟฟ้าที่ใช้แกลเลียมไนไตรด์ยังถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านแรงดันต่ำ ยิ่งไปกว่านั้น ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วัสดุแกลเลียมออกไซด์ที่เกิดขึ้นใหม่คาดว่าจะสร้างความสมบูรณ์ทางเทคนิคกับเทคโนโลยี SiC และ GaN ที่มีอยู่ และมีศักยภาพในการใช้งานในด้านความถี่ต่ำและแรงดันสูง

เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สอง วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามมีช่วงแถบพลังงานที่กว้างกว่า (ช่วงแถบพลังงานของ Si ซึ่งเป็นวัสดุทั่วไปของเซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรก อยู่ที่ประมาณ 1.1 eV ช่วงแถบพลังงานของ GaAs ซึ่งเป็นวัสดุทั่วไปของเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สอง อยู่ที่ประมาณ 1.42 eV และช่วงแถบพลังงานของ GaN ซึ่งเป็นวัสดุทั่วไปของเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม อยู่ที่มากกว่า 2.3 eV) มีความต้านทานต่อรังสีสูงกว่า ความต้านทานต่อการแตกตัวของสนามไฟฟ้าสูงกว่า และความต้านทานต่ออุณหภูมิสูงกว่า วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามที่มีช่วงแถบพลังงานกว้างกว่าจึงเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ทนต่อรังสี ความถี่สูง กำลังสูง และมีความหนาแน่นของการรวมวงจรสูง การประยุกต์ใช้ในอุปกรณ์คลื่นความถี่วิทยุไมโครเวฟ LED เลเซอร์ อุปกรณ์พลังงาน และสาขาอื่นๆ ได้รับความสนใจอย่างมาก และแสดงให้เห็นถึงโอกาสในการพัฒนาที่กว้างขวางในด้านการสื่อสารเคลื่อนที่ โครงข่ายไฟฟ้าอัจฉริยะ ระบบขนส่งทางราง ยานพาหนะพลังงานใหม่ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค และอุปกรณ์แสงอัลตราไวโอเลตและแสงสีฟ้าเขียว [1]

ที่มาของภาพ: CASA, สถาบันวิจัยหลักทรัพย์เจ้อชาง

รูปที่ 1 ช่วงเวลาและพยากรณ์ของอุปกรณ์กำลังไฟฟ้า GaN

II. โครงสร้างและคุณลักษณะของวัสดุ GaN

GaN เป็นสารกึ่งตัวนำแบบแบนด์แกปโดยตรง ความกว้างของแบนด์แกปของโครงสร้างเวิร์ตไซต์ที่อุณหภูมิห้องอยู่ที่ประมาณ 3.26 eV วัสดุ GaN มีโครงสร้างผลึกหลักสามแบบ ได้แก่ โครงสร้างเวิร์ตไซต์ โครงสร้างสฟาเลอไรต์ และโครงสร้างร็อคซอลต์ ในบรรดาโครงสร้างเหล่านี้ โครงสร้างเวิร์ตไซต์เป็นโครงสร้างผลึกที่เสถียรที่สุด รูปที่ 2 เป็นแผนภาพของโครงสร้างเวิร์ตไซต์หกเหลี่ยมของ GaN โครงสร้างเวิร์ตไซต์ของวัสดุ GaN เป็นโครงสร้างแบบหกเหลี่ยมอัดแน่น แต่ละหน่วยเซลล์มีอะตอม 12 อะตอม รวมถึงอะตอม N 6 อะตอมและอะตอม Ga 6 อะตอม อะตอม Ga (N) แต่ละอะตอมสร้างพันธะกับอะตอม N (Ga) ที่อยู่ใกล้ที่สุด 4 อะตอมและเรียงซ้อนกันในลำดับ ABABAB… ตามทิศทาง [0001] [2]

รูปที่ 2 แผนภาพเซลล์ผลึก GaN โครงสร้างเวิร์ตไซต์

III. สารตั้งต้นที่ใช้กันทั่วไปสำหรับการปลูกผลึกแกลเลียมไนไตรด์ (GaN epitaxy)

ดูเหมือนว่าการปลูกผลึกแบบเอกพันธุ์บนพื้นผิว GaN เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการปลูกผลึก GaN อย่างไรก็ตาม เนื่องจากพลังงานพันธะของ GaN มีขนาดใหญ่ เมื่ออุณหภูมิถึงจุดหลอมเหลวที่ 2500℃ ความดันการสลายตัวที่สอดคล้องกันจะอยู่ที่ประมาณ 4.5GPa เมื่อความดันการสลายตัวต่ำกว่าความดันนี้ GaN จะไม่หลอมเหลวแต่จะสลายตัวโดยตรง ทำให้เทคโนโลยีการเตรียมพื้นผิวที่พัฒนาแล้ว เช่น วิธี Czochralski ไม่เหมาะสมสำหรับการเตรียมพื้นผิวผลึกเดี่ยว GaN ทำให้การผลิตพื้นผิว GaN ในปริมาณมากทำได้ยากและมีราคาแพง ดังนั้นพื้นผิวที่ใช้กันทั่วไปในการปลูกผลึก GaN แบบเอกพันธุ์จึงส่วนใหญ่เป็น Si, SiC, แซฟไฟร์ เป็นต้น [3]

แผนภูมิที่ 3 GaN และพารามิเตอร์ของวัสดุพื้นผิวที่ใช้กันทั่วไป

การปลูกผลึก GaN บนแซฟไฟร์

แซฟไฟร์มีคุณสมบัติทางเคมีที่เสถียร ราคาถูก และมีอุตสาหกรรมการผลิตขนาดใหญ่ที่พัฒนามาอย่างดี ดังนั้นจึงกลายเป็นหนึ่งในวัสดุพื้นผิวที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในวิศวกรรมอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ ในฐานะที่เป็นวัสดุพื้นผิวที่ใช้กันทั่วไปสำหรับการปลูกผลึก GaN ปัญหาหลักที่ต้องแก้ไขสำหรับวัสดุพื้นผิวแซฟไฟร์ ได้แก่:

✔ เนื่องจากความไม่เข้ากันของโครงสร้างผลึกระหว่างแซฟไฟร์ (Al2O3) และ GaN มีขนาดใหญ่ (ประมาณ 15%) ทำให้ความหนาแน่นของข้อบกพร่องที่ส่วนต่อประสานระหว่างชั้นเอพิแทกเซียลและพื้นผิวรองรับสูงมาก เพื่อลดผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ พื้นผิวรองรับจะต้องได้รับการปรับสภาพเบื้องต้นอย่างซับซ้อนก่อนเริ่มกระบวนการเอพิแทกเซียล ก่อนการปลูก GaN เอพิแทกเซียลบนพื้นผิวรองรับแซฟไฟร์ พื้นผิวรองรับจะต้องได้รับการทำความสะอาดอย่างเข้มงวดเพื่อกำจัดสิ่งปนเปื้อน ความเสียหายจากการขัดเงาที่เหลืออยู่ ฯลฯ และเพื่อสร้างขั้นบันไดและโครงสร้างพื้นผิวขั้นบันได จากนั้น พื้นผิวรองรับจะถูกไนไตรด์เพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติการเปียกของชั้นเอพิแทกเซียล สุดท้าย จะต้องเคลือบชั้นบัฟเฟอร์ AlN บางๆ (โดยทั่วไปมีความหนา 10-100 นาโนเมตร) บนพื้นผิวรองรับและอบที่อุณหภูมิต่ำเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการปลูกเอพิแทกเซียลขั้นสุดท้าย ถึงกระนั้น ความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนในฟิล์ม GaN แบบเอพิแทกเซียลที่ปลูกบนพื้นผิวแซฟไฟร์ก็ยังสูงกว่าฟิล์มโฮโมเอพิแทกเซียล (ประมาณ 1010 ซม.-2 เมื่อเทียบกับความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนที่แทบจะเป็นศูนย์ในฟิล์มโฮโมเอพิแทกเซียลซิลิคอนหรือฟิล์มโฮโมเอพิแทกเซียลแกลเลียมอาร์เซไนด์ หรือระหว่าง 102 ถึง 104 ซม.-2) ความหนาแน่นของข้อบกพร่องที่สูงขึ้นจะลดความคล่องตัวของตัวพา ทำให้ลดอายุการใช้งานของตัวพาส่วนน้อยและลดการนำความร้อน ซึ่งทั้งหมดนี้จะลดประสิทธิภาพของอุปกรณ์ [4]

✔ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของแซฟไฟร์มีค่ามากกว่าของแกลเลียมไนโอเบียม (GaN) ดังนั้นจะเกิดแรงกดอัดแบบสองแกนในชั้นเอพิแทกเซียลระหว่างกระบวนการเย็นตัวจากอุณหภูมิการตกตะกอนไปจนถึงอุณหภูมิห้อง สำหรับฟิล์มเอพิแทกเซียลที่หนาขึ้น แรงกดอัดนี้อาจทำให้ฟิล์มหรือแม้แต่พื้นผิวแตกได้

✔ เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุรองรับอื่นๆ วัสดุรองรับแซฟไฟร์มีค่าการนำความร้อนต่ำกว่า (ประมาณ 0.25 วัตต์*ซม.-1*เคลวิน ที่ 100 องศาเซลเซียส) และประสิทธิภาพการระบายความร้อนไม่ดี

✔ เนื่องจากการนำไฟฟ้าที่ไม่ดี ทำให้พื้นผิวแซฟไฟร์ไม่เหมาะสมสำหรับการรวมและการประยุกต์ใช้กับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ

แม้ว่าความหนาแน่นของข้อบกพร่องในชั้นเอพิแท็กเซียล GaN ที่ปลูกบนพื้นผิวแซฟไฟร์จะสูง แต่ดูเหมือนว่าจะไม่ลดประสิทธิภาพทางด้านอิเล็กโทรออปติกของ LED สีฟ้าเขียวที่ใช้ GaN เป็นส่วนประกอบอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้นพื้นผิวแซฟไฟร์จึงยังคงเป็นพื้นผิวที่ใช้กันทั่วไปสำหรับ LED ที่ใช้ GaN เป็นส่วนประกอบ

ด้วยการพัฒนาการใช้งานใหม่ๆ ของอุปกรณ์ GaN เช่น เลเซอร์หรืออุปกรณ์กำลังไฟฟ้าความหนาแน่นสูงอื่นๆ ข้อบกพร่องโดยธรรมชาติของพื้นผิวแซฟไฟร์จึงกลายเป็นข้อจำกัดในการใช้งานมากขึ้นเรื่อยๆ นอกจากนี้ ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการเติบโตของพื้นผิว SiC การลดต้นทุน และความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการปลูกผลึก GaN บนพื้นผิว Si ทำให้การวิจัยเกี่ยวกับการปลูกชั้นผลึก GaN บนพื้นผิวแซฟไฟร์มีแนวโน้มลดลงอย่างต่อเนื่อง

การปลูกผลึก GaN บน SiC

เมื่อเปรียบเทียบกับแซฟไฟร์ พื้นผิว SiC (ผลึก 4H และ 6H) มีความไม่เข้ากันของโครงสร้างผลึกกับชั้น GaN แบบเอพิแท็กเซียลน้อยกว่า (3.1% เทียบเท่ากับฟิล์มเอพิแท็กเซียลที่วางแนว [0001]) มีค่าการนำความร้อนสูงกว่า (ประมาณ 3.8 W*cm-1*K-1) เป็นต้น นอกจากนี้ การนำไฟฟ้าของพื้นผิว SiC ยังช่วยให้สามารถสร้างหน้าสัมผัสทางไฟฟ้าที่ด้านหลังของพื้นผิวได้ ซึ่งช่วยลดความซับซ้อนของโครงสร้างอุปกรณ์ ข้อดีเหล่านี้ดึงดูดนักวิจัยจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ ให้มาทำงานเกี่ยวกับการปลูกผลึก GaN บนพื้นผิวซิลิคอนคาร์ไบด์

อย่างไรก็ตาม การทำงานโดยตรงบนพื้นผิว SiC เพื่อหลีกเลี่ยงการปลูกชั้น GaN ก็มีข้อเสียหลายประการ รวมถึงข้อต่อไปนี้:

✔ ความหยาบของพื้นผิวของแผ่นรองพื้น SiC นั้นสูงกว่าแผ่นรองพื้นแซฟไฟร์มาก (ความหยาบของแซฟไฟร์ 0.1 นาโนเมตร RMS ความหยาบของ SiC 1 นาโนเมตร RMS) แผ่นรองพื้น SiC มีความแข็งสูงและประสิทธิภาพในการแปรรูปต่ำ และความหยาบนี้และความเสียหายจากการขัดเงาที่เหลืออยู่ก็เป็นหนึ่งในแหล่งที่มาของข้อบกพร่องในชั้นเอพิเลเยอร์ GaN ด้วย

✔ ความหนาแน่นของดิสโลเคชันแบบเกลียวของพื้นผิว SiC สูง (ความหนาแน่นของดิสโลเคชัน 10³-10⁴ cm⁻²) ดิสโลเคชันแบบเกลียวอาจแพร่กระจายไปยังชั้นเอพิเลเยอร์ GaN และลดประสิทธิภาพของอุปกรณ์

✔ การจัดเรียงอะตอมบนพื้นผิวของซับสเตรตทำให้เกิดข้อบกพร่องในการเรียงซ้อน (Stacking Faults: BSFs) ในชั้นเอพิเลเยอร์ GaN สำหรับ GaN แบบเอพิแท็กเซียลบนซับสเตรต SiC นั้น มีลำดับการจัดเรียงอะตอมที่เป็นไปได้หลายแบบบนซับสเตรต ส่งผลให้ลำดับการเรียงซ้อนอะตอมเริ่มต้นของชั้น GaN แบบเอพิแท็กเซียลบนนั้นไม่สม่ำเสมอ ซึ่งมีแนวโน้มที่จะเกิดข้อบกพร่องในการเรียงซ้อน ข้อบกพร่องในการเรียงซ้อน (SFs) ก่อให้เกิดสนามไฟฟ้าภายในตามแนวแกน c ซึ่งนำไปสู่ปัญหาต่างๆ เช่น การรั่วไหลของอุปกรณ์แยกพาหะในระนาบ

✔ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของพื้นผิว SiC มีค่าน้อยกว่าของ AlN และ GaN ซึ่งทำให้เกิดการสะสมของความเครียดทางความร้อนระหว่างชั้นเอพิแทกเซียลและพื้นผิวระหว่างกระบวนการระบายความร้อน Waltereit และ Brand คาดการณ์จากผลการวิจัยของพวกเขาว่าปัญหานี้สามารถบรรเทาหรือแก้ไขได้โดยการปลูกชั้นเอพิแทกเซียล GaN บนชั้นนิวเคลียส AlN ที่บางและมีความเครียดที่สอดคล้องกัน

✔ ปัญหาการเปียกตัวที่ไม่ดีของอะตอม Ga เมื่อปลูกชั้น GaN แบบเอพิแท็กเซียโดยตรงบนพื้นผิว SiC เนื่องจากความสามารถในการเปียกตัวที่ไม่ดีระหว่างอะตอมทั้งสอง GaN จึงมีแนวโน้มที่จะเติบโตเป็นเกาะสามมิติบนพื้นผิวของซับสเตรต การใช้ชั้นบัฟเฟอร์เป็นวิธีแก้ปัญหาที่ใช้กันทั่วไปที่สุดในการปรับปรุงคุณภาพของวัสดุเอพิแท็กเซียในการปลูก GaN แบบเอพิแท็กเซีย การใช้ชั้นบัฟเฟอร์ AlN หรือ AlxGa1-xN สามารถปรับปรุงความสามารถในการเปียกตัวของพื้นผิว SiC ได้อย่างมีประสิทธิภาพและทำให้ชั้น GaN แบบเอพิแท็กเซียเติบโตในสองมิติ นอกจากนี้ยังสามารถควบคุมความเครียดและป้องกันไม่ให้ข้อบกพร่องของซับสเตรตขยายไปยังการปลูก GaN แบบเอพิแท็กเซียได้อีกด้วย

✔ เทคโนโลยีการเตรียมพื้นผิว SiC ยังไม่สมบูรณ์ ต้นทุนพื้นผิวสูง และมีผู้ผลิตน้อยและปริมาณสินค้าไม่เพียงพอ

งานวิจัยของ Torres และคณะแสดงให้เห็นว่า การกัดเซาะพื้นผิว SiC ด้วย H2 ที่อุณหภูมิสูง (1600°C) ก่อนการปลูกผลึกสามารถสร้างโครงสร้างขั้นบันไดที่เป็นระเบียบมากขึ้นบนพื้นผิวของวัสดุรองรับ ส่งผลให้ได้ฟิล์มผลึก AlN ที่มีคุณภาพสูงกว่าเมื่อปลูกโดยตรงบนพื้นผิวของวัสดุรองรับเดิม งานวิจัยของ Xie และทีมงานยังแสดงให้เห็นว่า การเตรียมพื้นผิวซิลิคอนคาร์ไบด์ด้วยการกัดเซาะสามารถปรับปรุงสัณฐานวิทยาของพื้นผิวและคุณภาพของผลึกของชั้นผลึก GaN ได้อย่างมีนัยสำคัญ Smith และคณะพบว่า ดิสโลเคชันแบบเกลียวที่เกิดจากส่วนต่อประสานระหว่างวัสดุรองรับ/ชั้นบัฟเฟอร์ และชั้นบัฟเฟอร์/ชั้นผลึกมีความสัมพันธ์กับความเรียบของวัสดุรองรับ [5]

รูปที่ 4 ลักษณะทางสัณฐานวิทยาของชั้นเอพิแท็กเซียล GaN ที่ปลูกบนพื้นผิว 6H-SiC (0001) ภายใต้สภาวะการปรับสภาพพื้นผิวที่แตกต่างกัน (a) การทำความสะอาดทางเคมี; (b) การทำความสะอาดทางเคมี + การบำบัดด้วยพลาสมาไฮโดรเจน; (c) การทำความสะอาดทางเคมี + การบำบัดด้วยพลาสมาไฮโดรเจน + การบำบัดด้วยความร้อนไฮโดรเจนที่ 1300℃ เป็นเวลา 30 นาที

การปลูกผลึก GaN บน Si

เมื่อเปรียบเทียบกับซิลิคอนคาร์ไบด์ แซฟไฟร์ และวัสดุรองรับอื่นๆ กระบวนการเตรียมวัสดุรองรับซิลิคอนนั้นมีความสมบูรณ์แล้ว และสามารถผลิตวัสดุรองรับขนาดใหญ่ที่มีคุณภาพสูงได้อย่างเสถียรด้วยต้นทุนที่คุ้มค่า ในขณะเดียวกัน การนำความร้อนและการนำไฟฟ้าก็ดี และกระบวนการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จากซิลิคอนก็มีความสมบูรณ์แล้ว ความเป็นไปได้ในการบูรณาการอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติก GaN เข้ากับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จากซิลิคอนได้อย่างสมบูรณ์แบบในอนาคต ยังทำให้การปลูกผลึก GaN บนซิลิคอนมีความน่าสนใจอย่างมาก

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความแตกต่างอย่างมากของค่าคงที่แลตติสระหว่างพื้นผิวซิลิคอนและวัสดุแกลเลียมไนไตรด์ การปลูกแกลเลียมไนไตรด์บนพื้นผิวซิลิคอนแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกันจึงเป็นการปลูกแบบที่มีความไม่ตรงกันขนาดใหญ่ และยังต้องเผชิญกับปัญหาต่างๆ อีกมากมาย:

✔ ปัญหาพลังงานที่ส่วนต่อประสานพื้นผิว เมื่อ GaN เติบโตบนพื้นผิว Si พื้นผิวของพื้นผิว Si จะถูกไนไตรด์ก่อนเพื่อสร้างชั้นซิลิคอนไนไตรด์อสัณฐาน ซึ่งไม่เอื้อต่อการก่อตัวและการเติบโตของ GaN ที่มีความหนาแน่นสูง นอกจากนี้ พื้นผิว Si จะสัมผัสกับ Ga ก่อน ซึ่งจะกัดกร่อนพื้นผิวของพื้นผิว Si ที่อุณหภูมิสูง การสลายตัวของพื้นผิว Si จะแพร่กระจายเข้าไปในชั้น GaN แบบเอพิแทกเซียล ทำให้เกิดจุดซิลิคอนสีดำ

✔ ความไม่ตรงกันของค่าคงที่แลตติสระหว่าง GaN และ Si มีขนาดใหญ่ (~17%) ซึ่งจะนำไปสู่การก่อตัวของดิสโลเคชันแบบเกลียวที่มีความหนาแน่นสูงและลดคุณภาพของชั้นเอพิแทกเซียลงอย่างมาก

✔ เมื่อเปรียบเทียบกับ Si แล้ว GaN มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่สูงกว่า (ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของ GaN อยู่ที่ประมาณ 5.6×10⁻⁶ K⁻¹ ในขณะที่ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของ Si อยู่ที่ประมาณ 2.6×10⁻⁶ K⁻¹) และอาจเกิดรอยแตกในชั้นเอพิแทกเซียลของ GaN ในระหว่างการลดอุณหภูมิของเอพิแทกเซียลลงจนถึงอุณหภูมิห้อง

✔ Si ทำปฏิกิริยากับ NH3 ที่อุณหภูมิสูงเพื่อสร้าง SiNx แบบผลึกหลายเหลี่ยม AlN ไม่สามารถสร้างนิวเคลียสที่มีทิศทางเฉพาะบน SiNx แบบผลึกหลายเหลี่ยมได้ ซึ่งนำไปสู่การวางแนวที่ไม่เป็นระเบียบของชั้น GaN ที่เติบโตในภายหลังและจำนวนข้อบกพร่องสูง ส่งผลให้คุณภาพผลึกของชั้น GaN แบบเอพิแทกเซียไม่ดี และแม้กระทั่งยากที่จะสร้างชั้น GaN แบบเอพิแทกเซียที่เป็นผลึกเดี่ยว [6]

เพื่อแก้ปัญหาความไม่เข้ากันของโครงสร้างผลึกขนาดใหญ่ นักวิจัยได้พยายามนำวัสดุต่างๆ เช่น AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO และ SiC มาใช้เป็นชั้นบัฟเฟอร์บนพื้นผิว Si เพื่อหลีกเลี่ยงการก่อตัวของ SiNx แบบผลึกหลายเหลี่ยมและลดผลกระทบเชิงลบต่อคุณภาพผลึกของวัสดุ GaN/AlN/Si (111) โดยทั่วไปแล้วจำเป็นต้องเติม TMAl เป็นระยะเวลาหนึ่งก่อนการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียของชั้นบัฟเฟอร์ AlN เพื่อป้องกันไม่ให้ NH3 ทำปฏิกิริยากับพื้นผิว Si ที่สัมผัสเพื่อสร้าง SiNx นอกจากนี้ เทคโนโลยีเอพิแท็กเซีย เช่น เทคโนโลยีพื้นผิวแบบมีลวดลาย สามารถนำมาใช้เพื่อปรับปรุงคุณภาพของชั้นเอพิแท็กเซียได้ การพัฒนาเทคโนโลยีเหล่านี้ช่วยยับยั้งการก่อตัวของ SiNx ที่ส่วนต่อประสานเอพิแท็กเซีย ส่งเสริมการเจริญเติบโตแบบสองมิติของชั้นเอพิแท็กเซีย GaN และปรับปรุงคุณภาพการเจริญเติบโตของชั้นเอพิแท็กเซีย นอกจากนี้ ยังมีการเพิ่มชั้นบัฟเฟอร์ AlN เพื่อชดเชยความเค้นดึงที่เกิดจากความแตกต่างของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน เพื่อป้องกันการแตกร้าวในชั้นเอพิแท็กเซียล GaN บนพื้นผิวซิลิคอน งานวิจัยของ Krost แสดงให้เห็นว่ามีความสัมพันธ์เชิงบวกระหว่างความหนาของชั้นบัฟเฟอร์ AlN กับการลดลงของความเครียด เมื่อความหนาของชั้นบัฟเฟอร์ถึง 12 นาโนเมตร ชั้นเอพิแท็กเซียลที่มีความหนามากกว่า 6 ไมโครเมตรสามารถปลูกบนพื้นผิวซิลิคอนได้โดยใช้แผนการเติบโตที่เหมาะสมโดยไม่เกิดการแตกร้าวของชั้นเอพิแท็กเซียล

หลังจากการทุ่มเทอย่างยาวนานของนักวิจัย คุณภาพของชั้นเอพิแท็กเซียล GaN ที่ปลูกบนพื้นผิวซิลิคอนได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ และอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ทรานซิสเตอร์แบบสนามแม่เหล็ก ตัวตรวจจับรังสีอัลตราไวโอเลตแบบ Schottky barrier ไฟ LED สีฟ้าเขียว และเลเซอร์อัลตราไวโอเลต ก็มีความก้าวหน้าอย่างมาก

โดยสรุปแล้ว เนื่องจากพื้นผิวปลูกผลึก GaN ที่ใช้กันทั่วไปล้วนเป็นการปลูกผลึกแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกัน จึงประสบปัญหาทั่วไป เช่น ความไม่เข้ากันของโครงสร้างผลึก และความแตกต่างอย่างมากของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนในระดับต่างๆ กัน ส่วนพื้นผิวปลูกผลึก GaN แบบเป็นเนื้อเดียวกันนั้นมีข้อจำกัดด้านเทคโนโลยี และยังไม่สามารถผลิตได้ในปริมาณมาก ต้นทุนการผลิตสูง ขนาดพื้นผิวเล็ก และคุณภาพยังไม่ดีพอ การพัฒนาพื้นผิวปลูกผลึก GaN แบบใหม่และการปรับปรุงคุณภาพการปลูกผลึกยังคงเป็นปัจจัยสำคัญที่จำกัดการพัฒนาอุตสาหกรรมการปลูกผลึก GaN ต่อไป

IV. วิธีการทั่วไปสำหรับการปลูกผลึกแกลเลียมไนไตรด์ (GaN epitaxy)

MOCVD (การตกตะกอนไอสารเคมี)

ดูเหมือนว่าการปลูกผลึกแบบเอกรูปบนพื้นผิว GaN จะเป็นทางเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการปลูกผลึก GaN อย่างไรก็ตาม เนื่องจากสารตั้งต้นของการตกตะกอนด้วยไอสารเคมีคือไตรเมทิลแกลเลียมและแอมโมเนีย และก๊าซพาหะคือไฮโดรเจน อุณหภูมิการเติบโตของ MOCVD โดยทั่วไปจึงอยู่ที่ประมาณ 1000-1100℃ และอัตราการเติบโตของ MOCVD อยู่ที่ประมาณไม่กี่ไมครอนต่อชั่วโมง สามารถสร้างส่วนต่อประสานที่คมชัดในระดับอะตอม ซึ่งเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการปลูกเฮเทอโรจังก์ชัน ควอนตัมเวลล์ ซูเปอร์แลตติซ และโครงสร้างอื่นๆ อัตราการเติบโตที่รวดเร็ว ความสม่ำเสมอที่ดี และความเหมาะสมสำหรับการเติบโตในพื้นที่ขนาดใหญ่และหลายชิ้น ทำให้มักถูกนำไปใช้ในการผลิตทางอุตสาหกรรม
MBE (การปลูกผลึกด้วยลำแสงโมเลกุล)
ในการปลูกผลึกด้วยลำแสงโมเลกุล Ga ใช้แหล่งกำเนิดธาตุ และไนโตรเจนที่ใช้งานได้จะได้รับจากไนโตรเจนผ่านพลาสมา RF เมื่อเปรียบเทียบกับวิธี MOCVD อุณหภูมิการเติบโตของ MBE จะต่ำกว่าประมาณ 350-400℃ อุณหภูมิการเติบโตที่ต่ำกว่านี้สามารถหลีกเลี่ยงมลภาวะบางอย่างที่อาจเกิดจากสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงได้ ระบบ MBE ทำงานภายใต้สุญญากาศสูงมาก ซึ่งช่วยให้สามารถรวมวิธีการตรวจจับแบบ in-situ ได้มากขึ้น ในขณะเดียวกัน อัตราการเติบโตและกำลังการผลิตก็ไม่สามารถเทียบได้กับ MOCVD และมีการใช้มากขึ้นในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ [7]

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

วิธี HVPE (การปลูกผลึกแบบไอระเหยไฮไดรด์)

สารตั้งต้นของวิธีการปลูกผลึกแบบไอระเหยไฮไดรด์ (HVPE) คือ GaCl3 และ NH3 Detchprohm และคณะได้ใช้วิธีนี้ในการปลูกชั้นผลึก GaN ที่มีความหนาหลายร้อยไมครอนบนพื้นผิวของแผ่นซับสเตรตแซฟไฟร์ ในการทดลองของพวกเขา ได้มีการปลูกชั้น ZnO ระหว่างแผ่นซับสเตรตแซฟไฟร์และชั้นผลึกเพื่อทำหน้าที่เป็นชั้นบัฟเฟอร์ และชั้นผลึกถูกลอกออกจากพื้นผิวของแผ่นซับสเตรต เมื่อเปรียบเทียบกับ MOCVD และ MBE คุณสมบัติหลักของวิธีการ HVPE คืออัตราการเติบโตที่สูง ซึ่งเหมาะสำหรับการผลิตชั้นหนาและวัสดุขนาดใหญ่ อย่างไรก็ตาม เมื่อความหนาของชั้นผลึกเกิน 20 ไมครอน ชั้นผลึกที่ผลิตด้วยวิธีนี้มีแนวโน้มที่จะเกิดรอยแตก
บริษัท Akira USUI ได้นำเสนอเทคโนโลยีพื้นผิวแบบมีลวดลายโดยใช้วิธีนี้ พวกเขาเริ่มต้นด้วยการปลูกชั้นเอพิแท็กเซียล GaN บางๆ หนา 1-1.5 ไมโครเมตร บนพื้นผิวแซฟไฟร์โดยใช้วิธี MOCVD ชั้นเอพิแท็กเซียลประกอบด้วยชั้นบัฟเฟอร์ GaN หนา 20 นาโนเมตรที่ปลูกภายใต้สภาวะอุณหภูมิต่ำ และชั้น GaN ที่ปลูกภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูง จากนั้น ที่อุณหภูมิ 430 องศาเซลเซียส ได้ทำการเคลือบชั้น SiO2 บนพื้นผิวของชั้นเอพิแท็กเซียล และสร้างแถบหน้าต่างบนฟิล์ม SiO2 โดยใช้โฟโตลิโทกราฟี ระยะห่างของแถบคือ 7 ไมโครเมตร และความกว้างของหน้ากากมีตั้งแต่ 1 ไมโครเมตร ถึง 4 ไมโครเมตร หลังจากการปรับปรุงนี้ พวกเขาได้ชั้นเอพิแท็กเซียล GaN บนพื้นผิวแซฟไฟร์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 2 นิ้ว ที่ปราศจากรอยแตกและเรียบเนียนเหมือนกระจก แม้ว่าความหนาจะเพิ่มขึ้นเป็นหลายสิบหรือหลายร้อยไมครอนก็ตาม ความหนาแน่นของข้อบกพร่องลดลงจาก 10⁹-10¹⁰ cm⁻² ของวิธี HVPE แบบดั้งเดิม เหลือประมาณ 6×10⁷ cm⁻² พวกเขายังชี้ให้เห็นในการทดลองว่าเมื่ออัตราการเติบโตเกิน 75 μm/h พื้นผิวตัวอย่างจะหยาบขึ้น[8]

รูปที่ 6 แผนผังพื้นผิวเชิงกราฟิก

V. สรุปและแนวโน้มในอนาคต

วัสดุ GaN เริ่มเป็นที่รู้จักมากขึ้นในปี 2014 เมื่อหลอด LED สีฟ้าได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีนั้น และเริ่มเข้าสู่แวดวงการใช้งานด้านการชาร์จเร็วในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค ที่จริงแล้ว การใช้งานในเครื่องขยายกำลังและอุปกรณ์ RF ที่ใช้ในสถานีฐาน 5G ซึ่งคนส่วนใหญ่ไม่สามารถมองเห็นได้ ก็เริ่มปรากฏขึ้นอย่างเงียบๆ เช่นกัน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ความก้าวหน้าของอุปกรณ์ไฟฟ้าเกรดสำหรับยานยนต์ที่ใช้ GaN เป็นส่วนประกอบ คาดว่าจะเปิดโอกาสการเติบโตใหม่ๆ ให้กับตลาดการใช้งานวัสดุ GaN
ความต้องการของตลาดที่มหาศาลจะส่งเสริมการพัฒนาอุตสาหกรรมและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับ GaN อย่างแน่นอน ด้วยความเติบโตและพัฒนาการของห่วงโซ่อุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับ GaN ปัญหาที่เทคโนโลยีการปลูกผลึก GaN ในปัจจุบันเผชิญอยู่จะได้รับการแก้ไขหรือเอาชนะได้ในที่สุด ในอนาคต ผู้คนจะพัฒนาเทคโนโลยีการปลูกผลึกใหม่ๆ และตัวเลือกพื้นผิวที่ดีเยี่ยมมากขึ้นอย่างแน่นอน ในเวลานั้น ผู้คนจะสามารถเลือกเทคโนโลยีการวิจัยภายนอกและพื้นผิวที่เหมาะสมที่สุดสำหรับสถานการณ์การใช้งานต่างๆ ตามลักษณะเฉพาะของสถานการณ์การใช้งาน และผลิตผลิตภัณฑ์ที่ปรับแต่งได้ที่มีความสามารถในการแข่งขันสูงสุด