ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม: GaN และเทคโนโลยี Epitax ที่เกี่ยวข้อง

1. เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม

(1) เซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรก

เทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์รุ่นแรกมีพื้นฐานมาจากวัสดุ เช่น ซิลิคอน (Si) และเจอร์เมเนียม (Ge) วัสดุเหล่านี้วางรากฐานสำหรับเทคโนโลยีทรานซิสเตอร์และวงจรรวม (IC) ซึ่งต่อมาได้วางรากฐานของอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ในศตวรรษที่ 20

(2) เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สอง
วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สองส่วนใหญ่ประกอบด้วยแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs), อินเดียมฟอสไฟด์ (InP), แกลเลียมฟอสไฟด์ (GaP), อินเดียมอาร์เซไนด์ (InAs), อะลูมิเนียมอาร์เซไนด์ (AlAs) และสารประกอบแบบไตรภาค วัสดุเหล่านี้เป็นแกนหลักของอุตสาหกรรมข้อมูลออปโตอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งนำไปสู่การพัฒนาด้านแสงสว่าง จอแสดงผล เลเซอร์ เซลล์แสงอาทิตย์ และอุตสาหกรรมอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีสารสนเทศร่วมสมัยและอุตสาหกรรมการแสดงผลออปโตอิเล็กทรอนิกส์

(3) เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม
วัสดุที่เป็นตัวแทนของเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม ได้แก่ แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) และซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เนื่องจากช่องว่างแถบกว้าง ความเร็วดริฟท์ของความอิ่มตัวของอิเล็กตรอนสูง ค่าการนำความร้อนสูง และสนามไฟฟ้าสลายขนาดใหญ่ วัสดุเหล่านี้จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความหนาแน่นพลังงานสูง ความถี่สูง และการสูญเสียต่ำ อุปกรณ์กำลัง SiC มีความหนาแน่นพลังงานสูง ใช้พลังงานต่ำ และมีขนาดเล็ก ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานในยานพาหนะไฟฟ้า เซลล์แสงอาทิตย์ การขนส่งทางรถไฟ และภาคข้อมูลขนาดใหญ่ อุปกรณ์ GaN RF มีความถี่สูง กำลังสูง แบนด์วิดท์กว้าง ใช้พลังงานต่ำ และมีขนาดเล็ก ซึ่งเป็นประโยชน์สำหรับการสื่อสาร 5G, Internet of Things (IoT) และแอปพลิเคชันเรดาร์ทางการทหาร นอกจากนี้ อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ GaN ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานแรงดันไฟฟ้าต่ำ วัสดุแกลเลียมออกไซด์ (Ga2O3) ที่เกิดขึ้นใหม่ยังแสดงศักยภาพในการเสริมเทคโนโลยี SiC และ GaN ที่มีอยู่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานไฟฟ้าแรงสูงความถี่ต่ำ

เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สอง วัสดุรุ่นที่สามมีแถบความถี่ที่กว้างกว่า (โดยทั่วไป Si มีแถบความถี่ประมาณ 1.1 eV, GaAs ประมาณ 1.42 eV ในขณะที่ GaN เกิน 2.3 eV) ความต้านทานการแผ่รังสีที่แข็งแกร่ง ประสิทธิภาพการสลายสนามไฟฟ้าที่สูงขึ้น และดีกว่า ความอดทนต่ออุณหภูมิสูง ลักษณะเหล่านี้ทำให้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามเหมาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความหนาแน่นของการผสานรวมสูง ทนต่อรังสี ความถี่สูง กำลังสูง และมีการบูรณาการสูง พวกเขากำลังก้าวหน้าอย่างมากในด้านอุปกรณ์ RF ไมโครเวฟ, LED, เลเซอร์ และอุปกรณ์ไฟฟ้า และแสดงให้เห็นถึงแนวโน้มที่ดีในด้านการสื่อสารเคลื่อนที่ สมาร์ทกริด การขนส่งทางรถไฟ ยานพาหนะไฟฟ้า เครื่องใช้ไฟฟ้า และอุปกรณ์อัลตราไวโอเลตและแสงสีน้ำเงินเขียว[1]

รูปที่ 1: ขนาดตลาดและการคาดการณ์ของอุปกรณ์ไฟฟ้า GaN

2. โครงสร้างและลักษณะของ GaN

แกลเลียมไนไตรด์ (GaN) เป็นสารกึ่งตัวนำแถบความถี่โดยตรงที่มีแถบความถี่ประมาณ 3.26 eV ที่อุณหภูมิห้องในโครงสร้างเวิร์ตไซต์ GaN ส่วนใหญ่มีอยู่ในโครงสร้างผลึกสามโครงสร้าง: เวิร์ตไซต์, ซิงค์เบลนเด และเกลือสินเธาว์ โครงสร้างเวิร์ตไซต์มีความเสถียรมากที่สุดในบรรดาสิ่งเหล่านี้รูปที่ 2 แสดงโครงสร้าง wurtzite หกเหลี่ยมของ GaN- ในโครงสร้างเวิร์ตไซต์ GaN เป็นของการกำหนดค่าแบบปิดหกเหลี่ยม แต่ละหน่วยเซลล์ประกอบด้วย 12 อะตอม รวมทั้งอะตอมไนโตรเจน (N) 6 อะตอม และแกลเลียม (Ga) 6 อะตอม อะตอม Ga (N) แต่ละอะตอมจะถูกพันธะกับอะตอม N (Ga) ที่ใกล้ที่สุด 4 อะตอม ทำให้เกิดลำดับการเรียงซ้อนตามทิศทาง [0001] ในรูปแบบ ABABAB...[2]

รูปที่ 2: โครงสร้าง Wurtzite ของเซลล์หน่วย GaN

3. วัสดุพิมพ์ทั่วไปสำหรับ GaN Epitaxy

เมื่อมองแวบแรก Homoepitaxy บนพื้นผิว GaN ดูเหมือนจะเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับ GaN epitaxy อย่างไรก็ตาม เนื่องจากพลังงานพันธะสูงของ GaN ที่จุดหลอมเหลว (2,500°C) ความดันการสลายตัวที่สอดคล้องกันจึงอยู่ที่ประมาณ 4.5 GPa ภายใต้ความกดดันนี้ GaN จะไม่ละลาย แต่จะสลายตัวโดยตรง ซึ่งทำให้เทคนิคการเตรียมซับสเตรตแบบดั้งเดิม เช่น วิธี Czochralski ไม่เหมาะสำหรับการเตรียมซับสเตรตผลึกเดี่ยว GaN ดังนั้นสารตั้งต้น GaN จึงยากต่อการผลิตจำนวนมากและมีราคาแพง ดังนั้นซับสเตรตที่ใช้กันทั่วไปสำหรับ GaN epitaxy ได้แก่ Si, SiC และแซฟไฟร์[3]

รูปที่ 3: พารามิเตอร์ของ GaN และวัสดุพื้นผิวทั่วไป

(1) GaN Epitaxy บนแซฟไฟร์

แซฟไฟร์มีความเสถียรทางเคมี ราคาไม่แพง และมีความสมบูรณ์ในระดับสูงในการผลิตจำนวนมาก ทำให้เป็นหนึ่งในวัสดุตั้งต้นที่เก่าแก่ที่สุดและใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในวิศวกรรมอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ เนื่องจากเป็นสารตั้งต้นทั่วไปสำหรับ GaN epitaxy สารตั้งต้นแซฟไฟร์จำเป็นต้องแก้ไขปัญหาสำคัญต่อไปนี้:

✔ แลตทิซไม่ตรงกันสูง: แลตทิซไม่ตรงกันระหว่างแซฟไฟร์ (Al2O3) และ GaN มีนัยสำคัญ (ประมาณ 15%) ส่งผลให้มีความหนาแน่นของข้อบกพร่องสูงที่ส่วนต่อประสานระหว่างชั้นเอพิแทกเซียลและซับสเตรต เพื่อบรรเทาผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์นี้ วัสดุพิมพ์จะต้องผ่านการประมวลผลล่วงหน้าที่ซับซ้อนก่อนที่กระบวนการเอพิแทกเซียลจะเริ่มต้นขึ้น ซึ่งรวมถึงการทำความสะอาดอย่างละเอียดเพื่อขจัดสิ่งปนเปื้อนและความเสียหายจากการขัดเงาที่ตกค้าง การสร้างขั้นตอนและโครงสร้างพื้นผิวขั้นตอน การทำไนไตรเดชันที่พื้นผิวเพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติการทำให้เปียกของชั้นอีปิเทเชียล และสุดท้ายก็สร้างชั้นบัฟเฟอร์ AlN บาง ๆ (โดยทั่วไปมีความหนา 10-100 นาโนเมตร) ตามด้วยระดับต่ำ - การอบอ่อนด้วยอุณหภูมิเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวขั้นสุดท้าย แม้จะมีมาตรการเหล่านี้ ความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนในภาพยนตร์ epitaxis ของ GaN ที่ปลูกบนพื้นผิวแซฟไฟร์ยังคงสูง (~ 10 ^ 10 cm ^ -2) เมื่อเปรียบเทียบกับ homoepitaxy บนซิลิคอนหรือ GaAs (ความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อน 0 ถึง 102-104 cm ^ -2) ความหนาแน่นของข้อบกพร่องสูงจะช่วยลดความคล่องตัวของผู้ให้บริการ ลดอายุการใช้งานของผู้ให้บริการรายย่อย และลดการนำความร้อน ทั้งหมดนี้ทำให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ลดลง[4]

✔ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนไม่ตรงกัน: แซฟไฟร์มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนมากกว่า GaN ส่งผลให้เกิดความเครียดจากแรงอัดแบบสองแกนภายในชั้นเอพิแทกเซียลเมื่อเย็นลงจากอุณหภูมิการสะสมจนถึงอุณหภูมิห้อง สำหรับฟิล์มอีปิแอกเชียลที่หนาขึ้น ความเครียดนี้อาจทำให้ฟิล์มหรือแม้แต่วัสดุพิมพ์แตกร้าวได้

✔ ค่าการนำความร้อนต่ำ: เมื่อเทียบกับพื้นผิวอื่นๆ แซฟไฟร์มีค่าการนำความร้อนต่ำกว่า (~0.25 Wcm^-1K^-1 ที่ 100°C) ซึ่งส่งผลเสียต่อการกระจายความร้อน

✔ ค่าการนำไฟฟ้าต่ำ: ค่าการนำไฟฟ้าต่ำของแซฟไฟร์เป็นอุปสรรคต่อการรวมและการใช้งานกับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ

แม้จะมีความหนาแน่นของข้อบกพร่องสูงในชั้น epitaxis ของ GaN ที่ปลูกบนแซฟไฟร์ แต่ประสิทธิภาพทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์ในไฟ LED สีน้ำเงินเขียวที่ใช้ GaN ไม่ได้ลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ดังนั้นซับสเตรตแซฟไฟร์จึงยังคงพบเห็นได้ทั่วไปสำหรับ LED ที่ใช้ GaN อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีการพัฒนาอุปกรณ์ GaN เช่น เลเซอร์ และอุปกรณ์พลังงานความหนาแน่นสูงอื่นๆ มากขึ้น ข้อจำกัดโดยธรรมชาติของซับสเตรตแซฟไฟร์จึงชัดเจนมากขึ้น

(2) GaN Epitaxy บน SiC

เมื่อเปรียบเทียบกับแซฟไฟร์ สารตั้งต้น SiC (โพลีไทป์ 4H และ 6H) มีแลตทิซที่ไม่ตรงกันน้อยกว่ากับชั้นอีปิเทกเซียล GaN (3.1% ตามแนวทิศทาง [0001]) ค่าการนำความร้อนสูงกว่า (ประมาณ 3.8 Wcm^-1K^-1) และ การนำไฟฟ้าที่ช่วยให้สามารถสัมผัสทางไฟฟ้าด้านหลัง ช่วยลดความซับซ้อนของโครงสร้างอุปกรณ์ ข้อดีเหล่านี้ดึงดูดนักวิจัยจำนวนมากขึ้นให้สำรวจ GaN epitaxy บนพื้นผิว SiC อย่างไรก็ตามการเติบโตโดยตรงของชั้น epitaxis ของ GaN บนพื้นผิว SiC ก็เผชิญกับความท้าทายหลายประการ:

✔ ความหยาบของพื้นผิว: พื้นผิว SiC มีความหยาบผิวสูงกว่าพื้นผิวแซฟไฟร์มาก (0.1 nm RMS สำหรับแซฟไฟร์, 1 nm RMS สำหรับ SiC) ความแข็งสูงและความสามารถในการขึ้นรูปต่ำของ SiC ทำให้เกิดความหยาบและความเสียหายจากการขัดเงาที่ตกค้าง ซึ่งเป็นสาเหตุของข้อบกพร่องในชั้นอีปิแอกเซียลของ GaN

✔ ความหนาแน่นของการเคลื่อนที่ของเกลียวสูง: วัสดุพิมพ์ SiC มีความหนาแน่นของการเคลื่อนที่ของเกลียวสูง (103-104 cm^-2) ซึ่งสามารถแพร่กระจายไปยังชั้น epitaxis ของ GaN และลดประสิทธิภาพของอุปกรณ์ได้

✔ ข้อผิดพลาดในการซ้อน: การจัดเรียงอะตอมบนพื้นผิวของสารตั้งต้นสามารถกระตุ้นให้เกิดข้อผิดพลาดในการซ้อน (BSF) ในชั้น epitaxis ของ GaN การจัดเรียงอะตอมที่เป็นไปได้หลายอย่างบนซับสเตรต SiC นำไปสู่ลำดับการซ้อนอะตอมเริ่มต้นที่ไม่สม่ำเสมอในชั้น GaN ซึ่งเพิ่มโอกาสที่จะเกิดข้อผิดพลาดในการซ้อน BSF ตามแนวแกน c จะแนะนำสนามไฟฟ้าในตัว ทำให้เกิดปัญหาการแยกตัวพาหะและการรั่วไหลในอุปกรณ์

✔ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนไม่ตรงกัน: ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของ SiC มีขนาดเล็กกว่าค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของ AlN และ GaN ซึ่งนำไปสู่การสะสมความเครียดจากความร้อนระหว่างชั้นเยื่อบุผิวและสารตั้งต้นระหว่างการทำความเย็น การวิจัยของ Waltereit และ Brand ชี้ให้เห็นว่าปัญหานี้สามารถบรรเทาได้ด้วยการเพิ่มชั้น epitaxis ของ GaN บนชั้นนิวคลีเอชันของ AlN ที่บางและมีความตึงสอดคล้องกัน

✔ อะตอม Ga เปียกไม่ดี: การเติบโตโดยตรงของ GaN บนพื้นผิว SiC เป็นเรื่องยากเนื่องจากการทำให้อะตอม Ga เปียกไม่ดี GaN มีแนวโน้มที่จะเติบโตในโหมดเกาะ 3 มิติ การแนะนำชั้นบัฟเฟอร์เป็นวิธีแก้ปัญหาทั่วไปในการปรับปรุงคุณภาพของวัสดุเอปิแอกเชียล การแนะนำชั้นบัฟเฟอร์ AlN หรือ AlxGa1-xN สามารถปรับปรุงการทำให้เปียกบนพื้นผิว SiC ได้ โดยส่งเสริมการเติบโตแบบ 2 มิติของชั้น epitaxis ของ GaN และทำหน้าที่ปรับความเครียดและบล็อกข้อบกพร่องของซับสเตรตจากการแพร่กระจายไปยังชั้น GaN

✔ ต้นทุนสูงและอุปทานมีจำกัด: เทคโนโลยีการเตรียมสารตั้งต้น SiC ยังไม่สมบูรณ์ ส่งผลให้ต้นทุนสารตั้งต้นสูงและอุปทานมีจำกัดจากผู้ขายเพียงไม่กี่ราย

การวิจัยโดย Torres และคณะ บ่งชี้ว่าการกัดซับซับสเตรต SiC ล่วงหน้าด้วย H2 ที่อุณหภูมิสูง (1600°C) จะสร้างโครงสร้างขั้นตอนที่เป็นระเบียบมากขึ้น ส่งผลให้ฟิล์มเอพิแทกเซียล AlN คุณภาพสูงกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับที่ปลูกโดยตรงบนพื้นผิวที่ไม่ผ่านการบำบัด Xie และทีมงานของเขายังแสดงให้เห็นว่าการกัดกรดล่วงหน้าของพื้นผิว SiC ช่วยปรับปรุงสัณฐานวิทยาของพื้นผิวและคุณภาพผลึกของชั้น epitaxis ของ GaN ได้อย่างมีนัยสำคัญ สมิธและคณะ พบว่าการเคลื่อนตัวของเกลียวจากชั้นซับสเตรต/บัฟเฟอร์ และชั้นบัฟเฟอร์/ชั้นอีปิแอกเซียล สัมพันธ์กับความเรียบของซับสเตรต[5]

รูปที่ 4: สัณฐานวิทยาของ TEM ของชั้น Epitaxis ของ GaN ที่เติบโตบน (0001) พื้นผิวของพื้นผิว 6H-SiC ภายใต้การรักษาพื้นผิวที่แตกต่างกัน: (a) การทำความสะอาดสารเคมี; (b) การทำความสะอาดด้วยสารเคมี + การบำบัดพลาสมาไฮโดรเจน © การทำความสะอาดด้วยสารเคมี + การบำบัดด้วยไฮโดรเจนพลาสม่า + การบำบัดความร้อนด้วยไฮโดรเจน 1300°C เป็นเวลา 30 นาที

(3) GaN Epitaxy บน Si

เมื่อเปรียบเทียบกับซับสเตรต SiC และแซฟไฟร์ แล้วซับสเตรตซิลิกอนมีกระบวนการเตรียมการที่สมบูรณ์ การจ่ายซับสเตรตขนาดใหญ่ที่มีความเสถียร ความคุ้มทุน และการนำความร้อนและไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม นอกจากนี้ เทคโนโลยีอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ซิลิคอนที่เป็นผู้ใหญ่ยังนำเสนอศักยภาพในการบูรณาการที่สมบูรณ์แบบของอุปกรณ์ GaN ออปโตอิเล็กทรอนิกส์กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ซิลิคอน ทำให้ GaN epitaxy บนซิลิคอนมีความน่าสนใจอย่างมาก อย่างไรก็ตามความไม่ตรงกันอย่างต่อเนื่องของโครงข่ายอย่างมีนัยสำคัญระหว่างวัสดุพิมพ์ Si และวัสดุ GaN ทำให้เกิดความท้าทายหลายประการ

✔ ปัญหาพลังงานส่วนต่อประสาน: เมื่อ GaN เติบโตบนพื้นผิว Si พื้นผิวของ Si จะก่อตัวเป็นชั้น SiNx ที่ไม่เป็นรูปสัณฐานก่อน ซึ่งเป็นอันตรายต่อนิวเคลียสของ GaN ที่มีความหนาแน่นสูง นอกจากนี้ พื้นผิว Si เริ่มทำปฏิกิริยากับ Ga ทำให้เกิดการกัดกร่อนที่พื้นผิว และที่อุณหภูมิสูง การสลายตัวของพื้นผิว Si สามารถแพร่กระจายไปยังชั้น epitaxis ของ GaN ทำให้เกิดจุดซิลิคอนสีดำ

✔ Lattice Mismatch: lattice ขนาดใหญ่ไม่ตรงกันอย่างต่อเนื่อง (~17%) ระหว่าง GaN และ Si ส่งผลให้เกิดการเคลื่อนตัวของเกลียวที่มีความหนาแน่นสูง ซึ่งลดคุณภาพของชั้น epitaxis ลงอย่างมาก

✔ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนไม่ตรงกัน: GaN มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนมากกว่า Si (GaN ~5.6×10^-6 K^-1, Si ~2.6×10^-6 K^-1) ซึ่งอาจทำให้เกิดรอยแตกใน GaN ชั้นเยื่อบุผิวในระหว่างการทำความเย็นจากอุณหภูมิการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวจนถึงอุณหภูมิห้อง

✔ ปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูง: Si ทำปฏิกิริยากับ NH3 ที่อุณหภูมิสูง ทำให้เกิดโพลีคริสตัลไลน์ SiNx AlN ไม่สามารถสร้างนิวเคลียสแบบพิเศษบน polycrystalline SiNx ได้ ซึ่งนำไปสู่การเติบโตของ GaN ที่สับสนอย่างมากและมีความหนาแน่นของข้อบกพร่องที่สูงมาก ทำให้เกิดความท้าทายในการสร้างชั้น epitaxial GaN แบบผลึกเดี่ยว [6]

เพื่อจัดการกับความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายขนาดใหญ่ นักวิจัยได้พยายามที่จะแนะนำวัสดุ เช่น AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO และ SiC เป็นชั้นบัฟเฟอร์บนพื้นผิว Si เพื่อป้องกันการก่อตัวของโพลีคริสตัลไลน์ SiNx และลดผลกระทบที่ไม่พึงประสงค์ต่อคุณภาพผลึกของ GaN/AlN/Si (111) โดยปกติแล้ว TMAl จะถูกแนะนำก่อนการเติบโตของอีพิแทกเซียลของชั้นบัฟเฟอร์ AlN เพื่อป้องกันไม่ให้ NH3 ทำปฏิกิริยากับพื้นผิว Si ที่สัมผัสออกมา นอกจากนี้ เทคนิคต่างๆ เช่น พื้นผิวที่มีลวดลายยังถูกนำมาใช้เพื่อปรับปรุงคุณภาพของชั้นเอพิแทกเซียล การพัฒนาเหล่านี้ช่วยยับยั้งการก่อตัวของ SiNx ที่ส่วนต่อประสานระหว่างอีพิทาแอกเซียล ส่งเสริมการเติบโตแบบ 2 มิติของชั้นอีพิแทกเซียล GaN และเพิ่มคุณภาพการเติบโต การแนะนำชั้นบัฟเฟอร์ AlN จะชดเชยความเค้นแรงดึงที่เกิดจากความแตกต่างของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน ป้องกันรอยแตกในชั้น GaN บนพื้นผิวซิลิกอน การวิจัยของ Krost บ่งชี้ความสัมพันธ์เชิงบวกระหว่างความหนาของชั้นบัฟเฟอร์ AlN และความเครียดที่ลดลง ทำให้เกิดการเจริญเติบโตของชั้น epitaxis หนามากกว่า 6 μm บนพื้นผิวซิลิกอนโดยไม่แตกร้าว ผ่านแผนการเติบโตที่เหมาะสม

ด้วยความพยายามในการวิจัยอย่างกว้างขวาง คุณภาพของชั้น epitaxis ของ GaN ที่ปลูกบนพื้นผิวซิลิกอนได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ ทรานซิสเตอร์แบบ Field-Effect, เครื่องตรวจจับรังสีอัลตราไวโอเลตแบบกั้น Schottky, ไฟ LED สีฟ้าเขียว และเลเซอร์อัลตราไวโอเลต ต่างมีความก้าวหน้าอย่างมาก

โดยสรุป พื้นผิว epitaxal ของ GaN ทั่วไปนั้นเป็นแบบเฮเทอโรอีพิเทกเซียลทั้งหมด ซึ่งเผชิญกับระดับที่แตกต่างกันของความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายและความแตกต่างของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน สารตั้งต้น GaN แบบโฮโมอิพิเทเชียลถูกจำกัดด้วยเทคโนโลยีที่ยังไม่บรรลุนิติภาวะ ต้นทุนการผลิตที่สูง ขนาดสารตั้งต้นขนาดเล็ก และคุณภาพต่ำกว่ามาตรฐาน ทำให้เกิดการพัฒนาซับสเตรต GaN แบบอีพิเทเชียลแบบใหม่ และการปรับปรุงคุณภาพเอพิแทกเซียลเป็นปัจจัยสำคัญที่สำคัญสำหรับการพัฒนาอุตสาหกรรมต่อไป

4. วิธีการทั่วไปสำหรับ GaN Epitaxy

(1) MOCVD (การสะสมไอของโลหะ-เคมีอินทรีย์)

ในขณะที่โฮโมอีพิแทกซีบนพื้นผิว GaN ดูเหมือนจะเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับอีพิแทซีของ GaN แต่การสะสมไอของสารเคมีอินทรีย์และโลหะ (MOCVD) ให้ข้อได้เปรียบที่สำคัญ การใช้ไตรเมทิลแกลเลียมและแอมโมเนียเป็นสารตั้งต้น และใช้ไฮโดรเจนเป็นก๊าซพาหะ โดยทั่วไป MOCVD จะทำงานที่อุณหภูมิการเจริญเติบโตประมาณ 1,000-1100°C อัตราการเติบโตของ MOCVD อยู่ในช่วงหลายไมโครเมตรต่อชั่วโมง วิธีการนี้สามารถสร้างส่วนต่อประสานที่คมชัดแบบอะตอมได้ ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเพิ่มจุดเชื่อมต่อเฮเทอโร หลุมควอนตัม และซูเปอร์แลตติซ ความเร็วการเติบโตที่ค่อนข้างสูง ความสม่ำเสมอที่ยอดเยี่ยม และความเหมาะสมสำหรับการเจริญเติบโตในพื้นที่ขนาดใหญ่และหลายเวเฟอร์ ทำให้เป็นวิธีมาตรฐานสำหรับการผลิตทางอุตสาหกรรม

(2) MBE (Molecular Beam Epitaxy)

ใน Molecular Beam Epitaxy (MBE) แหล่งที่มาของธาตุจะถูกนำมาใช้สำหรับแกลเลียม และไนโตรเจนแบบแอคทีฟจะถูกสร้างขึ้นผ่านพลาสมา RF จากก๊าซไนโตรเจน เมื่อเทียบกับ MOCVD แล้ว MBE ทำงานที่อุณหภูมิการเจริญเติบโตที่ต่ำกว่ามากที่ประมาณ 350-400°C อุณหภูมิที่ต่ำกว่านี้สามารถหลีกเลี่ยงปัญหาการปนเปื้อนที่อาจเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงได้ ระบบ MBE ทำงานภายใต้สภาวะสุญญากาศที่สูงเป็นพิเศษ ช่วยให้สามารถบูรณาการเทคนิคการตรวจสอบในแหล่งกำเนิดได้มากขึ้น อย่างไรก็ตาม อัตราการเติบโตและกำลังการผลิตของ MBE ไม่สามารถเทียบได้กับ MOCVD ทำให้เหมาะสำหรับนำไปใช้ในการวิจัยมากกว่า[7]

รูปที่ 5: (a) แผนผังของ Eiko-MBE (b) แผนผังของ MBE Main Reaction Chamber

(3) HVPE (ไฮไดรด์ไอเฟสเอพิแทกซี)

Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE) ใช้ GaCl3 และ NH3 เป็นสารตั้งต้น เดชพรหม และคณะ ใช้วิธีนี้เพื่อเพิ่มชั้น GaN epitaxis ที่มีความหนาหลายร้อยไมโครเมตรบนพื้นผิวแซฟไฟร์ ในการทดลองของพวกเขา ชั้นบัฟเฟอร์ ZnO ถูกสร้างขึ้นระหว่างซับสเตรตแซฟไฟร์และชั้นเอปิเทกเซียล ซึ่งทำให้ชั้นเอพิแทกเซียลหลุดออกจากพื้นผิวของซับสเตรต เมื่อเปรียบเทียบกับ MOCVD และ MBE ข้อได้เปรียบหลักของ HVPE คืออัตราการเติบโตที่สูง ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตชั้นหนาและวัสดุเทกอง อย่างไรก็ตาม เมื่อความหนาของชั้นเยื่อบุผิวเกิน 20μm ชั้นที่เติบโตโดย HVPE มีแนวโน้มที่จะแตกร้าว

Akira USUI นำเสนอเทคโนโลยีซับสเตรตที่มีลวดลายตามวิธี HVPE ในขั้นแรก ชั้นอีปิแอกเชียล GaN บางๆ หนา 1-1.5μm ถูกปลูกไว้บนซับสเตรตแซฟไฟร์โดยใช้ MOCVD ชั้นนี้ประกอบด้วยชั้นบัฟเฟอร์ GaN อุณหภูมิต่ำหนา 20 นาโนเมตร และชั้น GaN อุณหภูมิสูง ต่อจากนั้น ที่อุณหภูมิ 430°C ชั้นของ SiO2 จะสะสมอยู่บนพื้นผิวของชั้นอีพิแทกเซียล และสร้างแถบหน้าต่างบนฟิล์ม SiO2 ผ่านการพิมพ์หินด้วยแสง ระยะห่างของแถบคือ 7μm โดยมีความกว้างของมาส์กตั้งแต่ 1μm ถึง 4μm การปรับเปลี่ยนนี้ทำให้พวกเขาสามารถสร้างชั้น epitaxis GaN บนพื้นผิวแซฟไฟร์ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 2 นิ้ว ซึ่งยังคงปราศจากรอยแตกร้าวและเรียบเนียนเหมือนกระจก แม้ว่าความหนาจะเพิ่มขึ้นเป็นสิบหรือหลายร้อยไมโครเมตรก็ตาม ความหนาแน่นของข้อบกพร่องลดลงจาก 109-1010 cm^-2 ของวิธี HVPE แบบดั้งเดิมเหลือประมาณ 6×10^7 cm^-2 พวกเขายังตั้งข้อสังเกตอีกว่าพื้นผิวของตัวอย่างจะหยาบเมื่ออัตราการเติบโตเกิน 75μm/h[8] 

                                                                                                                   

                                                                                                                                     รูปที่ 6: แผนผังของพื้นผิวที่มีลวดลาย

5. สรุปและแนวโน้ม

ความต้องการของตลาดอันมหาศาลจะขับเคลื่อนความก้าวหน้าที่สำคัญในอุตสาหกรรมและเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องกับ GaN อย่างไม่ต้องสงสัย เมื่อห่วงโซ่อุตสาหกรรมสำหรับ GaN เติบโตและปรับปรุง ความท้าทายในปัจจุบันใน GaN epitaxy จะถูกบรรเทาหรือเอาชนะในที่สุด การพัฒนาในอนาคตมีแนวโน้มที่จะแนะนำเทคนิค epitaxis ใหม่และตัวเลือกซับสเตรตที่เหนือกว่า ความก้าวหน้านี้จะช่วยให้สามารถเลือกเทคโนโลยี epitaxis และสารตั้งต้นที่เหมาะสมที่สุด โดยอิงตามคุณลักษณะของสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกัน ซึ่งนำไปสู่การผลิตผลิตภัณฑ์ที่มีการแข่งขันสูงและปรับแต่งตามความต้องการ-

อ้างอิง:

[1] "ความสนใจ" วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ - แกลเลียมไนไตรด์ (baidu.com)

[2] Tang Linjiang, Wan Chengan, Zhang Minghua, Li Ying, สถานะการวิจัยของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ bandgap แบบกว้าง SiC และ GaN, เทคโนโลยีและผลิตภัณฑ์การใช้งานคู่ของทหารและพลเรือน, มีนาคม 2020, ฉบับที่ 437, 21-28

[3] Wang Huan, Tian Ye, การวิจัยเกี่ยวกับวิธีการควบคุมความเครียดที่ไม่ตรงกันขนาดใหญ่ของแกลเลียมไนไตรด์บนพื้นผิวซิลิกอน, นวัตกรรมและการประยุกต์วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี, ฉบับที่ 3, 2023

[4] L.Liu, J.H.Edgar, สารตั้งต้นสำหรับ epitaxy แกลเลียมไนไตรด์, วัสดุวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม R, 37 (2002) 61-127

[5]P.Ruterana, Philippe Vermaut, G.Nouet, A.Salvador, H.Morkoc, การรักษาพื้นผิวและโครงสร้างชั้นในการเติบโตของ 2H-GaN บนพื้นผิว (0001)Si ของ 6H-SiC โดย MBE, MRS Internet J. ไนไตรด์เซมิคอนด์ Res.2(1997)42.

[6]ม.อ.ซานเชซ-การ์เซีย, F.B. Naranjo, J.L.Pau, A.Jimenez, E.Calleja, E.Munoz, อิเล็กโทรลูมิเนสเซนซ์อัลตราไวโอเลตใน GaN/AlGaN single-heterojunction ไดโอดเปล่งแสงที่ปลูกบน Si (111), วารสารฟิสิกส์ประยุกต์ 87,1569 (2000)

[7] Xinqiang Wang, Akihiko Yoshikawa, การเจริญเติบโตของ epitaxy ลำแสงโมเลกุลของ GaN, AlN และ InN, ความคืบหน้าในการเติบโตของคริสตัลและการกำหนดลักษณะเฉพาะของวัสดุ 48/49 (2004) 42-103

[8]Akira Usui，Haruo Sunakawa，Akira Sakai และ A. atsushi Yamaguchi การเจริญเติบโตของ epitaxis แบบ GaN แบบหนาซึ่งมีความหนาแน่นของการเคลื่อนที่ต่ำโดย epitaxy เฟสไอไฮไดรด์, ​​Jpn เจ. แอพพลิเคชั่น ฟิสิกส์ ฉบับที่ 36 (1997) หน้า 899-902.