เหตุใด Epitaxy ของ Gllium Nitride (GaN) จึงไม่เติบโตบนพื้นผิว GaN

การเติบโตของGaN epitaxyบนพื้นผิว GaN ถือเป็นความท้าทายที่ไม่เหมือนใคร แม้ว่าวัสดุจะมีคุณสมบัติที่เหนือกว่าเมื่อเทียบกับซิลิคอนก็ตามGaN epitaxyให้ข้อได้เปรียบที่สำคัญในแง่ของความกว้างของช่องว่างของแถบความถี่ การนำความร้อน และสนามไฟฟ้าสลายเหนือวัสดุที่ทำจากซิลิคอน สิ่งนี้ทำให้การนำ GaN มาใช้เป็นแกนหลักสำหรับเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม ซึ่งให้ความเย็นที่เพิ่มขึ้น ลดการสูญเสียการนำไฟฟ้า และประสิทธิภาพที่ดีขึ้นภายใต้อุณหภูมิและความถี่สูง ถือเป็นความก้าวหน้าที่มีแนวโน้มและสำคัญสำหรับอุตสาหกรรมโฟโตนิกและไมโครอิเล็กทรอนิกส์

GaN เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สามหลัก โดยเฉพาะอย่างยิ่งโดดเด่นเนื่องจากมีการนำไปใช้งานอย่างกว้างขวาง และได้รับการยกย่องว่าเป็นหนึ่งในวัสดุที่สำคัญที่สุดรองจากซิลิคอน อุปกรณ์จ่ายไฟ GaN แสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติที่เหนือกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ที่ใช้ซิลิคอนในปัจจุบัน เช่น ความแรงของสนามไฟฟ้าวิกฤตที่สูงขึ้น ความต้านทานต่อต่ำกว่า และความถี่การสลับที่เร็วขึ้น นำไปสู่ประสิทธิภาพและประสิทธิภาพของระบบที่ดีขึ้นภายใต้อุณหภูมิการทำงานที่สูง

ในห่วงโซ่มูลค่าเซมิคอนดักเตอร์ GaN ซึ่งรวมถึงสารตั้งต้นGaN epitaxyการออกแบบอุปกรณ์ และการผลิต วัสดุพิมพ์ทำหน้าที่เป็นส่วนประกอบพื้นฐาน GaN เป็นวัสดุที่เหมาะสมที่สุดตามธรรมชาติในการทำหน้าที่เป็นสารตั้งต้นGaN epitaxyเติบโตเนื่องจากความเข้ากันได้ภายในกับกระบวนการเติบโตที่เป็นเนื้อเดียวกัน สิ่งนี้ทำให้แน่ใจได้ว่าจะมีความเครียดในระดับน้อยที่สุดเนื่องจากคุณสมบัติของวัสดุที่แตกต่างกัน ส่งผลให้เกิดชั้นเอพิเทแอกเซียลที่มีคุณภาพดีกว่าเมื่อเทียบกับชั้นที่ปลูกบนพื้นผิวที่ต่างกัน ด้วยการใช้ GaN เป็นสารตั้งต้น จึงสามารถผลิตญาณวิทยา GaN คุณภาพสูงได้ โดยมีความหนาแน่นของข้อบกพร่องลดลงภายในถึงหนึ่งพันเท่าเมื่อเปรียบเทียบกับสารตั้งต้น เช่น แซฟไฟร์ ซึ่งช่วยลดอุณหภูมิจุดเชื่อมต่อของ LED ได้อย่างมาก และช่วยให้ลูเมนเพิ่มขึ้นสิบเท่าต่อหน่วยพื้นที่

อย่างไรก็ตาม สารตั้งต้นทั่วไปของอุปกรณ์ GaN ไม่ใช่ผลึกเดี่ยวของ GaN เนื่องจากความยากลำบากที่เกี่ยวข้องกับการเจริญเติบโต ความก้าวหน้าในการเติบโตของผลึกเดี่ยวของ GaN มีความก้าวหน้าช้ากว่าวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปอย่างมาก ความท้าทายอยู่ที่การเพาะเลี้ยงผลึก GaN ที่มีความยาวและคุ้มค่า การสังเคราะห์ GaN ครั้งแรกเกิดขึ้นในปี พ.ศ. 2475 โดยใช้แอมโมเนียและแกลเลียมโลหะบริสุทธิ์ในการเจริญเติบโตของวัสดุ ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา มีการวิจัยอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับวัสดุผลึกเดี่ยวของ GaN แต่ความท้าทายยังคงมีอยู่ การที่ GaN ไม่สามารถละลายภายใต้ความดันปกติ การสลายตัวของมันให้เป็น Ga และไนโตรเจน (N2) ที่อุณหภูมิสูง และความดันในการบีบอัดที่สูงถึง 6 gigapascal (GPa) ที่จุดหลอมเหลวที่ 2,300 องศาเซลเซียส ทำให้ยากสำหรับอุปกรณ์การเจริญเติบโตที่มีอยู่เพื่อรองรับ การสังเคราะห์ผลึกเดี่ยวของ GaN ที่ความดันสูงเช่นนี้ วิธีการเจริญเติบโตแบบหลอมละลายแบบดั้งเดิมไม่สามารถใช้กับการเติบโตของผลึกเดี่ยวของ GaN ได้ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้สารตั้งต้นที่ต่างกันสำหรับ epitaxy ในสถานะปัจจุบันของอุปกรณ์ที่ใช้ GaN โดยทั่วไปการเจริญเติบโตจะดำเนินการบนพื้นผิวเช่นซิลิคอน ซิลิคอนคาร์ไบด์ และแซฟไฟร์ แทนที่จะใช้สารตั้งต้น GaN ที่เป็นเนื้อเดียวกัน ซึ่งขัดขวางการพัฒนาอุปกรณ์ epitaxis ของ GaN และขัดขวางการใช้งานที่ต้องใช้สารตั้งต้นที่เป็นเนื้อเดียวกัน อุปกรณ์ที่เติบโต

มีการใช้วัสดุพิมพ์หลายประเภทใน GaN epitaxy:

1. ไพลิน:แซฟไฟร์หรือ α-Al2O3 เป็นสารตั้งต้นเชิงพาณิชย์สำหรับ LED ที่แพร่หลายมากที่สุด โดยสามารถครองส่วนสำคัญของตลาด LED ได้ การใช้งานได้รับการประกาศถึงข้อได้เปรียบที่เป็นเอกลักษณ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในบริบทของการเติบโตของ epitaxis ของ GaN ซึ่งผลิตฟิล์มที่มีความหนาแน่นของการเคลื่อนที่ต่ำพอ ๆ กันกับที่ปลูกบนพื้นผิวซิลิกอนคาร์ไบด์ การผลิตของแซฟไฟร์เกี่ยวข้องกับการเจริญเติบโตแบบหลอมเหลว ซึ่งเป็นกระบวนการที่สมบูรณ์ซึ่งช่วยให้สามารถผลิตผลึกเดี่ยวคุณภาพสูงด้วยต้นทุนที่ต่ำกว่าและขนาดที่ใหญ่ขึ้น เหมาะสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม ด้วยเหตุนี้ แซฟไฟร์จึงเป็นหนึ่งในสารตั้งต้นที่เก่าแก่ที่สุดและแพร่หลายที่สุดในอุตสาหกรรม LED

2. ซิลิคอนคาร์ไบด์:ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สี่ซึ่งมีส่วนแบ่งการตลาดเป็นอันดับสองสำหรับซับสเตรต LED รองจากแซฟไฟร์ SiC มีลักษณะเฉพาะด้วยรูปแบบผลึกที่หลากหลาย โดยหลักๆ แล้วแบ่งออกเป็นสามประเภท ได้แก่ ลูกบาศก์ (3C-SiC) หกเหลี่ยม (4H-SiC) และรูปสี่เหลี่ยมขนมเปียกปูน (15R-SiC) ผลึก SiC ส่วนใหญ่เป็น 3C, 4H และ 6H โดยที่ประเภท 4H และ 6H-SiC ถูกใช้เป็นสารตั้งต้นสำหรับอุปกรณ์ GaN

ซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นตัวเลือกที่ดีเยี่ยมในฐานะซับสเตรต LED อย่างไรก็ตาม การผลิตผลึกเดี่ยว SiC ขนาดใหญ่และคุณภาพสูงยังคงมีความท้าทาย และโครงสร้างชั้นของวัสดุทำให้มีแนวโน้มที่จะเกิดการแตกแยก ซึ่งส่งผลต่อความสมบูรณ์ทางกล และอาจส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องที่พื้นผิวซึ่งส่งผลต่อคุณภาพของชั้น epitaxis ค่าใช้จ่ายของซับสเตรต SiC ผลึกเดี่ยวนั้นอยู่ที่ประมาณหลายเท่าของซับสเตรตแซฟไฟร์ที่มีขนาดเดียวกันโดยประมาณ ซึ่งเป็นการจำกัดการใช้งานที่แพร่หลายเนื่องจากราคาระดับพรีเมียม

Semicorex  เวเฟอร์ Epi GaN-on-Si กำลังสูง 850V

3. ซิลิคอนคริสตัลเดี่ยว:ซิลิคอนเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและเป็นที่ยอมรับทางอุตสาหกรรมมากที่สุด ถือเป็นรากฐานที่มั่นคงสำหรับการผลิตซับสเตรต GaN epitaxial ความพร้อมใช้งานของเทคนิคการเจริญเติบโตของซิลิคอนผลึกเดี่ยวขั้นสูงช่วยให้มั่นใจได้ว่าการผลิตซับสเตรตคุณภาพสูงขนาด 6 ถึง 12 นิ้วในขนาดใหญ่ในวงกว้าง สิ่งนี้ช่วยลดต้นทุนของ LED ได้อย่างมาก และปูทางไปสู่การรวมชิป LED และวงจรรวมผ่านการใช้ซับสเตรตซิลิคอนผลึกเดี่ยว ซึ่งขับเคลื่อนความก้าวหน้าในการย่อขนาด นอกจากนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับแซฟไฟร์ซึ่งปัจจุบันเป็นสารตั้งต้น LED ที่ใช้กันมากที่สุด อุปกรณ์ที่ใช้ซิลิกอนมีข้อได้เปรียบในแง่ของการนำความร้อน การนำไฟฟ้า ความสามารถในการประดิษฐ์โครงสร้างแนวตั้ง และเหมาะสมกว่าสำหรับการผลิต LED พลังงานสูง-