สารตั้งต้นเซมิคอนดักเตอร์และการปลูกผลึกแบบเอพิแท็กซี: รากฐานทางเทคนิคเบื้องหลังอุปกรณ์กำลังไฟฟ้าและคลื่นความถี่วิทยุสมัยใหม่

ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์นั้นถูกกำหนดโดยการค้นพบครั้งสำคัญในสองด้านหลักๆ มากขึ้นเรื่อยๆ ได้แก่:สารตั้งต้นและชั้นเอพิแท็กเซียลส่วนประกอบทั้งสองนี้ทำงานร่วมกันเพื่อกำหนดประสิทธิภาพทางไฟฟ้า ความร้อน และความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์ขั้นสูงที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้า สถานีฐาน 5G อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค และระบบสื่อสารด้วยแสง

ในขณะที่พื้นผิวรองรับให้โครงสร้างทางกายภาพและผลึก ชั้นเอพิแท็กเซียลจะทำหน้าที่เป็นแกนหลักในการทำงาน ซึ่งเป็นที่ที่ออกแบบพฤติกรรมความถี่สูง กำลังสูง หรือทางอิเล็กโทรออปติก ความเข้ากันได้ของทั้งสองชั้น—การจัดเรียงผลึก การขยายตัวทางความร้อน และคุณสมบัติทางไฟฟ้า—มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้น สวิตช์ทำงานได้เร็วขึ้น และประหยัดพลังงานมากขึ้น

บทความนี้อธิบายถึงวิธีการทำงานของวัสดุตั้งต้นและเทคโนโลยีการปลูกผลึกแบบเอพิแท็กเซียล ความสำคัญของเทคโนโลยีเหล่านี้ และวิธีการที่เทคโนโลยีเหล่านี้กำหนดอนาคตของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เช่นซิลิคอน (Si), แกลเลียมไนไตรด์ (GaN), แกลเลียมอาร์เซนิก (GaAs), แซฟไฟร์ และซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC).

1. อะไรคือสารตั้งต้นเซมิคอนดักเตอร์?

สารตั้งต้นคือ "แพลตฟอร์ม" ผลึกเดี่ยวที่ใช้เป็นฐานในการสร้างอุปกรณ์ มันให้การรองรับโครงสร้าง การระบายความร้อน และเป็นแม่แบบระดับอะตอมที่จำเป็นสำหรับการเจริญเติบโตแบบเอพิเท็กเซียคุณภาพสูง

หน้าที่หลักของวัสดุรองรับ

• การรองรับเชิงกล:ช่วยให้มั่นใจได้ว่าอุปกรณ์จะมีโครงสร้างที่เสถียรตลอดกระบวนการและการใช้งาน

• แม่แบบคริสตัล:ช่วยนำทางให้ชั้นเอพิแท็กเซียลเติบโตโดยมีโครงสร้างอะตอมที่เรียงตัวกัน ลดข้อบกพร่องต่างๆ

• ส่วนประกอบทางไฟฟ้า:อาจนำไฟฟ้าได้ (เช่น ซิลิคอน, ซิลิคอนคาร์ไบด์) หรือเป็นฉนวนไฟฟ้าได้ (เช่น แซฟไฟร์)

วัสดุพื้นผิวทั่วไป

วิธีการผลิตวัสดุรองรับ

1. การทำให้วัสดุบริสุทธิ์:ซิลิคอนหรือสารประกอบอื่นๆ จะถูกกลั่นให้มีความบริสุทธิ์สูงมาก

2. การเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว:

   • ซโซคราลสกี (CZ)– วิธีที่พบได้บ่อยที่สุดสำหรับการผลิตซิลิคอน

   • โซนลอยตัว (FZ)– ผลิตผลึกที่มีความบริสุทธิ์สูงมาก

3. การหั่นและขัดแผ่นเวเฟอร์:ก้อนกลมๆ จะถูกตัดเป็นแผ่นบางๆ และขัดให้เรียบเนียนระดับอะตอม

4. การทำความสะอาดและการตรวจสอบ:การกำจัดสิ่งปนเปื้อนและการตรวจสอบความหนาแน่นของข้อบกพร่อง

ความท้าทายทางเทคนิค

วัสดุขั้นสูงบางชนิด โดยเฉพาะ SiC นั้น ผลิตได้ยากเนื่องจากอัตราการเติบโตของผลึกช้ามาก (เพียง 0.3–0.5 มม./ชั่วโมง) ต้องควบคุมอุณหภูมิอย่างเข้มงวด และมีการสูญเสียจากการตัดสูง (การสูญเสียจากการตัด SiC อาจสูงถึง >70%) ความซับซ้อนนี้เป็นหนึ่งในเหตุผลที่ทำให้วัสดุรุ่นที่สามยังคงมีราคาแพง

2. ชั้นเอพิแท็กเซียลคืออะไร?

การสร้างชั้นเอพิแท็กเซียลหมายถึงการวางฟิล์มผลึกเดี่ยวที่มีความบริสุทธิ์สูงและบางลงบนพื้นผิว โดยมีทิศทางการเรียงตัวของโครงสร้างผลึกที่สมบูรณ์แบบ

ชั้นเอพิแท็กเซียลเป็นตัวกำหนดพฤติกรรมทางไฟฟ้าของอุปกรณ์ขั้นสุดท้าย

เหตุใดการปลูกถ่ายเนื้อเยื่อแบบเอพิแท็กซีจึงมีความสำคัญ

• เพิ่มความบริสุทธิ์ของผลึก

• ช่วยให้สามารถกำหนดโปรไฟล์การใช้สารต้องห้ามได้ตามต้องการ

• ลดการแพร่กระจายของข้อบกพร่องในพื้นผิว

• สร้างโครงสร้างเฮเทอโรแบบวิศวกรรม เช่น ควอนตัมเวลล์, HEMT และซูเปอร์แลตติส

เทคโนโลยีการปลูกผลึกหลัก

พารามิเตอร์ที่สำคัญในการปลูกผลึกแบบเอพิแท็กซี

• ความหนาของชั้น:นาโนเมตรสำหรับควอนตัมเวลล์ ไปจนถึง 100 ไมโครเมตรสำหรับอุปกรณ์กำลังไฟฟ้า

• การใช้สารต้องห้าม:ปรับความเข้มข้นของตัวนำโดยการเติมสารเจือปนอย่างแม่นยำ

• คุณภาพของอินเทอร์เฟซ:ต้องลดการเคลื่อนตัวและความเครียดที่เกิดจากความไม่เข้ากันของโครงสร้างผลึกให้น้อยที่สุด

ความท้าทายในเฮเทอโรเอพิแท็กซี

• ความไม่ตรงกันของโครงสร้างผลึก:ตัวอย่างเช่น ความไม่เข้ากันของ GaN และแซฟไฟร์อยู่ที่ประมาณ 13%

• ความไม่สอดคล้องกันของการขยายตัวทางความร้อน:อาจทำให้เกิดรอยแตกร้าวระหว่างการเย็นตัว

• การควบคุมข้อบกพร่อง:ต้องใช้ชั้นบัฟเฟอร์ ชั้นไล่ระดับ หรือชั้นก่อตัวของผลึก

3. การทำงานร่วมกันระหว่างพื้นผิวและการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กซี: ตัวอย่างในโลกแห่งความเป็นจริง

GaN LED บนแซฟไฟร์

• แซฟไฟร์มีราคาไม่แพงและมีคุณสมบัติเป็นฉนวนกันความร้อน

• ชั้นบัฟเฟอร์ (AlN หรือ GaN อุณหภูมิต่ำ) ช่วยลดความไม่เข้ากันของโครงสร้างผลึก

• โครงสร้างควอนตัมเวลล์หลายชั้น (InGaN/GaN) ก่อให้เกิดบริเวณเปล่งแสงที่ใช้งานได้

• สามารถลดความหนาแน่นของข้อบกพร่องให้ต่ำกว่า 10⁸ cm⁻² และมีประสิทธิภาพการส่องสว่างสูง

ทรานซิสเตอร์ MOSFET กำลังสูง SiC

• ใช้แผ่นรองพื้น 4H-SiC ที่มีความสามารถในการทนต่อการแตกตัวสูง

• ชั้นดริฟต์แบบเอพิแท็กเซียล (10–100 ไมโครเมตร) เป็นตัวกำหนดพิกัดแรงดันไฟฟ้า

• ช่วยลดการสูญเสียพลังงานจากการนำไฟฟ้าได้ประมาณ 90% เมื่อเทียบกับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ทำจากซิลิคอน

อุปกรณ์ RF แบบ GaN บนซิลิคอน

• แผ่นรองพื้นซิลิคอนช่วยลดต้นทุนและทำให้สามารถบูรณาการเข้ากับเทคโนโลยี CMOS ได้

• ชั้นการก่อตัวของนิวเคลียส AlN และบัฟเฟอร์ที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมช่วยควบคุมความเครียด

• ใช้สำหรับชิป 5G PA ที่ทำงานที่ความถี่คลื่นมิลลิเมตร

4. พื้นผิวรองรับกับการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กซี: ความแตกต่างหลัก

5. เทคโนโลยีเหล่านี้กำลังมุ่งหน้าไปในทิศทางใด

ขนาดเวเฟอร์ที่ใหญ่ขึ้น

• Si เปลี่ยนไปใช้ขนาด 12 นิ้ว

• การเปลี่ยนจาก SiC ขนาด 6 นิ้ว เป็น 8 นิ้ว (ลดต้นทุนลงอย่างมาก)

• ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่ขึ้นช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตและลดต้นทุนของอุปกรณ์

เฮเทอโรเอพิแท็กซีต้นทุนต่ำ

GaN-on-Si และ GaN-on-sapphire ยังคงได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องในฐานะทางเลือกแทนพื้นผิว GaN ดั้งเดิมที่มีราคาแพง

เทคนิคการตัดแต่งและการเจริญเติบโตขั้นสูง

• การตัดเฉือนแบบเย็นสามารถลดการสูญเสียร่องตัดของ SiC จากประมาณ 75% เหลือประมาณ 50%

• การออกแบบเตาเผาที่ดีขึ้นช่วยเพิ่มผลผลิตและความสม่ำเสมอของ SiC

การบูรณาการฟังก์ชันด้านแสง พลังงาน และคลื่นวิทยุ

การปลูกผลึกแบบเอพิแท็กซีช่วยให้สามารถสร้างบ่อควอนตัม โครงสร้างซูเปอร์แลตติซ และชั้นที่มีความเครียด ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับโฟโตนิกส์แบบบูรณาการและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังสูงประสิทธิภาพสูงในอนาคต

บทสรุป

วัสดุรองรับและกระบวนการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กซีเป็นรากฐานทางเทคโนโลยีของเซมิคอนดักเตอร์สมัยใหม่ วัสดุรองรับกำหนดพื้นฐานทางกายภาพ ความร้อน และโครงสร้างผลึก ในขณะที่ชั้นเอพิแท็กซีจะกำหนดฟังก์ชันการทำงานทางไฟฟ้าซึ่งช่วยให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์สูงขึ้น

เมื่อความต้องการเพิ่มมากขึ้นกำลังสูง ความถี่สูง และประสิทธิภาพสูงระบบต่างๆ ตั้งแต่รถยนต์ไฟฟ้าไปจนถึงศูนย์ข้อมูล เทคโนโลยีทั้งสองนี้จะยังคงพัฒนาร่วมกันต่อไป นวัตกรรมในด้านขนาดเวเฟอร์ การควบคุมข้อบกพร่อง การปลูกผลึกแบบเฮเทอโรเอพิแท็กซี และการเติบโตของผลึก จะเป็นตัวกำหนดวัสดุเซมิคอนดักเตอร์และสถาปัตยกรรมอุปกรณ์รุ่นต่อไป