اختراق ركيزة كربيد السيليكون في صناعة الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)
يمتاز كربيد السيليكون بمزايا التوصيل الحراري العالي (أعلى بثلاث مرات من السيليكون) وعدم تطابق شبكي صغير مع نيتريد الغاليوم (4%)، وهو مناسب للجيل الجديد من مواد الركيزة للصمام الثنائي الباعث للضوء (LED). ليس من قبيل المبالغة القول بأن كربيد السيليكون أصبح في طليعة صناعة أشباه الموصلات العالمية ونقطة قيادتها. في عملية إعداد الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)، فإن مادة رقاقة كربيد السيليكون (الركيزة) في المنبع هي العامل الرئيسي الذي يحدد لون الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) وسطوعه وعمره ومؤشرات الأداء الأخرى.
متطلبات الأداء لمادة الركيزة
إن مادة الركيزة هي أساس نمو غشاء نيتريد الغاليوم فوق الإشعاعي، بالإضافة إلى المكون الرئيسي لأجهزة LED. ولخشونة سطح مادة الركيزة، ومعامل التمدد الحراري، ومعامل التوصيل الحراري، ودرجة مطابقة الشبكة بين المواد الفوقية وغيرها من المؤشرات تأثير عميق على كفاءة الإضاءة واستقرار الصمام الثنائي الباعث للضوء عالي السطوع.
1. عدم تطابق الشبكة وعدم تطابق الحرارة
كان معدل عدم التطابق لشبكة الياقوت 13.9%، ومعدل عدم التطابق لشبكة السيليكون 16.9%، ومعدل عدم التطابق الحراري لشبكة السيليكون 3.4% فقط. من حيث معدل عدم التطابق الحراري، كان الياقوت في الوسط بنسبة 30.3%، بينما كان معدل عدم التطابق الحراري للسيليكون أحادي البلورية هو الأعلى (53.48837%).
في عملية زراعة نيتريد الغاليوم على ركيزة السيليكون الأحادي البلورة، وجد الباحثون أن فيلم نيتريد الغاليوم سيتعرض لإجهاد حراري كبير، مما يؤدي إلى عدد كبير من العيوب أو حتى الشقوق في الطبقة الفوقية، لذلك من الصعب جدًا زراعة فيلم نيتريد الغاليوم عالي الجودة على ركيزة السيليكون. ومع ذلك، فإن معدل عدم التطابق الحراري لـ 6H-SiC هو 15.92129% فقط. لذلك ، من حيث خصائص التركيب البلوري ، فإن التركيب البلوري ل 4H-SiC و 6H-SiC ونتريد الغاليوم كلاهما عبارة عن هياكل wurtzite ، مع أدنى معدل عدم تطابق شبكي ومعدل عدم تطابق حراري ، وهو الأنسب لنمو طبقة فوقية عالية الجودة من نيتريد الغاليوم.
2. التوصيل الكهربائي
الياقوت هو عازل ولا يمكن استخدامه لتصنيع أجهزة ذات بنية رأسية في هذه الحالة، لذلك عادةً ما يتم تصنيع أقطاب من النوع n والنوع p فقط على سطح الطبقة الفوقية. ويتمتع كربيد السيليكون والسيليكون أحادي البلورية بموصلية جيدة ويمكن استخدامهما لصنع مصابيح LED عمودية. نظرًا لاستخدام الركيزة الموصلة كقطب كهربائي سفلي، يوجد قطب كهربائي واحد فقط على السطح العلوي لجهاز LED العمودي، مما يزيد من مساحة المنطقة المضيئة. إلى جانب ذلك، يتميز مصباح LED العمودي بكثافة توزيع تيار أكثر اتساقًا، مما يتجنب السخونة الزائدة المحلية الناتجة عن التوزيع غير المتساوي للكثافة الحالية للهيكل الأفقي ويمكن أن يحمل تيارًا موجبًا أعلى.
3. التوصيل الحراري
يتميز الياقوت بأداء ضعيف في تبديد الحرارة، حيث يبلغ 0.3 واط-سم-1-ك-1 فقط عند 300 كلفن والتوصيل الحراري للسيليكون أحادي البلورة عند 300 كلفن هو 1.3 واط-سم-1-ك-1، وكلاهما أقل بكثير من التوصيل الحراري لبلورة كربيد السيليكون. بالمقارنة مع مصباح LED الأفقي من الياقوت، يمكن لمصباح LED العمودي المصنوع من كربيد السيليكون توليد الحرارة من طرفي القطب، لذلك فهو أكثر ملاءمة لمواد الركيزة لمصباح LED عالي الطاقة وله عمر خدمة أطول.
4. الأداء البصري
لا يمتص الياقوت وكربيد السيليكون الضوء المرئي، في حين أن الركيزة السيليكونية تمتص الضوء بشكل خطير وكفاءة إخراج LED منخفضة.
ومع ذلك، فإن ركائز كربيد السيليكون ليست قوية تمامًا، وتكمن المشكلة الأكبر في إنتاج الرقاقات. الياقوت هو أكثر مواد ركيزة LED استخدامًا على نطاق واسع للاستخدام التجاري في الوقت الحاضر. يُزرع الياقوت بطريقة الذوبان والعملية أكثر نضجًا. ويمكن الحصول على بلورة واحدة بتكلفة أقل وحجم أكبر وجودة عالية، وهي مناسبة للتطوير الصناعي. وبالمثل، فإن تكنولوجيا زراعة السيليكون أحادي البلورية ناضجة للغاية ويسهل الحصول عليها بتكلفة منخفضة وحجم كبير (6-12 بوصة) وركيزة عالية الجودة، والتي يمكن أن تقلل إلى حد كبير من تكلفة الصمام الثنائي الباعث للضوء.
ومع ذلك، من الصعب زراعة بلورة أحادية كربيد السيليكون بجودة عالية وحجم كبير. إن البنية الصفائحية لكربيد السيليكون سهلة الانشقاق وضعف أداء الآلات، لذلك من السهل إدخال عيوب متدرجة على سطح الركيزة والتأثير على جودة الطبقة الفوقية. تُعد ركائز كربيد السيليكون من نفس الحجم أغلى بعشرات المرات من ركائز الياقوت، مما يحد من تطبيقاتها على نطاق واسع.
