የሶስተኛ ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ጋኤን እና ተዛማጅ ኤፒታክሲያል ቴክኖሎጂ አጭር መግቢያ

1. የሶስተኛ ትውልድ ሴሚኮንዳክተሮች

የመጀመሪያው-ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቴክኖሎጂ የተሰራው እንደ ሲ እና ጂ ባሉ ሴሚኮንዳክተር ቁሶች ላይ በመመስረት ነው። ትራንዚስተሮች እና የተቀናጀ የወረዳ ቴክኖሎጂ ልማት ቁሳዊ መሠረት ነው. የመጀመሪያው-ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁሶች በ 20 ኛው ክፍለ ዘመን ለኤሌክትሮኒካዊ ኢንዱስትሪ መሠረት የጣሉ እና ለተቀናጀ የወረዳ ቴክኖሎጂ መሠረታዊ ቁሳቁሶች ናቸው ።

የሁለተኛው ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሶች በዋነኛነት ጋሊየም አርሴናይድ፣ ኢንዲየም ፎስፋይድ፣ ጋሊየም ፎስፋይድ፣ ኢንዲየም አርሴንዲድ፣ አልሙኒየም አርሴንዲድ እና ተርነሪ ውህዶቻቸው ያካትታሉ። የሁለተኛው ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁሶች የኦፕቲካል ኢንፎርሜሽን ኢንዱስትሪ መሠረት ናቸው. በዚህ መሠረት እንደ ብርሃን, ማሳያ, ሌዘር እና የፎቶቮልቲክስ የመሳሰሉ ተዛማጅ ኢንዱስትሪዎች ተዘጋጅተዋል. በዘመናዊ የኢንፎርሜሽን ቴክኖሎጂ እና በኦፕቲካል ማሳያ ኢንዱስትሪዎች ውስጥ በሰፊው ጥቅም ላይ ይውላሉ.

የሶስተኛው ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁሶች ተወካይ ቁሳቁሶች ጋሊየም ናይትራይድ እና ሲሊኮን ካርቦይድ ያካትታሉ. በሰፊ የባንድ ክፍተት፣ ከፍተኛ የኤሌክትሮን ሙሌት ተንሳፋፊ ፍጥነት፣ ከፍተኛ የሙቀት መቆጣጠሪያ እና ከፍተኛ የመስክ ጥንካሬ ከፍተኛ ኃይል ያለው ጥግግት፣ ከፍተኛ ድግግሞሽ እና ዝቅተኛ ኪሳራ ኤሌክትሮኒክስ መሳሪያዎችን ለማዘጋጀት ተስማሚ ቁሳቁሶች ናቸው። ከነሱ መካከል የሲሊኮን ካርቦይድ ሃይል መሳሪያዎች ከፍተኛ የኃይል ጥንካሬ, አነስተኛ የኃይል ፍጆታ እና አነስተኛ መጠን ያላቸው ጥቅሞች እና በአዳዲስ የኃይል ማመንጫዎች, በፎቶቮልቲክስ, በባቡር ማጓጓዣ, በትልቅ ዳታ እና በሌሎች መስኮች ሰፊ የመተግበር ተስፋ አላቸው. ጋሊየም ናይትራይድ RF መሳሪያዎች ከፍተኛ ድግግሞሽ, ከፍተኛ ኃይል, ሰፊ የመተላለፊያ ይዘት, አነስተኛ የኃይል ፍጆታ እና አነስተኛ መጠን ያላቸው ጥቅሞች እና በ 5G ግንኙነቶች, የበይነመረብ ነገሮች, የወታደራዊ ራዳር እና ሌሎች መስኮች ሰፊ የመተግበሪያ ተስፋዎች አሏቸው. በተጨማሪም, በጋሊየም ናይትራይድ ላይ የተመሰረቱ የኤሌክትሪክ መሳሪያዎች በዝቅተኛ-ቮልቴጅ መስክ ውስጥ በስፋት ጥቅም ላይ ውለዋል. በተጨማሪም፣ በቅርብ ዓመታት ውስጥ፣ ብቅ ያሉ ጋሊየም ኦክሳይድ ቁሶች ከሲሲ እና ጋኤን ቴክኖሎጂዎች ጋር ቴክኒካል ማሟያ ይመሰርታሉ ተብሎ ይጠበቃል፣ እና በዝቅተኛ ድግግሞሽ እና ከፍተኛ-ቮልቴጅ መስኮች ውስጥ የመተግበር ዕድሎች ይኖራቸዋል።

ከሁለተኛው ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሶች ጋር ሲወዳደር የሶስተኛው ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሶች ሰፋ ያለ የባንድጋፕ ስፋት አላቸው (የመጀመሪያው ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁስ የ Si bandgap ስፋት 1.1eV ያህል ነው ፣ የ GaAs የባንድጋፕ ስፋት ፣ የተለመደ ነው። የሁለተኛው ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁስ 1.42eV ገደማ ሲሆን የጋኤን የባንድጋፕ ስፋት ሲሆን ይህም የተለመደው ቁሳቁስ ነው. የሶስተኛ ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁስ, ከ 2.3eV በላይ ነው), ጠንካራ የጨረር መከላከያ, ለኤሌክትሪክ መስክ ብልሽት እና ከፍተኛ የሙቀት መጠን መቋቋም. የሶስተኛው ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሶች ሰፋ ያለ የባንድጋፕ ስፋት በተለይ ለጨረር መቋቋም የሚችል ፣ ከፍተኛ ድግግሞሽ ፣ ከፍተኛ ኃይል እና ከፍተኛ ውህደት-ጥቅጥቅ ያሉ የኤሌክትሮኒክስ መሳሪያዎችን ለማምረት ተስማሚ ናቸው ። በማይክሮዌቭ ራዲዮ ፍሪኩዌንሲ መሳሪያዎች፣ ኤልኢዲዎች፣ ሌዘር፣ የሃይል መሳሪያዎች እና ሌሎች መስኮች ላይ ያቀረቧቸው አፕሊኬሽኖች ብዙ ትኩረትን የሳቡ ሲሆን በሞባይል ግንኙነት፣ ስማርት ፍርግርግ፣ የባቡር ትራንዚት፣ አዲስ የኢነርጂ ተሽከርካሪዎች፣ የሸማቾች ኤሌክትሮኒክስ እና አልትራቫዮሌት እና ሰማያዊ ሰፊ የእድገት ተስፋዎችን አሳይተዋል። - አረንጓዴ ብርሃን መሣሪያዎች [1].

የምስል ምንጭ፡- CASA፣ Zheshang Securities Research Institute

ምስል 1 የጋኤን ሃይል መሳሪያ የጊዜ መለኪያ እና ትንበያ

II የጋን ቁሳቁስ መዋቅር እና ባህሪያት

ጋኤን ቀጥተኛ ባንድጋፕ ሴሚኮንዳክተር ነው። በክፍል ሙቀት ውስጥ ያለው የ wurtzite መዋቅር የባንድጋፕ ስፋት 3.26eV አካባቢ ነው። የጋኤን ቁሶች ሶስት ዋና ዋና ክሪስታል አወቃቀሮች አሏቸው እነሱም ዉርትዚት መዋቅር፣ ስፓለሬት መዋቅር እና የሮክ ጨው መዋቅር። ከነሱ መካከል የ wurtzite መዋቅር በጣም የተረጋጋ ክሪስታል መዋቅር ነው. ምስል 2 የጋኤን ባለ ስድስት ጎን ዉርትዚት መዋቅር ንድፍ ነው። የGaN ቁሳቁስ የ wurtzite መዋቅር ባለ ስድስት ጎን የተጠጋ መዋቅር ነው። እያንዳንዱ ክፍል 6 ኤን አቶሞች እና 6 ጋ አተሞችን ጨምሮ 12 አተሞች አሉት። እያንዳንዱ የጋ (N) አቶም ከ 4 ቅርብ N (ጋ) አተሞች ጋር ትስስር ይፈጥራል እና በአባባብ ቅደም ተከተል ተቆልሏል… በ [0001] አቅጣጫ [2]።

ምስል 2 የ Wurtzite መዋቅር የጋኤን ክሪስታል ሕዋስ ንድፍ

III ለጋኤን ኤፒታክሲ በብዛት ጥቅም ላይ የዋሉ ንጣፎች

ለጋኤን ኤፒታክሲ ምርጡ ምርጫ በGaN substrates ላይ ያለው ተመሳሳይነት ያለው ኤፒታክሲ ይመስላል። ነገር ግን፣ በጋኤን ትልቅ የቦንድ ሃይል ምክንያት፣ የሙቀት መጠኑ 2500 ℃ ወደ መቅለጥ ነጥብ ሲደርስ፣ የሚዛመደው የመበስበስ ግፊቱ 4.5GPa ነው። የመበስበስ ግፊቱ ከዚህ ግፊት ያነሰ ሲሆን, ጋኤን አይቀልጥም ነገር ግን በቀጥታ ይበሰብሳል. ይህ እንደ Czochralski ያሉ እንደ Czochralski ያሉ የበሰሉ የንዑስ ፕላስተር ማዘጋጃ ቴክኖሎጂዎች ለጋኤን ነጠላ ክሪስታል ንኡስ ንጣፎች ዝግጅት ተስማሚ እንዳይሆኑ ያደርጋቸዋል፣ ይህም የጋኤን ንኡስ ንኡስ ምርቶች በብዛት ለማምረት አስቸጋሪ እና ውድ ያደርገዋል። ስለዚህ፣ በጋኤን ኤፒታክሲያል እድገት ውስጥ በብዛት ጥቅም ላይ የሚውሉት ንጥረ ነገሮች በዋናነት ሲ፣ ሲሲ፣ ሰንፔር፣ ወዘተ [3] ናቸው።

ገበታ 3 ጋኤን እና በብዛት ጥቅም ላይ የዋሉ የንዑስ ማቴሪያሎች መለኪያዎች

ጋኤን ኤፒታክሲ በሰንፔር ላይ

ሰንፔር የተረጋጋ ኬሚካላዊ ባህሪያት አለው, ርካሽ ነው, እና መጠነ ሰፊ የምርት ኢንዱስትሪ ከፍተኛ ብስለት አለው. ስለዚህ, በሴሚኮንዳክተር መሳሪያ ምህንድስና ውስጥ ከመጀመሪያዎቹ እና በሰፊው ጥቅም ላይ ከዋሉት የንዑሳን እቃዎች አንዱ ሆኗል. ለጋኤን ኤፒታክሲ በብዛት ጥቅም ላይ ከሚውሉት ንኡስ ንጣፎች መካከል አንዱ እንደመሆኖ፣ ለሳፋየር ንኡስ ንጣፎች መፍታት ያለባቸው ዋና ዋና ችግሮች፡-

✔ በሰፋፊር (Al2O3) እና በጋኤን (15%) መካከል ባለው ትልቅ የላቲስ አለመመጣጠን ምክንያት በኤፒታክሲያል ንብርብር እና በንጥረ-ነገር መካከል ባለው መገናኛ ላይ ያለው ጉድለት በጣም ከፍተኛ ነው። አሉታዊ ውጤቶቹን ለመቀነስ, የ epitaxy ሂደት ከመጀመሩ በፊት ንጣፉ ውስብስብ ቅድመ-ህክምና መደረግ አለበት. የጋኤን ኤፒታክሲን በሳፕፋይር ንጣፎች ላይ ከማደግዎ በፊት በመጀመሪያ የንጥረ-ነገሮችን ፣ የቆሻሻ መጣያ ጉዳቶችን ፣ ወዘተ ለማስወገድ እና የእርምጃዎች እና የእርከን ወለል አወቃቀሮችን ለማምረት የንጣፉ ወለል በጥብቅ መጽዳት አለበት። ከዚያም የንጥረ-ነገር ንጣፍ የ epitaxial ንብርብሩን የእርጥበት ባህሪያትን ለመለወጥ ናይትራይድ ይደረጋል. በመጨረሻም፣ ለመጨረሻው የኤፒታክሲያል እድገት ለመዘጋጀት አንድ ቀጭን የአልኤን ቋት ንብርብር (በተለምዶ ከ10-100nm ውፍረት) በመሬት ወለል ላይ መቀመጥ እና በዝቅተኛ የሙቀት መጠን መከተብ ያስፈልጋል። ያም ሆኖ፣ በጋኤን ኤፒታክሲያል ፊልሞች ውስጥ በሰንፔር ንኡስ ክፍል ላይ የሚበቅሉት የመፈናቀል መጠን አሁንም ከሆሞኢፒታክሲያል ፊልሞች (1010 ሴ.ሜ-2 አካባቢ፣ በሲሊኮን ሆሞኢፒታክሲያል ፊልሞች ወይም ጋሊየም አርሴናይድ ሆሞኢፒታክሲያል ፊልሞች ወይም በ1010 ሴ.ሜ.) መካከል ካለው የዜሮ መጠንቀቅ መጠን ከፍ ያለ ነው። 2) ከፍተኛ ጉድለት ያለው ጥግግት የአገልግሎት አቅራቢውን ተንቀሳቃሽነት ይቀንሳል፣በዚህም አናሳ ድምጸ ተያያዥ ሞደምን የህይወት ጊዜን ያሳጥራል እና የሙቀት መጠንን ይቀንሳል፣ ይህ ሁሉ የመሳሪያውን አፈጻጸም ይቀንሳል።

✔ የሳፕፋይር የሙቀት መስፋፋት መጠን ከጋኤን የበለጠ ነው, ስለዚህ ከተቀማጭ የሙቀት መጠን ወደ ክፍል ሙቀት በሚቀዘቅዝበት ጊዜ የቢክሲያል መጭመቂያ ጭንቀት በ epitaxial ንብርብር ውስጥ ይፈጠራል. ጥቅጥቅ ባለ ኤፒታክሲያል ፊልሞች ይህ ጭንቀት የፊልም ወይም ሌላው ቀርቶ የንጥረ-ነገር መሰንጠቅን ሊያስከትል ይችላል;

✔ ከሌሎች ንጣፎች ጋር ሲነፃፀር የሳፒየር ንጣፎች የሙቀት መጠን ዝቅተኛ ነው (በ 0.25W * ሴሜ - 1 * K-1 በ 100 ℃) ፣ እና የሙቀት ማባከን አፈፃፀም ደካማ ነው ።

✔ በደካማ ምቹነት ምክንያት, የሳፋይር ንጣፎች ከሌሎች ሴሚኮንዳክተር መሳሪያዎች ጋር እንዲዋሃዱ እና እንዲተገበሩ አይረዱም.

ምንም እንኳን የጋኤን ኤፒታክሲያል ንብርብቶች በሰንፔር ላይ የሚበቅሉት ጉድለት ከፍተኛ ቢሆንም፣ በጋኤን ላይ የተመሰረቱ ሰማያዊ-አረንጓዴ ኤልኢኤስ ኦፕቶኤሌክትሮኒካዊ አፈጻጸምን በእጅጉ የሚቀንስ አይመስልም፣ ስለዚህ ሰንፔር substrates አሁንም በጋኤን ላይ ለተመሰረቱ ኤልኢዲዎች መጠቀሚያዎች ናቸው።

እንደ ሌዘር ወይም ሌሎች ከፍተኛ መጠጋጋት ሃይል መሳሪያዎች ያሉ ተጨማሪ አዳዲስ የጋኤን አፕሊኬሽኖች ሲፈጠሩ የሳፒየር ንኡስ ንኡስ ንኡስ እክሎች በመተግበሪያቸው ላይ ገደብ እየጨመሩ መጥተዋል። በተጨማሪም፣ በሲሲ ንኡስ ክፍል ዕድገት ቴክኖሎጂ፣ የዋጋ ቅነሳ እና የጋኤን ኤፒታክሲያል ቴክኖሎጂ ብስለት በሲ substrates ላይ፣ በSapphire substrates ላይ የ GaN epitaxial layers በማደግ ላይ ተጨማሪ ምርምር ቀስ በቀስ የመቀዝቀዝ አዝማሚያ አሳይቷል።

የጋኤን ኤፒታክሲ በሲሲ

ከ sapphire ጋር ሲነጻጸሩ የሲሲ ንኡስ ንጣፎች (4H- እና 6H-crystals) ከ GaN epitaxial layers (3.1%፣ ከ [0001] ተኮር ኤፒታክሲያል ፊልሞች ጋር የሚመጣጠን) ከ 3.8W*cm-1*K ጋር ትንሽ የላቲስ አለመመጣጠን አላቸው። -1) ወዘተ በተጨማሪም የ SiC substrates conductivity ደግሞ የኤሌክትሪክ እውቂያዎች ይፈቅዳል የመሳሪያውን መዋቅር ለማቃለል የሚረዳው በንጣፉ ጀርባ ላይ ይደረጋል. የእነዚህ ጥቅሞች መኖር ብዙ እና ተጨማሪ ተመራማሪዎችን በሲሊኮን ካርቦዳይድ ንጥረ ነገሮች ላይ በ GaN epitaxy ላይ እንዲሰሩ ስቧል።

ነገር ግን፣ የጋኤን ኤፒላይየሮች እንዳይበቅሉ በሲሲ ንኡስ ክፍሎች ላይ በቀጥታ መስራት የሚከተሉትን ጨምሮ ተከታታይ ጉዳቶች ያጋጥሙታል።

✔ የSic substrates የገጽታ ሸካራነት ከሳፋየር ንኡስ መሥሪያ ቤቶች (ሰፊር ሻካራነት 0.1nm RMS፣ SiC roughness 1nm RMS)፣ የሲሲ ንኡስ ንጣፎች ከፍተኛ ጥንካሬ እና ደካማ የማቀነባበር አፈጻጸም አላቸው፣ እና ይህ ሸካራነት እና ቀሪ ፖሊሽንግ ጉዳቶችም አንዱ ናቸው። በ GaN epilayers ውስጥ ያሉ ጉድለቶች ምንጮች.

✔ የሲሲ ንኡስ ንጣፎች የፍጥነት መጠን ከፍ ያለ ነው (የመፈናቀል ጥግግት 103-104 ሴ.ሜ-2) ፣ የ screw dislocations ወደ GaN epilayer ሊሰራጭ እና የመሳሪያውን አፈፃፀም ሊቀንስ ይችላል ።

✔ በመሬት ወለል ላይ ያለው የአቶሚክ ዝግጅት በጋኤን ኤፒላይየር ውስጥ የተደራረቡ ጥፋቶች (BSFs) እንዲፈጠሩ ያደርጋል። ለኤፒታክሲያል ጋኤን በሲሲ ንኡስ ንጣፎች ላይ፣ በ substrate ላይ ብዙ ሊሆኑ የሚችሉ የአቶሚክ ዝግጅት ትዕዛዞች አሉ፣ ይህም በላዩ ላይ ያለው የኤፒታክሲያል ጋኤን ንብርብር ወጥነት የሌለው የመነሻ አቶሚክ ቁልል ቅደም ተከተል ያስከትላል፣ ይህም ስህተቶችን ለመደርደር የተጋለጠ ነው። የተቆለሉ ጥፋቶች (ኤስኤፍኤስ) በሲ-ዘንጉ ላይ አብሮ የተሰሩ የኤሌክትሪክ መስኮችን ያስተዋውቃል፣ ይህም እንደ አውሮፕላን ውስጥ ተሸካሚ መለያየት መሳሪያዎችን ወደ መፍሰስ መሰል ችግሮች ያስከትላል።

✔ የሲሲ ንኡስ ክፍል የሙቀት ማስፋፊያ ቅንጅት ከአልኤን እና ጋኤን ያነሰ ነው, ይህም በማቀዝቀዣው ሂደት ውስጥ በኤፒታክሲያል ሽፋን እና በንጥረ ነገሮች መካከል የሙቀት ጭንቀት እንዲከማች ያደርጋል. ዋልተሬይት እና ብራንድ በምርምር ውጤታቸው መሰረት ይህ ችግር የጋኤን ኤፒታክሲያል ሽፋን በቀጭኑ፣ ወጥ በሆነ መልኩ በአልኤን ኑክሌሽን ንጣፎች ላይ በማደግ ሊቃለል ወይም ሊፈታ እንደሚችል ተንብየዋል።

✔ የጋ አተሞች ደካማ እርጥበታማነት ችግር። የጋኤን ኤፒታክሲያል ንብርብሮችን በቀጥታ በሲሲ ወለል ላይ ሲያሳድጉ በሁለቱ አተሞች መካከል ባለው ደካማ የእርጥበት መጠን የተነሳ ጋኤን በመሬት ወለል ላይ ለ3D ደሴት እድገት የተጋለጠ ነው። በጋን ኤፒታክሲ ውስጥ የኤፒታክሲያል ቁሶችን ጥራት ለማሻሻል የመጠባበቂያ ንብርብር ማስተዋወቅ በብዛት ጥቅም ላይ የሚውለው መፍትሄ ነው። የ AlN ወይም AlxGa1-xN ቋት ንብርብርን ማስተዋወቅ የሲሲ ገጽን እርጥበታማነት በጥሩ ሁኔታ ማሻሻል እና የጋን ኤፒታክሲያል ንብርብር በሁለት ልኬቶች እንዲያድግ ያደርጋል። በተጨማሪም ፣ ጭንቀትን መቆጣጠር እና የ substrate ጉድለቶች ወደ ጋኤን ኤፒታክሲ እንዳይራዘም መከላከል ይችላል ።

✔ የሲሲ ንኡስ ንጣፎችን የማዘጋጀት ቴክኖሎጂ ያልበሰለ ነው, የንጥረ ነገሮች ዋጋ ከፍተኛ ነው, እና ጥቂት አቅራቢዎች እና አነስተኛ አቅርቦቶች አሉ.

የቶረስ እና ሌሎች ጥናት እንደሚያሳየው የሲሲ ንኡስ ክፍልን በከፍተኛ ሙቀት (1600 ዲግሪ ሴንቲ ግሬድ) ከኤች 2 ጋር በከፍተኛ ሙቀት (1600 ዲግሪ ሴንቲ ግሬድ) ከኤፒታክሲያ በፊት መቀባቱ በሥርዓተ-ምህዳሩ ላይ የበለጠ የታዘዘ የእርምጃ መዋቅር ይፈጥራል ፣ በዚህም በቀጥታ ከሚገኝበት ጊዜ የበለጠ ጥራት ያለው የአልኤን ኤፒታክሲያል ፊልም ያገኛል ። በዋናው የከርሰ ምድር ወለል ላይ አድጓል። የዚ እና የቡድኑ ጥናት እንደሚያሳየው የሲሊኮን ካርቦይድ ንኡስ ንጣፍ ቅድመ-ህክምና ማሳከክ የጋኤን ኤፒታክሲያል ንብርብር የገጽታ ሞርፎሎጂ እና ክሪስታል ጥራትን በእጅጉ ሊያሻሽል ይችላል። ስሚዝ እና ሌሎች. ከንዑስስተር/የማቋቋሚያ ንብርብር እና ከጠባቂው ንብርብር/ኤፒታክሲያል ንብርብር መገናኛዎች የሚመነጩ የክር ማፈናቀሎች ከሥሩ ጠፍጣፋነት ጋር የተገናኙ መሆናቸውን አረጋግጧል።

ምስል 4 በ 6H-SiC substrate (0001) ላይ በተለያዩ የገጽታ ህክምና ሁኔታዎች (ሀ) የኬሚካል ጽዳት ላይ የሚበቅለው የጋኤን ኤፒታክሲያል ንብርብር ናሙናዎች የTEM ሞሮሎጂ; (ለ) የኬሚካል ማጽዳት + የሃይድሮጂን ፕላዝማ ሕክምና; (ሐ) የኬሚካል ማጽዳት + የሃይድሮጂን ፕላዝማ ሕክምና + 1300 ℃ የሃይድሮጂን ሙቀት ሕክምና ለ 30 ደቂቃ

የጋኤን ኤፒታክሲ በሲ

ከሲሊኮን ካርቦይድ ፣ ሰንፔር እና ሌሎች ንጣፎች ጋር ሲነፃፀር ፣ የሲሊኮን ንጣፍ የማዘጋጀት ሂደት ብስለት ነው ፣ እና በከፍተኛ ወጪ አፈፃፀም የጎለመሱ ትልቅ መጠን ያላቸውን ንጣፎችን ሊያቀርብ ይችላል። በተመሳሳይ ጊዜ የሙቀት መቆጣጠሪያው እና የኤሌትሪክ ንክኪነት ጥሩ ነው, እና የሲ ኤሌክትሮኒክ መሣሪያ ሂደት ብስለት ነው. ለወደፊቱ የኦፕቶኤሌክትሮኒካዊ ጋኤን መሳሪያዎችን ከሲ ኤሌክትሮኒክስ መሳሪያዎች ጋር በትክክል የማዋሃድ እድሉ በሲሊኮን ላይ ያለውን የጋን ኤፒታክሲን እድገት በጣም ማራኪ ያደርገዋል።

ነገር ግን፣ በሲ substrate እና በጋኤን ቁስ መካከል ባለው ትልቅ የላቲስ ቋሚዎች ልዩነት የተነሳ የ GaN on Si substrate ልዩ የሆነ ትልቅ አለመመጣጠን ነው፣ እና እንዲሁም ተከታታይ ችግሮችን መጋፈጥ ይኖርበታል።

✔ የገጽታ በይነገጽ የኃይል ችግር። ጋኤን በሲ substrate ላይ ሲያድግ የሲ substrate ወለል መጀመሪያ ናይትራይድ ይደረጋል ለከፍተኛ ጥግግት GaN ኒውክሊየሽን እና እድገት የማይጠቅም የማይመስል የሲሊኮን ናይትራይድ ንብርብር ይፈጥራል። በተጨማሪም, የ Si ወለል በመጀመሪያ ጋ ጋር ይገናኛል, ይህም የ Si substrate ገጽን ያበላሻል. በከፍተኛ ሙቀቶች ውስጥ, የ Si ወለል መበስበስ ወደ ጋኤን ኤፒታክሲያል ሽፋን ወደ ጥቁር የሲሊኮን ነጠብጣቦች ይሰራጫል.

✔ በጋኤን እና በሲ መካከል ያለው የላቲስ ቋሚ አለመጣጣም ትልቅ ነው (~ 17%), ይህም ከፍተኛ መጠን ያለው የክርን መበታተን እንዲፈጠር እና የኤፒታክሲየም ሽፋን ጥራትን በእጅጉ ይቀንሳል;

✔ ከሲ ጋር ሲነፃፀር ጋኤን ትልቅ የሙቀት ማስፋፊያ ቅንጅት አለው (የጋኤን የሙቀት ማስፋፊያ መጠን 5.6×10-6K-1 ነው፣የሲ የሙቀት ማስፋፊያ ኮፊሸን 2.6×10-6K-1 ነው) እና በጋን ውስጥ ስንጥቆች ሊፈጠሩ ይችላሉ። የኤፒታክሲያል ሽፋን ወደ ክፍል የሙቀት መጠን በሚቀዘቅዝበት ጊዜ;

✔ Si በከፍተኛ ሙቀት ከኤን ኤች 3 ጋር ምላሽ ይሰጣል polycrystalline SiNx ይፈጥራል። አልኤን በ polycrystalline SiNx ላይ ተመራጭ ተኮር ኒዩክሊየስ መፍጠር አይችልም ፣ይህም ወደ ኋላ ያደገው የጋን ሽፋን ወደተዘበራረቀ አቅጣጫ እና ወደ ከፍተኛ ጉድለቶች ያመራል ፣ይህም የጋን ኤፒታክሲያል ንብርብር ደካማ ክሪስታል ጥራት እና አልፎ ተርፎም ነጠላ-ክሪስታልላይን የመፍጠር ችግር ያስከትላል። ጋኤን ኤፒታክሲያል ንብርብር [6].

የትልቅ የላቲስ አለመመጣጠን ችግርን ለመፍታት ተመራማሪዎች እንደ AlAs፣ GaAs፣ AlN፣ GaN፣ ZnO እና SiC ያሉ ቁሳቁሶችን በ Si substrates ላይ እንደ መከላከያ ንብርብሮች ለማስተዋወቅ ሞክረዋል። የ polycrystalline SiNx መፈጠርን ለማስቀረት እና በጋኤን / አልኤን / ሲ (111) ቁሳቁሶች ክሪስታል ጥራት ላይ አሉታዊ ተፅእኖዎችን ለመቀነስ ፣ TMmal ብዙውን ጊዜ የአልኤን ቋት ሽፋን ኤፒታክሲያል እድገትን ከመጀመሩ በፊት ለተወሰነ ጊዜ ማስተዋወቅ ያስፈልጋል ። NH3 ከተጋለጠው የ Si ወለል ጋር SiNx እንዲፈጠር ምላሽ እንዳይሰጥ ለመከላከል። በተጨማሪም የኤፒታክሲያል ንብርብሩን ጥራት ለማሻሻል እንደ ስርዓተ-ጥለት የተደረገ የንዑስ ክፍል ቴክኖሎጂን መጠቀም ይቻላል። የእነዚህ ቴክኖሎጂዎች እድገት የሲንክስን ምስረታ በኤፒታክሲያል በይነገጽ ላይ ለመግታት, የጋኤን ኤፒታክሲያል ሽፋን ባለ ሁለት ገጽታ እድገትን ለማራመድ እና የ epitaxial ንብርብርን የእድገት ጥራት ለማሻሻል ይረዳል. በተጨማሪም በሲሊኮን ንጣፍ ላይ ባለው የጋኤን ኤፒታክሲያል ንብርብር ላይ ስንጥቆችን ለማስወገድ በሙቀት ማስፋፊያ ቅንጅቶች ልዩነት ምክንያት የሚፈጠረውን የመለጠጥ ጭንቀትን ለማካካስ የአልኤን ቋት ንብርብር ይተዋወቃል። የክሮስት ጥናት እንደሚያሳየው በአልኤን ቋት ንብርብር ውፍረት እና በውጥረት ቅነሳ መካከል አወንታዊ ትስስር አለ። የጠባቂው ንብርብር ውፍረት 12nm ሲደርስ ከ6μm በላይ የሆነ ኤፒታክሲያል ንብርብር በሲሊኮን ንጣፍ ላይ በተገቢው የእድገት እቅድ አማካኝነት ኤፒታክሲያል ንብርብር ሳይሰነጠቅ ሊበቅል ይችላል።

ተመራማሪዎች ከረዥም ጊዜ ጥረት በኋላ በሲሊኮን ንጥረ ነገሮች ላይ የሚበቅሉት የጋኤን ኤፒታክሲያል ንጣፎች ጥራት በከፍተኛ ሁኔታ ተሻሽሏል, እና እንደ የመስክ ኢፌክት ትራንዚስተሮች, ሾትኪ ባሪየር አልትራቫዮሌት መመርመሪያዎች, ሰማያዊ አረንጓዴ ኤልዲዎች እና አልትራቫዮሌት ሌዘር የመሳሰሉ መሳሪያዎች ከፍተኛ እድገት አሳይተዋል.

በማጠቃለያው፣ በብዛት ጥቅም ላይ የሚውሉት የጋኤን ኤፒታክሲያል ንኡስ ንጣፎች ሁሉም የተለያዩ ኤፒታክሲዎች በመሆናቸው ሁሉም እንደ ጥልፍልፍ አለመመጣጠን እና በሙቀት ማስፋፊያ ቅንጅቶች ላይ ትልቅ ልዩነት በተለያየ ዲግሪ ያሉ የተለመዱ ችግሮች ያጋጥሟቸዋል። ተመሳሳይነት ያለው ኤፒታክሲያል ጋኤን ንኡስ ንጣፎች በቴክኖሎጂ ብስለት የተገደቡ ናቸው፣ እና ንብረቶቹ ገና በጅምላ አልተመረቱም። የማምረቻው ዋጋ ከፍተኛ ነው, የንጥረቱ መጠን ትንሽ ነው, እና የንጥረቱ ጥራት ተስማሚ አይደለም. የአዳዲስ የጋኤን ኤፒታክሲያል ንኡስ ንጣፎች ልማት እና የኤፒታክሲያል ጥራት መሻሻል አሁንም የጋኤን ኤፒታክሲያል ኢንዱስትሪ እድገትን ከሚገድቡ አስፈላጊ ነገሮች አንዱ ነው።

IV. የተለመዱ ዘዴዎች ለ GaN epitaxy

MOCVD (የኬሚካል የእንፋሎት ክምችት)

ለጋኤን ኤፒታክሲ ምርጡ ምርጫ በGaN substrates ላይ ያለው ተመሳሳይነት ያለው ኤፒታክሲ ይመስላል። ይሁን እንጂ የኬሚካላዊ የእንፋሎት ማጠራቀሚያ ቀዳሚዎች ትሪሜቲልጋሊየም እና አሞኒያ ሲሆኑ, እና ተሸካሚው ጋዝ ሃይድሮጂን ስለሆነ, የተለመደው የMOCVD የእድገት ሙቀት ከ1000-1100 ℃ ነው, እና የMOCVD የእድገት ፍጥነት በሰዓት ጥቂት ማይክሮን ያህል ነው. በአቶሚክ ደረጃ ላይ ሾጣጣ መገናኛዎችን ማምረት ይችላል, ይህም heterojunctions, ኳንተም ጉድጓዶች, ሱፐርላቲስ እና ሌሎች መዋቅሮችን ለማልማት በጣም ተስማሚ ነው. ፈጣን የዕድገት መጠኑ፣ ጥሩ ወጥነት ያለው እና ለትልቅ እና ባለብዙ ክፍል እድገቱ ተስማሚነት ብዙውን ጊዜ በኢንዱስትሪ ምርት ውስጥ ጥቅም ላይ ይውላል።
MBE (የሞለኪውላር ጨረር ኤፒታክሲ)
በሞለኪውላር ጨረር ኤፒታክሲ ውስጥ ጋ ኤሌሜንታል ምንጭ ይጠቀማል፣ እና ንቁ ናይትሮጅን የሚገኘው ከናይትሮጅን በ RF ፕላዝማ በኩል ነው። ከMOCVD ዘዴ ጋር ሲነጻጸር፣ የMBE የእድገት ሙቀት ከ350-400℃ ዝቅተኛ ነው። ዝቅተኛ የእድገት ሙቀት በከፍተኛ ሙቀት አከባቢዎች ምክንያት ሊከሰቱ የሚችሉ አንዳንድ ብክለትን ያስወግዳል. የኤምቢኢ ሲስተም እጅግ በጣም ከፍተኛ በሆነ ቫክዩም ስር የሚሰራ ሲሆን ይህም በቦታው ላይ ተጨማሪ የመለየት ዘዴዎችን እንዲያዋህድ ያስችለዋል። በተመሳሳይ ጊዜ የእድገቱ መጠን እና የማምረት አቅሙ ከMOCVD ጋር ሊወዳደር አይችልም, እና በሳይንሳዊ ምርምር ውስጥ የበለጠ ጥቅም ላይ ይውላል.

ምስል 5 (ሀ) Eiko-MBE schematic (ለ) MBE ዋና ምላሽ ክፍል schematic

HVPE ዘዴ (የሃይድሮይድ ትነት ክፍል ኤፒታክሲ)

የሃይድሮይድ ትነት ደረጃ ኤፒታክሲ ዘዴ ቀዳሚዎች GaCl3 እና NH3 ናቸው። Detchprohm እና ሌሎች. ይህንን ዘዴ ተጠቅሞ የጋኤን ኤፒታክሲያል ሽፋን በመቶዎች የሚቆጠሩ ማይክሮን በሰንፔር ንጣፍ ላይ ለማደግ ተጠቅሞበታል። በሙከራያቸው፣ የZnO ንብርብር በሰንፔር ንኡስ ክፍል እና በኤፒታክሲያል ንብርብር መካከል እንደ ቋት ቋት ሆኖ አድጓል፣ እና የኤፒታክሲያል ንብርብሩ ከመሬት በታች ተላጥቷል። ከ MOCVD እና MBE ጋር ሲነፃፀር የ HVPE ዘዴ ዋናው ገጽታ ከፍተኛ የእድገት መጠን ነው, ይህም ወፍራም ሽፋኖችን እና የጅምላ ቁሳቁሶችን ለማምረት ተስማሚ ነው. ይሁን እንጂ የኤፒታክሲያል ንብርብር ውፍረት ከ 20 ማይክሮን ሲበልጥ, በዚህ ዘዴ የሚፈጠረው ኤፒታክሲያል ሽፋን ለፍንጣሪዎች የተጋለጠ ነው.
አኪራ ዩኤስአይአይ በዚህ ዘዴ ላይ በመመስረት በስርዓተ-ጥለት የተቀረጸ ቴክኖሎጂ አስተዋውቋል። በመጀመሪያ የMOCVD ዘዴን በመጠቀም ከ1-1.5μm ውፍረት ያለው የጋኤን ኤፒታክሲያል ንብርብር በሳፕፋይር ንጣፍ ላይ አሳደጉ። የኤፒታክሲያል ንብርብር በዝቅተኛ የሙቀት ሁኔታዎች ውስጥ የበቀለ 20nm ውፍረት ያለው የጋን ቋት ንብርብር እና በከፍተኛ ሙቀት ሁኔታዎች ውስጥ የበቀለ የጋን ንብርብርን ያካትታል። ከዚያም በ 430 ℃ የሲኦ 2 ንብርብር በኤፒታክሲያል ሽፋን ላይ ተለጥፏል, እና በፎቶላይትግራፊ በ SiO2 ፊልም ላይ የመስኮት ግርዶሾች ተሠርተዋል. የጭረት ክፍተቱ 7μm ሲሆን የጭምብሉ ስፋት ከ1μm እስከ 4μm ነበር። ከዚህ ማሻሻያ በኋላ፣ ውፍረቱ ወደ አስር ወይም በመቶዎች የሚቆጠሩ ማይክሮን በሚጨምርበት ጊዜ እንኳን ከስንጥቅ ነፃ የሆነ እና እንደ መስታወት ለስላሳ የሆነ ባለ 2 ኢንች ዲያሜትር ያለው የሳፋየር ንጣፍ ላይ የ GaN epitaxial ንብርብር አግኝተዋል። የጉድለት መጠኑ ከ109-1010ሴሜ-2 ከባህላዊው የHVPE ዘዴ ወደ 6×107cm-2 ተቀንሷል። እንዲሁም የእድገቱ መጠን በሰአት ከ75μm ሲያልፍ የናሙናው ወለል ሸካራ እንደሚሆን በሙከራው ላይ አመልክተዋል።

ምስል 6 ስዕላዊ የንዑስ ክፍል ንድፍ

V. ማጠቃለያ እና Outlook

የጋኤን ቁሳቁሶች ብቅ ማለት የጀመሩት እ.ኤ.አ. በ 2014 ሰማያዊ ብርሃን ኤልኢዲ በፊዚክስ የኖቤል ሽልማትን ሲያገኝ እና በተጠቃሚ ኤሌክትሮኒክስ መስክ ውስጥ በሕዝብ ፈጣን የኃይል መሙያ መስክ ውስጥ ገብቷል ። እንዲያውም በ5ጂ ቤዝ ጣቢያዎች ውስጥ ጥቅም ላይ የዋሉት የሀይል ማጉያዎች እና የ RF መሳሪያዎች አብዛኛው ሰው ማየት የማይችሉ አፕሊኬሽኖች እንዲሁ በጸጥታ ብቅ አሉ። በቅርብ ዓመታት ውስጥ በጋኤን ላይ የተመሰረቱ የአውቶሞቲቭ ደረጃ ሃይል ​​መሳሪያዎች ግኝት ለጋኤን ቁሳዊ መተግበሪያ ገበያ አዳዲስ የእድገት ነጥቦችን ይከፍታል ተብሎ ይጠበቃል።
ግዙፉ የገበያ ፍላጎት ከጋኤን ጋር የተገናኙ ኢንዱስትሪዎችን እና ቴክኖሎጂዎችን እድገት እንደሚያበረታታ ጥርጥር የለውም። ከጋኤን ጋር የተያያዘ የኢንዱስትሪ ሰንሰለት ብስለት እና መሻሻል፣ አሁን ያለው የጋኤን ኤፒታክሲያል ቴክኖሎጂ ያጋጠሟቸው ችግሮች በመጨረሻ ይሻሻላሉ ወይም ይሻገራሉ። ወደፊት ሰዎች በእርግጠኝነት ተጨማሪ አዳዲስ የኤፒታክሲያል ቴክኖሎጂዎችን እና እጅግ በጣም ጥሩ የንዑስ ክፍል አማራጮችን ያዳብራሉ። በዚያን ጊዜ ሰዎች በመተግበሪያው ሁኔታ ባህሪያት መሰረት ለተለያዩ የመተግበሪያ ሁኔታዎች ተስማሚ የሆነውን የውጭ ምርምር ቴክኖሎጂ እና substrate መምረጥ እና በጣም ተወዳዳሪ ብጁ ምርቶችን ማምረት ይችላሉ.