1. أشباه الموصلات من الجيل الثالث
تم تطوير تقنية أشباه الموصلات من الجيل الأول بناءً على مواد أشباه الموصلات مثل Si وGe. إنه الأساس المادي لتطوير الترانزستورات وتكنولوجيا الدوائر المتكاملة. وضعت مواد أشباه الموصلات من الجيل الأول الأساس للصناعة الإلكترونية في القرن العشرين وهي المواد الأساسية لتكنولوجيا الدوائر المتكاملة.
تشتمل مواد أشباه الموصلات من الجيل الثاني بشكل أساسي على زرنيخيد الغاليوم وفوسفيد الإنديوم وفوسفيد الغاليوم وزرنيخيد الإنديوم وزرنيخيد الألومنيوم ومركباتها الثلاثية. تعد مواد أشباه الموصلات من الجيل الثاني أساس صناعة المعلومات الإلكترونية الضوئية. وعلى هذا الأساس، تم تطوير الصناعات ذات الصلة مثل الإضاءة والعرض والليزر والطاقة الكهروضوئية. يتم استخدامها على نطاق واسع في تكنولوجيا المعلومات المعاصرة وصناعات العرض الإلكترونية البصرية.
تشمل المواد التمثيلية لمواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث نيتريد الغاليوم وكربيد السيليكون. نظرًا لفجوة النطاق الواسعة، وسرعة انجراف التشبع الإلكتروني العالية، والتوصيل الحراري العالي، وقوة مجال الانهيار العالية، فهي مواد مثالية لإعداد أجهزة إلكترونية عالية الكثافة وعالية التردد ومنخفضة الخسارة. من بينها، تتميز أجهزة الطاقة من كربيد السيليكون بمزايا كثافة الطاقة العالية، واستهلاك الطاقة المنخفض، والحجم الصغير، ولها آفاق تطبيق واسعة في مركبات الطاقة الجديدة، والخلايا الكهروضوئية، والنقل بالسكك الحديدية، والبيانات الضخمة، وغيرها من المجالات. تتمتع أجهزة الترددات اللاسلكية من نيتريد الغاليوم بمزايا التردد العالي والطاقة العالية وعرض النطاق الترددي الواسع والاستهلاك المنخفض للطاقة والحجم الصغير، ولها آفاق تطبيق واسعة في اتصالات 5G وإنترنت الأشياء والرادار العسكري وغيرها من المجالات. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام أجهزة الطاقة المعتمدة على نيتريد الغاليوم على نطاق واسع في مجال الجهد المنخفض. بالإضافة إلى ذلك، في السنوات الأخيرة، من المتوقع أن تشكل مواد أكسيد الغاليوم الناشئة تكاملًا تقنيًا مع تقنيات SiC وGN الحالية، ولها آفاق تطبيق محتملة في المجالات المنخفضة التردد والجهد العالي.
بالمقارنة مع مواد أشباه الموصلات من الجيل الثاني، فإن مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث لها عرض فجوة نطاق أوسع (يبلغ عرض فجوة النطاق لـ Si، وهي مادة نموذجية لمادة أشباه الموصلات من الجيل الأول، حوالي 1.1 فولت، وعرض فجوة النطاق لـ GaAs، وهو عرض نموذجي مادة مادة أشباه الموصلات من الجيل الثاني، تبلغ حوالي 1.42 فولت، وعرض فجوة نطاق GaN، وهي مادة نموذجية لمادة أشباه الموصلات من الجيل الثالث، أعلى من 2.3 فولت، ومقاومة إشعاع أقوى، ومقاومة أقوى لانهيار المجال الكهربائي، و مقاومة درجات الحرارة العالية. تعد مواد أشباه الموصلات من الجيل الثالث ذات عرض فجوة النطاق الأوسع مناسبة بشكل خاص لإنتاج أجهزة إلكترونية مقاومة للإشعاع وعالية التردد وعالية الطاقة وعالية الكثافة التكاملية. وقد جذبت تطبيقاتها في أجهزة الترددات الراديوية بالموجات الدقيقة، ومصابيح LED، والليزر، وأجهزة الطاقة وغيرها من المجالات الكثير من الاهتمام، وأظهرت آفاقًا واسعة للتنمية في مجال الاتصالات المتنقلة، والشبكات الذكية، والنقل بالسكك الحديدية، ومركبات الطاقة الجديدة، والإلكترونيات الاستهلاكية، والأشعة فوق البنفسجية والأزرق. -أجهزة الضوء الأخضر [1].
مصدر الصورة: CASA، معهد Zheshang لأبحاث الأوراق المالية
الشكل 1: النطاق الزمني لجهاز الطاقة GaN والتوقعات
II هيكل مادة GaN وخصائصها
GaN هو أشباه الموصلات ذات فجوة الحزمة المباشرة. يبلغ عرض فجوة النطاق لهيكل الورتزايت في درجة حرارة الغرفة حوالي 3.26 فولت. تحتوي مواد GaN على ثلاثة هياكل بلورية رئيسية، وهي بنية الورزيت، وبنية السفاليريت، وبنية الملح الصخري. من بينها، هيكل wurtzite هو الهيكل البلوري الأكثر استقرارا. الشكل 2 عبارة عن رسم تخطيطي لهيكل الورزيت السداسي لـ GaN. ينتمي هيكل wurtzite لمادة GaN إلى هيكل سداسي محكم الإغلاق. تحتوي كل خلية وحدة على 12 ذرة، منها 6 ذرات N و6 ذرات Ga. تشكل كل ذرة Ga (N) رابطة مع أقرب 4 ذرات N (Ga) ويتم تكديسها بترتيب ABABAB... على طول الاتجاه [0001] [2].
الشكل 2: هيكل Wurtzite مخطط الخلية البلورية GaN
III ركائز شائعة الاستخدام لـ GaN epitaxy
يبدو أن النضوج المتجانس على ركائز GaN هو الخيار الأفضل لنضوب GaN. ومع ذلك، نظرًا لطاقة الرابطة الكبيرة لـ GaN، عندما تصل درجة الحرارة إلى نقطة الانصهار البالغة 2500 درجة مئوية، فإن ضغط التحلل المقابل لها يبلغ حوالي 4.5GPa. عندما يكون ضغط التحلل أقل من هذا الضغط، لا يذوب GaN ولكنه يتحلل مباشرة. وهذا يجعل تقنيات تحضير الركيزة الناضجة مثل طريقة Czochralski غير مناسبة لإعداد ركائز GaN البلورية الفردية، مما يجعل ركائز GaN صعبة الإنتاج بكميات كبيرة ومكلفة. لذلك، فإن الركائز المستخدمة بشكل شائع في النمو الفوقي لـ GaN هي بشكل أساسي Si، وSiC، والياقوت، وما إلى ذلك [3].
الرسم البياني 3 GaN ومعلمات المواد الأساسية شائعة الاستخدام
نبتة GaN على الياقوت
يتمتع الياقوت بخصائص كيميائية مستقرة، ورخيص الثمن، وله درجة نضج عالية في صناعة الإنتاج على نطاق واسع. ولذلك، فقد أصبحت واحدة من المواد الأساسية الأقدم والأكثر استخدامًا على نطاق واسع في هندسة أجهزة أشباه الموصلات. باعتبارها واحدة من الركائز شائعة الاستخدام لـ GaN epitaxy، فإن المشكلات الرئيسية التي يجب حلها لركائز الياقوت هي:
✔ نظرًا لعدم تطابق الشبكة الكبيرة بين الياقوت (Al2O3) وGan (حوالي 15%)، فإن كثافة الخلل في السطح البيني بين الطبقة الفوقي والركيزة مرتفعة جدًا. من أجل الحد من آثاره الضارة، يجب أن تخضع الركيزة للمعالجة المعقدة قبل أن تبدأ عملية النفوق. قبل زراعة GaN على ركائز الياقوت، يجب أولاً تنظيف سطح الركيزة بشكل صارم لإزالة الملوثات وأضرار التلميع المتبقية وما إلى ذلك، ولإنتاج خطوات وهياكل سطحية. بعد ذلك، تتم نيترة سطح الركيزة لتغيير خصائص ترطيب الطبقة الفوقي. أخيرًا، يجب ترسيب طبقة عازلة رقيقة من AlN (عادة بسمك 10-100 نانومتر) على سطح الركيزة وتصلبها عند درجة حرارة منخفضة للتحضير للنمو الفوقي النهائي. ومع ذلك، فإن كثافة التفكك في الأغشية الفوقية GaN المزروعة على ركائز الياقوت لا تزال أعلى من كثافة الأغشية الفوقية المتجانسة (حوالي 1010 سم -2، مقارنة بكثافة خلع أساسية صفر في الأفلام الفوقية السيليكونية أو الأغشية المتجانسة زرنيخيد الغاليوم، أو بين 102 و104 سم). 2). تقلل كثافة الخلل الأعلى من حركة الناقل، وبالتالي تقصير عمر الناقل الأقلية وتقليل التوصيل الحراري، وكل ذلك سيقلل من أداء الجهاز [4]؛
✔ معامل التمدد الحراري للياقوت أكبر من معامل الجاليوم، لذلك سيتم توليد إجهاد ضغط ثنائي المحور في الطبقة الفوقية أثناء عملية التبريد من درجة حرارة الترسيب إلى درجة حرارة الغرفة. بالنسبة للأفلام الفوقي السميكة، قد يتسبب هذا الضغط في تشقق الفيلم أو حتى الركيزة؛
✔ بالمقارنة مع الركائز الأخرى، فإن التوصيل الحراري لركائز الياقوت أقل (حوالي 0.25 وات*سم-1*ك-1 عند 100 درجة مئوية)، وأداء تبديد الحرارة ضعيف؛
✔ نظرًا لضعف توصيلها، فإن ركائز الياقوت لا تساعد على تكاملها وتطبيقها مع أجهزة أشباه الموصلات الأخرى.
على الرغم من أن كثافة العيوب في الطبقات الفوقية GaN المزروعة على ركائز الياقوت مرتفعة، إلا أنه لا يبدو أنها تقلل بشكل كبير من الأداء الإلكتروني البصري لمصابيح LED ذات اللون الأزرق والأخضر المستندة إلى GaN، لذلك لا تزال ركائز الياقوت ركائز شائعة الاستخدام لمصابيح LED المستندة إلى GaN.
مع تطور المزيد من التطبيقات الجديدة لأجهزة GaN مثل الليزر أو غيرها من أجهزة الطاقة عالية الكثافة، أصبحت العيوب الكامنة في ركائز الياقوت بشكل متزايد بمثابة قيود على تطبيقها. بالإضافة إلى ذلك، مع تطور تقنية نمو الركيزة SiC، وخفض التكلفة ونضج تقنية GaN الفوقي على ركائز Si، أظهرت المزيد من الأبحاث حول نمو الطبقات الفوقية GaN على ركائز الياقوت تدريجيًا اتجاهًا للتبريد.
GaN epitaxy على SiC
بالمقارنة مع الياقوت، فإن ركائز SiC (بلورات 4H و6H) لديها عدم تطابق شبكي أصغر مع الطبقات الفوقي GaN (3.1%، أي ما يعادل [0001] الأفلام الفوقي الموجهة)، وموصلية حرارية أعلى (حوالي 3.8W*cm-1*K) -1)، إلخ. بالإضافة إلى ذلك، تسمح موصلية ركائز SiC أيضًا بإجراء اتصالات كهربائية على الجزء الخلفي من الركيزة، مما يساعد على تبسيط بنية الجهاز. لقد اجتذب وجود هذه المزايا المزيد والمزيد من الباحثين للعمل على تنضيد GaN على ركائز كربيد السيليكون.
ومع ذلك، فإن العمل مباشرة على ركائز SiC لتجنب نمو طبقات الجاليوم Epilayers يواجه أيضًا سلسلة من العيوب، بما في ذلك ما يلي:
✔ خشونة سطح ركائز SiC أعلى بكثير من ركائز الياقوت (خشونة الياقوت 0.1 نانومتر RMS، خشونة SiC 1 نانومتر RMS)، تتمتع ركائز SiC بصلابة عالية وأداء معالجة ضعيف، وهذه الخشونة وأضرار التلميع المتبقية هي أيضًا واحدة من عوامل مصادر العيوب في طبقات GaN.
✔ كثافة خلع المسمار لركائز SiC عالية (كثافة الخلع 103-104 سم -2)، وقد تنتشر خلع المسمار إلى طبقة GaN epilayer وتقلل من أداء الجهاز؛
✔ يؤدي الترتيب الذري على سطح الركيزة إلى تكوين أخطاء التراص (BSFs) في طبقة GaN epilayer. بالنسبة لـ GaN الفوقي على ركائز SiC، هناك العديد من أوامر الترتيب الذري المحتملة على الركيزة، مما يؤدي إلى ترتيب تراص ذري أولي غير متناسق لطبقة GaN الفوقي عليها، والتي تكون عرضة لأخطاء التراص. تقدم أخطاء التراص (SFs) مجالات كهربائية مدمجة على طول المحور c، مما يؤدي إلى مشاكل مثل تسرب أجهزة فصل الموجة الحاملة داخل الطائرة؛
✔ معامل التمدد الحراري لركيزة SiC أصغر من AlN وGaN، مما يسبب تراكم الضغط الحراري بين الطبقة الفوقية والركيزة أثناء عملية التبريد. توقع Waltereit وBrand بناءً على نتائج أبحاثهما أنه يمكن تخفيف هذه المشكلة أو حلها عن طريق زراعة طبقات GaN الفوقية على طبقات نواة AlN رقيقة ومتوترة بشكل متماسك؛
✔ مشكلة ضعف قابلية التبلل لذرات الجا. عند زراعة طبقات GaN الفوقي مباشرة على سطح SiC، نظرًا لضعف قابلية البلل بين الذرتين، يكون GaN عرضة لنمو جزيرة ثلاثية الأبعاد على سطح الركيزة. يعد تقديم الطبقة العازلة هو الحل الأكثر استخدامًا لتحسين جودة المواد الفوقي في الفوقي GaN. يمكن أن يؤدي إدخال طبقة عازلة AlN أو AlxGa1-xN إلى تحسين قابلية بلل سطح SiC بشكل فعال وجعل الطبقة الفوقية GaN تنمو في بعدين. بالإضافة إلى ذلك، يمكنه أيضًا تنظيم الضغط ومنع عيوب الركيزة من التوسع إلى منطقة GaN epitaxy؛
✔ تكنولوجيا تحضير ركائز SiC غير ناضجة، وتكلفة الركيزة مرتفعة، وهناك عدد قليل من الموردين وقليل من العرض.
يُظهر بحث توريس وآخرون أن حفر الركيزة SiC باستخدام H2 عند درجة حرارة عالية (1600 درجة مئوية) قبل النضوج يمكن أن ينتج بنية متدرجة أكثر ترتيبًا على سطح الركيزة، وبالتالي الحصول على فيلم AlN الفوقي عالي الجودة مقارنةً بما يحدث عندما يتم نقشه مباشرة. نمت على سطح الركيزة الأصلي. يُظهر بحث Xie وفريقه أيضًا أن المعالجة المسبقة للحفر على ركيزة كربيد السيليكون يمكن أن تحسن بشكل كبير شكل السطح والجودة البلورية للطبقة الفوقية من GaN. سميث وآخرون. وجد أن خلع الخيوط الناشئ عن الطبقة الركيزة/الطبقة العازلة والطبقة العازلة/واجهات الطبقة الفوقية ترتبط بتسطيح الركيزة [5].
الشكل 4: مورفولوجيا TEM لعينات الطبقة الفوقية من GaN المزروعة على الركيزة 6H-SiC (0001) في ظل ظروف معالجة سطحية مختلفة (أ) التنظيف الكيميائي ؛ (ب) التنظيف الكيميائي + معالجة بلازما الهيدروجين؛ (ج) التنظيف الكيميائي + معالجة بلازما الهيدروجين + المعالجة الحرارية بالهيدروجين بدرجة حرارة 1300 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة
رعية GaN على Si
بالمقارنة مع كربيد السيليكون والياقوت والركائز الأخرى، فإن عملية تحضير ركيزة السيليكون ناضجة، ويمكن أن توفر بشكل ثابت ركائز كبيرة الحجم ناضجة بأداء عالي التكلفة. في الوقت نفسه، الموصلية الحرارية والتوصيل الكهربائي جيدة، وعملية الجهاز الإلكتروني Si ناضجة. إن إمكانية الدمج التام لأجهزة GaN الإلكترونية الضوئية مع الأجهزة الإلكترونية Si في المستقبل تجعل أيضًا نمو GaN epitaxy على السيليكون جذابًا للغاية.
ومع ذلك، نظرًا للاختلاف الكبير في ثوابت الشبكة بين ركيزة Si ومادة GaN، فإن التنقيح غير المتجانس لـ GaN على ركيزة Si هو تنقيح نموذجي كبير غير متطابق، ويحتاج أيضًا إلى مواجهة سلسلة من المشكلات:
✔مشكلة في طاقة الواجهة السطحية. عندما ينمو GaN على ركيزة Si، سيتم أولاً نيترة سطح الركيزة Si لتشكيل طبقة نيتريد السيليكون غير المتبلورة التي لا تساعد على نواة ونمو GaN عالي الكثافة. بالإضافة إلى ذلك، سيتصل سطح Si أولاً بـ Ga، مما سيؤدي إلى تآكل سطح الركيزة Si. عند درجات الحرارة المرتفعة، سوف ينتشر تحلل سطح Si إلى الطبقة الفوقية من GaN لتكوين بقع سيليكون سوداء.
✔ عدم التطابق الثابت للشبكة بين GaN وSi كبير (حوالي 17%)، مما سيؤدي إلى تكوين خلع خيوط عالي الكثافة ويقلل بشكل كبير من جودة الطبقة الفوقي؛
✔ بالمقارنة مع Si، فإن GaN لديه معامل تمدد حراري أكبر (معامل التمدد الحراري لـ GaN يبلغ حوالي 5.6×10-6K-1، ومعامل التمدد الحراري لـ Si حوالي 2.6×10-6K-1)، وقد تتولد شقوق في GaN الطبقة الفوقي أثناء تبريد درجة الحرارة الفوقي إلى درجة حرارة الغرفة؛
✔ يتفاعل Si مع NH3 عند درجات حرارة عالية لتكوين SiNx متعدد البلورات. لا يمكن لـ AlN أن يشكل نواة ذات توجه تفضيلي على SiNx متعدد البلورات، مما يؤدي إلى اتجاه غير منتظم لطبقة GaN المزروعة لاحقًا وعدد كبير من العيوب، مما يؤدي إلى ضعف الجودة البلورية للطبقة الفوقية GaN، وحتى صعوبة في تكوين طبقة بلورية واحدة طبقة الجاليوم الفوقي [6].
من أجل حل مشكلة عدم تطابق الشبكة الكبيرة، حاول الباحثون إدخال مواد مثل AlAs، وGaAs، وAlN، وGaN، وZnO، وSiC كطبقات عازلة على ركائز Si. من أجل تجنب تكوين SiNx متعدد البلورات وتقليل آثاره الضارة على الجودة البلورية لمواد GaN/AlN/Si (111)، عادةً ما يلزم إدخال TMAl لفترة زمنية معينة قبل النمو الفوقي للطبقة العازلة AlN لمنع NH3 من التفاعل مع سطح Si المكشوف لتكوين SiNx. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام التقنيات الفوقي مثل تقنية الركيزة المنقوشة لتحسين جودة الطبقة الفوقي. يساعد تطوير هذه التقنيات على منع تكوين SiNx في الواجهة الفوقي، وتعزيز النمو ثنائي الأبعاد للطبقة الفوقي GaN، وتحسين جودة نمو الطبقة الفوقي. بالإضافة إلى ذلك، تم تقديم طبقة عازلة AlN للتعويض عن إجهاد الشد الناتج عن الاختلاف في معاملات التمدد الحراري لتجنب التشققات في الطبقة الفوقية GaN على ركيزة السيليكون. يُظهر بحث كروست أن هناك علاقة إيجابية بين سمك الطبقة العازلة AlN وانخفاض الضغط. عندما يصل سمك الطبقة العازلة إلى 12 نانومتر، يمكن زراعة طبقة فوقية أكثر سمكًا من 6 ميكرومتر على ركيزة سيليكون من خلال مخطط نمو مناسب دون تشقق الطبقة الفوقية.
بعد جهود طويلة الأمد من قبل الباحثين، تم تحسين جودة الطبقات الفوقية من GaN المزروعة على ركائز السيليكون بشكل كبير، وحققت أجهزة مثل ترانزستورات التأثير الميداني، وكاشفات الأشعة فوق البنفسجية بحاجز شوتكي، ومصابيح LED الزرقاء والخضراء، وأشعة الليزر فوق البنفسجية تقدمًا كبيرًا.
باختصار، نظرًا لأن الركائز الفوقي GaN شائعة الاستخدام كلها عبارة عن طبقة غير متجانسة، فإنها جميعًا تواجه مشكلات شائعة مثل عدم تطابق الشبكة والاختلافات الكبيرة في معاملات التمدد الحراري بدرجات متفاوتة. إن ركائز GaN الفوقي المتجانسة محدودة بنضج التكنولوجيا، ولم يتم إنتاج الركائز بكميات كبيرة بعد. تكلفة الإنتاج مرتفعة، وحجم الركيزة صغير، وجودة الركيزة ليست مثالية. لا يزال تطوير ركائز GaN الفوقي الجديدة وتحسين الجودة الفوقي أحد العوامل المهمة التي تقيد التطوير الإضافي لصناعة GaN الفوقي.
رابعا. الطرق الشائعة لـ GaN epitaxy
MOCVD (ترسيب البخار الكيميائي)
يبدو أن النضوج المتجانس على ركائز GaN هو الخيار الأفضل لنضوب GaN. ومع ذلك، نظرًا لأن سلائف ترسيب البخار الكيميائي هي ثلاثي ميثيل الغاليوم والأمونيا، والغاز الحامل هو الهيدروجين، فإن درجة حرارة نمو MOCVD النموذجية تبلغ حوالي 1000-1100 درجة مئوية، ويبلغ معدل نمو MOCVD حوالي بضعة ميكرونات في الساعة. يمكن أن تنتج واجهات شديدة الانحدار على المستوى الذري، وهي مناسبة جدًا لنمو الوصلات غير المتجانسة، والآبار الكمومية، والشبكات الفائقة وغيرها من الهياكل. إن معدل نموها السريع، وتوحيدها الجيد، وملاءمتها للنمو على مساحة كبيرة ومتعددة القطع غالبًا ما تستخدم في الإنتاج الصناعي.
MBE (نضوج الشعاع الجزيئي)
في تنضيد الشعاع الجزيئي، يستخدم Ga مصدرًا عنصريًا، ويتم الحصول على النيتروجين النشط من النيتروجين من خلال بلازما الترددات اللاسلكية. بالمقارنة مع طريقة MOCVD، فإن درجة حرارة نمو MBE أقل بحوالي 350-400 درجة مئوية. يمكن أن تؤدي درجة حرارة النمو المنخفضة إلى تجنب بعض التلوث الذي قد يكون سببه البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة. يعمل نظام MBE في ظل فراغ عالي جدًا، مما يسمح له بدمج المزيد من طرق الكشف في الموقع. وفي الوقت نفسه، لا يمكن مقارنة معدل نموها وقدرتها الإنتاجية بـ MOCVD، وهي أكثر استخدامًا في البحث العلمي [7].
الشكل 5: (أ) تخطيطي Eiko-MBE (ب) تخطيطي لغرفة التفاعل الرئيسية MBE
طريقة HVPE (نضوج طور بخار الهيدريد)
سلائف طريقة تنضيد طور بخار الهيدريد هي GaCl3 وNH3. ديتشبروم وآخرون. استخدم هذه الطريقة لتنمية طبقة الفوقي من GaN بسمك مئات الميكرونات على سطح ركيزة من الياقوت. في تجربتهم، تمت زراعة طبقة من أكسيد الزنك بين ركيزة الياقوت والطبقة الفوقية كطبقة عازلة، وتم تقشير الطبقة الفوقي من سطح الركيزة. بالمقارنة مع MOCVD وMBE، فإن الميزة الرئيسية لطريقة HVPE هي معدل النمو المرتفع، وهو مناسب لإنتاج الطبقات السميكة والمواد السائبة. ومع ذلك، عندما يتجاوز سمك الطبقة الفوقية 20 ميكرومتر، فإن الطبقة الفوقية المنتجة بهذه الطريقة تكون عرضة للتشققات.
قدم Akira USUI تقنية الركيزة المنقوشة بناءً على هذه الطريقة. قاموا أولاً بزراعة طبقة رقيقة من GaN الفوقي بسمك 1-1.5 ميكرومتر على ركيزة من الياقوت باستخدام طريقة MOCVD. تتكون الطبقة الفوقي من طبقة عازلة GaN بسمك 20 نانومتر تزرع تحت ظروف درجات الحرارة المنخفضة وطبقة GaN تزرع تحت ظروف درجات الحرارة المرتفعة. بعد ذلك، عند درجة حرارة 430 درجة مئوية، تم طلاء طبقة من SiO2 على سطح الطبقة الفوقي، وتم تصنيع خطوط النوافذ على فيلم SiO2 بواسطة الطباعة الحجرية الضوئية. كان تباعد الشريط 7 ميكرومتر وتراوح عرض القناع من 1 ميكرومتر إلى 4 ميكرومتر. بعد هذا التحسن، حصلوا على طبقة الفوقي من GaN على ركيزة من الياقوت بقطر 2 بوصة والتي كانت خالية من الشقوق وناعمة مثل المرآة حتى عندما زاد سمكها إلى عشرات أو حتى مئات الميكرونات. تم تقليل كثافة الخلل من 109-1010 سم-2 بطريقة HVPE التقليدية إلى حوالي 6×107 سم-2. كما أشاروا في التجربة إلى أنه عندما يتجاوز معدل النمو 75 ميكرومتر/ساعة، يصبح سطح العينة خشنًا[8].
الشكل 6: الرسم التخطيطي للركيزة
خامسا: الملخص والتوقعات
بدأت مواد GaN في الظهور في عام 2014 عندما فاز الضوء الأزرق LED بجائزة نوبل في الفيزياء في ذلك العام، ودخل المجال العام لتطبيقات الشحن السريع في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية. في الواقع، ظهرت بهدوء أيضًا التطبيقات في مضخمات الطاقة وأجهزة الترددات اللاسلكية المستخدمة في محطات قاعدة الجيل الخامس والتي لا يستطيع معظم الناس رؤيتها. في السنوات الأخيرة، من المتوقع أن يؤدي اختراق أجهزة الطاقة المعتمدة على سيارات GaN إلى فتح نقاط نمو جديدة لسوق تطبيقات مواد GaN.
من المؤكد أن الطلب الضخم في السوق سيعزز تطوير الصناعات والتقنيات المرتبطة بـ GaN. مع نضج وتحسين السلسلة الصناعية المرتبطة بـ GaN، سيتم في النهاية تحسين أو التغلب على المشكلات التي تواجهها تقنية GaN الفوقية الحالية. في المستقبل، سيعمل الناس بالتأكيد على تطوير المزيد من التقنيات الفوقية الجديدة وخيارات الركيزة الأكثر ممتازة. بحلول ذلك الوقت، سيتمكن الأشخاص من اختيار تكنولوجيا البحث الخارجية والركيزة الأكثر ملاءمة لسيناريوهات التطبيق المختلفة وفقًا لخصائص سيناريوهات التطبيق، وإنتاج المنتجات المخصصة الأكثر تنافسية.
وقت النشر: 28 يونيو 2024