তৃতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর GaN এবং সম্পর্কিত এপিটাক্সিয়াল প্রযুক্তি সংক্ষিপ্ত ভূমিকা

1. তৃতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর

প্রথম প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর প্রযুক্তি সি এবং জি-এর মতো অর্ধপরিবাহী পদার্থের উপর ভিত্তি করে তৈরি করা হয়েছিল। এটি ট্রানজিস্টর এবং ইন্টিগ্রেটেড সার্কিট প্রযুক্তির বিকাশের জন্য উপাদান ভিত্তি। প্রথম প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর উপকরণগুলি 20 শতকে ইলেকট্রনিক শিল্পের ভিত্তি স্থাপন করেছিল এবং এটি ইন্টিগ্রেটেড সার্কিট প্রযুক্তির মৌলিক উপকরণ।

দ্বিতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর উপাদানগুলির মধ্যে প্রধানত গ্যালিয়াম আর্সেনাইড, ইন্ডিয়াম ফসফাইড, গ্যালিয়াম ফসফাইড, ইন্ডিয়াম আর্সেনাইড, অ্যালুমিনিয়াম আর্সেনাইড এবং তাদের ত্রিভুজ যৌগ অন্তর্ভুক্ত। দ্বিতীয় প্রজন্মের অর্ধপরিবাহী উপকরণগুলি অপটোইলেক্ট্রনিক তথ্য শিল্পের ভিত্তি। এই ভিত্তিতে, আলো, প্রদর্শন, লেজার এবং ফটোভোলটাইক্সের মতো সম্পর্কিত শিল্পগুলি তৈরি করা হয়েছে। তারা সমসাময়িক তথ্য প্রযুক্তি এবং অপটোইলেক্ট্রনিক প্রদর্শন শিল্পে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়।

তৃতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর উপকরণগুলির প্রতিনিধিত্বমূলক উপকরণগুলির মধ্যে রয়েছে গ্যালিয়াম নাইট্রাইড এবং সিলিকন কার্বাইড। তাদের বিস্তৃত ব্যান্ড গ্যাপ, উচ্চ ইলেক্ট্রন স্যাচুরেশন ড্রিফ্ট বেগ, উচ্চ তাপ পরিবাহিতা এবং উচ্চ ভাঙ্গন ক্ষেত্রের শক্তির কারণে, তারা উচ্চ-শক্তি ঘনত্ব, উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি এবং কম-ক্ষতির ইলেকট্রনিক ডিভাইস প্রস্তুত করার জন্য আদর্শ উপকরণ। তাদের মধ্যে, সিলিকন কার্বাইড পাওয়ার ডিভাইসগুলির উচ্চ শক্তির ঘনত্ব, কম শক্তি খরচ এবং ছোট আকারের সুবিধা রয়েছে এবং নতুন শক্তির যানবাহন, ফটোভোলটাইক, রেল পরিবহন, বড় ডেটা এবং অন্যান্য ক্ষেত্রে ব্যাপক প্রয়োগের সম্ভাবনা রয়েছে। গ্যালিয়াম নাইট্রাইড আরএফ ডিভাইসগুলির উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সি, উচ্চ শক্তি, প্রশস্ত ব্যান্ডউইথ, কম শক্তি খরচ এবং ছোট আকারের সুবিধা রয়েছে এবং 5G যোগাযোগ, ইন্টারনেট অফ থিংস, সামরিক রাডার এবং অন্যান্য ক্ষেত্রে ব্যাপক প্রয়োগের সম্ভাবনা রয়েছে। এছাড়াও, কম-ভোল্টেজ ক্ষেত্রে গ্যালিয়াম নাইট্রাইড-ভিত্তিক পাওয়ার ডিভাইসগুলি ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়েছে। উপরন্তু, সাম্প্রতিক বছরগুলিতে, উদীয়মান গ্যালিয়াম অক্সাইড উপকরণগুলি বিদ্যমান SiC এবং GaN প্রযুক্তির সাথে প্রযুক্তিগত পরিপূরকতা তৈরি করবে বলে আশা করা হচ্ছে এবং কম-ফ্রিকোয়েন্সি এবং উচ্চ-ভোল্টেজ ক্ষেত্রের সম্ভাব্য প্রয়োগের সম্ভাবনা রয়েছে।

দ্বিতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর ম্যাটেরিয়ালের সাথে তুলনা করে, তৃতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর ম্যাটেরিয়ালের ব্যান্ডগ্যাপ প্রস্থ বেশি (Si এর ব্যান্ডগ্যাপ প্রস্থ, প্রথম প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর ম্যাটেরিয়ালের একটি সাধারণ উপাদান, প্রায় 1.1eV, GaAs এর ব্যান্ডগ্যাপ প্রস্থ, একটি সাধারণ দ্বিতীয় প্রজন্মের অর্ধপরিবাহী উপাদান, সম্পর্কে 1.42eV, এবং GaN-এর ব্যান্ডগ্যাপের প্রস্থ, তৃতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর উপাদানের একটি সাধারণ উপাদান, 2.3eV-এর উপরে), শক্তিশালী বিকিরণ প্রতিরোধ ক্ষমতা, বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের ভাঙ্গনের শক্তিশালী প্রতিরোধ এবং উচ্চ তাপমাত্রার প্রতিরোধ। বৃহত্তর ব্যান্ডগ্যাপ প্রস্থ সহ তৃতীয় প্রজন্মের অর্ধপরিবাহী উপকরণগুলি বিকিরণ-প্রতিরোধী, উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি, উচ্চ-শক্তি এবং উচ্চ-একীকরণ-ঘনত্বের ইলেকট্রনিক ডিভাইসগুলির উত্পাদনের জন্য বিশেষভাবে উপযুক্ত। মাইক্রোওয়েভ রেডিও ফ্রিকোয়েন্সি ডিভাইস, এলইডি, লেজার, পাওয়ার ডিভাইস এবং অন্যান্য ক্ষেত্রগুলিতে তাদের অ্যাপ্লিকেশনগুলি অনেক মনোযোগ আকর্ষণ করেছে এবং তারা মোবাইল যোগাযোগ, স্মার্ট গ্রিড, রেল ট্রানজিট, নতুন শক্তির যানবাহন, ভোক্তা ইলেকট্রনিক্স, এবং অতিবেগুনী এবং নীলে বিস্তৃত বিকাশের সম্ভাবনা দেখিয়েছে। -সবুজ আলো ডিভাইস [1].

ছবির উৎস: CASA, Zheshang Securities Research Institute

চিত্র 1 GaN শক্তি ডিভাইস সময় স্কেল এবং পূর্বাভাস

II GaN উপাদান গঠন এবং বৈশিষ্ট্য

GaN একটি সরাসরি ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর। ঘরের তাপমাত্রায় wurtzite কাঠামোর ব্যান্ডগ্যাপের প্রস্থ প্রায় 3.26eV। GaN উপকরণের তিনটি প্রধান স্ফটিক কাঠামো রয়েছে, যথা wurtzite গঠন, sphalerite গঠন এবং শিলা লবণের গঠন। তাদের মধ্যে, wurtzite গঠন সবচেয়ে স্থিতিশীল স্ফটিক গঠন. চিত্র 2 হল GaN-এর ষড়ভুজ ওর্টজাইট কাঠামোর একটি চিত্র। GaN উপাদানের wurtzite গঠন একটি ষড়ভুজাকার ক্লোজ-প্যাকড কাঠামোর অন্তর্গত। প্রতিটি একক কোষে 12টি পরমাণু রয়েছে, যার মধ্যে 6টি N পরমাণু এবং 6টি Ga পরমাণু রয়েছে। প্রতিটি Ga (N) পরমাণু 4টি নিকটতম N (Ga) পরমাণুর সাথে একটি বন্ধন তৈরি করে এবং ABABAB এর ক্রমানুসারে স্তূপাকার করা হয়... [0001] দিক [2] বরাবর।

চিত্র 2 Wurtzite গঠন GaN ক্রিস্টাল সেল ডায়াগ্রাম

III GaN এপিটাক্সির জন্য সাধারণত ব্যবহৃত সাবস্ট্রেট

মনে হচ্ছে GaN সাবস্ট্রেটের সমজাতীয় এপিটাক্সি হল GaN এপিটাক্সির জন্য সেরা পছন্দ। যাইহোক, GaN এর বৃহৎ বন্ড শক্তির কারণে, যখন তাপমাত্রা 2500℃ এর গলনাঙ্কে পৌঁছায়, তখন এর সংশ্লিষ্ট পচনচাপ প্রায় 4.5GPa হয়। যখন পচন চাপ এই চাপের চেয়ে কম হয়, তখন GaN গলে না কিন্তু সরাসরি পচে যায়। এটি GaN একক ক্রিস্টাল সাবস্ট্রেট তৈরির জন্য সিজোক্রালস্কি পদ্ধতির মতো পরিপক্ক সাবস্ট্রেট তৈরির প্রযুক্তিগুলিকে অনুপযুক্ত করে তোলে, যা GaN সাবস্ট্রেটগুলিকে ভর উৎপাদন করা কঠিন এবং ব্যয়বহুল করে তোলে। অতএব, সাধারণভাবে GaN এপিটাক্সিয়াল বৃদ্ধিতে ব্যবহৃত সাবস্ট্রেটগুলি হল প্রধানত Si, SiC, নীলকান্তমণি, ইত্যাদি। [3]।

চার্ট 3 GaN এবং সাধারণভাবে ব্যবহৃত সাবস্ট্রেট উপকরণের পরামিতি

নীলকান্তমণির উপর GaN এপিটাক্সি

নীলকান্তমণি স্থিতিশীল রাসায়নিক বৈশিষ্ট্য আছে, সস্তা, এবং বড় মাপের উত্পাদন শিল্পের উচ্চ পরিপক্কতা আছে। অতএব, এটি সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইস ইঞ্জিনিয়ারিং-এ প্রাচীনতম এবং সর্বাধিক ব্যবহৃত সাবস্ট্রেট উপকরণগুলির মধ্যে একটি হয়ে উঠেছে। GaN এপিটাক্সির জন্য সাধারণভাবে ব্যবহৃত সাবস্ট্রেটগুলির মধ্যে একটি হিসাবে, নীলকান্তমণি সাবস্ট্রেটগুলির জন্য যে প্রধান সমস্যাগুলি সমাধান করা দরকার তা হল:

✔ নীলকান্তমণি (Al2O3) এবং GaN (প্রায় 15%) এর মধ্যে বড় জালির অমিল থাকার কারণে, এপিটাক্সিয়াল স্তর এবং সাবস্ট্রেটের মধ্যে ইন্টারফেসে ত্রুটির ঘনত্ব খুব বেশি। এর প্রতিকূল প্রভাব কমাতে, এপিটাক্সি প্রক্রিয়া শুরু হওয়ার আগে সাবস্ট্রেটকে জটিল প্রিট্রিটমেন্টের শিকার হতে হবে। স্যাফায়ার সাবস্ট্রেটে GaN এপিটাক্সি বাড়ানোর আগে, দূষিত পদার্থ, অবশিষ্ট পলিশিং ক্ষতি ইত্যাদি অপসারণ করতে এবং ধাপ এবং ধাপের পৃষ্ঠের কাঠামো তৈরি করতে প্রথমে সাবস্ট্রেট পৃষ্ঠকে কঠোরভাবে পরিষ্কার করতে হবে। তারপরে, এপিটাক্সিয়াল স্তরের ভেজা বৈশিষ্ট্যগুলি পরিবর্তন করতে সাবস্ট্রেট পৃষ্ঠকে নাইট্রাইড করা হয়। অবশেষে, একটি পাতলা AlN বাফার স্তর (সাধারণত 10-100nm পুরু) স্তরের পৃষ্ঠে জমা করতে হবে এবং চূড়ান্ত এপিটাক্সিয়াল বৃদ্ধির জন্য প্রস্তুত করতে কম তাপমাত্রায় অ্যানিল করতে হবে। তা সত্ত্বেও, নীলকান্তমণি সাবস্ট্রেটে উত্থিত GaN এপিটাক্সিয়াল ফিল্মের স্থানচ্যুতি ঘনত্ব এখনও হোমোইপিটাক্সিয়াল ফিল্মের তুলনায় বেশি (প্রায় 1010 সেমি-2, সিলিকন হোমোপিটাক্সিয়াল ফিল্মগুলিতে শূন্য স্থানচ্যুতি ঘনত্বের তুলনায় বা গ্যালিয়াম আর্সেনাইড হোমোইপিটাক্সিয়াল ফিল্ম 01 এবং 201 সেমি, 2)। উচ্চতর ত্রুটির ঘনত্ব ক্যারিয়ারের গতিশীলতা হ্রাস করে, যার ফলে সংখ্যালঘু বাহকের জীবনকাল সংক্ষিপ্ত হয় এবং তাপ পরিবাহিতা হ্রাস পায়, যার সবকটি ডিভাইসের কর্মক্ষমতা হ্রাস করবে [৪];

✔ নীলকান্তমণির তাপীয় প্রসারণ সহগ GaN এর চেয়ে বেশি, তাই জমা তাপমাত্রা থেকে ঘরের তাপমাত্রায় শীতল হওয়ার প্রক্রিয়া চলাকালীন এপিটাক্সিয়াল স্তরে দ্বি-অক্ষীয় সংকোচনশীল চাপ তৈরি হবে। মোটা এপিটাক্সিয়াল ফিল্মের জন্য, এই চাপ ফিল্ম বা এমনকি সাবস্ট্রেটের ফাটল সৃষ্টি করতে পারে;

✔ অন্যান্য সাবস্ট্রেটের সাথে তুলনা করে, স্যাফায়ার সাবস্ট্রেটের তাপ পরিবাহিতা কম (প্রায় 0.25W*cm-1*K-1 100℃) এবং তাপ অপচয়ের কার্যকারিতা খারাপ;

✔ এর দুর্বল পরিবাহিতার কারণে, নীলকান্তমণি সাবস্ট্রেটগুলি অন্যান্য সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসের সাথে তাদের একীকরণ এবং প্রয়োগের জন্য অনুকূল নয়।

যদিও স্যাফায়ার সাবস্ট্রেটে উত্থিত GaN এপিটাক্সিয়াল স্তরগুলির ত্রুটির ঘনত্ব বেশি, এটি GaN-ভিত্তিক নীল-সবুজ LED-এর অপটোইলেক্ট্রনিক কর্মক্ষমতাকে উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস করে বলে মনে হয় না, তাই স্যাফায়ার সাবস্ট্রেটগুলি এখনও সাধারণভাবে GaN-ভিত্তিক LED-এর জন্য ব্যবহৃত সাবস্ট্রেট।

লেজার বা অন্যান্য উচ্চ-ঘনত্বের শক্তি ডিভাইসের মতো GaN ডিভাইসগুলির আরও নতুন অ্যাপ্লিকেশনগুলির বিকাশের সাথে, নীলকান্তমণিগুলির অন্তর্নিহিত ত্রুটিগুলি ক্রমবর্ধমানভাবে তাদের প্রয়োগের সীমাবদ্ধতা হয়ে উঠেছে। উপরন্তু, SiC সাবস্ট্রেট গ্রোথ টেকনোলজি, খরচ কমানো এবং Si সাবস্ট্রেটে GaN এপিটাক্সিয়াল টেকনোলজির পরিপক্বতার সাথে, নীলকান্তমণিগুলির উপর GaN এপিটাক্সিয়াল স্তর বৃদ্ধির বিষয়ে আরও গবেষণা ধীরে ধীরে একটি শীতল প্রবণতা দেখিয়েছে।

SiC-তে GaN এপিটাক্সি

নীলকান্তমণির সাথে তুলনা করে, SiC সাবস্ট্রেটের (4H- এবং 6H-ক্রিস্টাল) GaN এপিটাক্সিয়াল স্তরগুলির সাথে একটি ছোট জালির অমিল রয়েছে (3.1%, [0001] ওরিয়েন্টেড এপিটাক্সিয়াল ফিল্মের সমতুল্য), উচ্চ তাপ পরিবাহিতা (প্রায় 3.8W*cm-1*K) -1), ইত্যাদি। উপরন্তু, SiC সাবস্ট্রেটের পরিবাহিতাও অনুমতি দেয় বৈদ্যুতিক যোগাযোগগুলি সাবস্ট্রেটের পিছনে তৈরি করা হবে, যা ডিভাইসের কাঠামোকে সরল করতে সহায়তা করে। এই সুবিধাগুলির অস্তিত্ব সিলিকন কার্বাইড সাবস্ট্রেটগুলিতে GaN এপিটাক্সিতে কাজ করার জন্য আরও বেশি সংখ্যক গবেষককে আকৃষ্ট করেছে।

যাইহোক, ক্রমবর্ধমান GaN এপিলেয়ার এড়াতে সরাসরি SiC সাবস্ট্রেটগুলিতে কাজ করাও নিম্নলিখিতগুলি সহ বিভিন্ন অসুবিধার সম্মুখীন হয়:

✔ SiC সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠের রুক্ষতা নীলকান্তমণি সাবস্ট্রেটের তুলনায় অনেক বেশি (স্যাফায়ার রুক্ষতা 0.1nm RMS, SiC রুক্ষতা 1nm RMS), SiC সাবস্ট্রেটের উচ্চ কঠোরতা এবং দুর্বল প্রক্রিয়াকরণ কর্মক্ষমতা রয়েছে এবং এই রুক্ষতা এবং অবশিষ্ট পলিশিং ক্ষতিও অন্যতম। GaN এপিলেয়ারে ত্রুটির উৎস।

✔ SiC সাবস্ট্রেটগুলির স্ক্রু স্থানচ্যুতি ঘনত্ব বেশি (স্থানচ্যুতি ঘনত্ব 103-104cm-2), স্ক্রু স্থানচ্যুতিগুলি GaN এপিলেয়ারে প্রচারিত হতে পারে এবং ডিভাইসের কার্যকারিতা হ্রাস করতে পারে;

✔ সাবস্ট্রেট পৃষ্ঠের পারমাণবিক বিন্যাস GaN এপিলেয়ারে স্ট্যাকিং ফল্ট (BSFs) গঠনে প্ররোচিত করে। SiC সাবস্ট্রেটের এপিটাক্সিয়াল GaN-এর জন্য, সাবস্ট্রেটের উপর একাধিক সম্ভাব্য পারমাণবিক বিন্যাসের আদেশ রয়েছে, যার ফলে এটিতে থাকা এপিটাক্সিয়াল GaN স্তরের অসামঞ্জস্যপূর্ণ প্রাথমিক পারমাণবিক স্ট্যাকিং অর্ডার রয়েছে, যা স্ট্যাকিং ফল্টের প্রবণতা রয়েছে। স্ট্যাকিং ফল্ট (SFs) সি-অক্ষ বরাবর অন্তর্নির্মিত বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র প্রবর্তন করে, যার ফলে বিমানের ক্যারিয়ার বিভাজন ডিভাইসের ফুটো হওয়ার মতো সমস্যা হয়;

✔ SiC সাবস্ট্রেটের তাপীয় প্রসারণ সহগ AlN এবং GaN এর চেয়ে ছোট, যা শীতল প্রক্রিয়া চলাকালীন এপিটাক্সিয়াল স্তর এবং স্তরের মধ্যে তাপীয় চাপ সঞ্চয় করে। Waltereit এবং ব্র্যান্ড তাদের গবেষণার ফলাফলের উপর ভিত্তি করে ভবিষ্যদ্বাণী করেছেন যে এই সমস্যাটি পাতলা, সুসংগতভাবে স্ট্রেনযুক্ত AlN নিউক্লিয়েশন স্তরগুলিতে ক্রমবর্ধমান GaN এপিটাক্সিয়াল স্তরগুলি দ্বারা উপশম বা সমাধান করা যেতে পারে;

✔ গা পরমাণুর দুর্বল আর্দ্রতার সমস্যা। GaN এপিটাক্সিয়াল স্তরগুলিকে সরাসরি SiC পৃষ্ঠে বৃদ্ধি করার সময়, দুটি পরমাণুর মধ্যে দুর্বল আর্দ্রতার কারণে, GaN সাবস্ট্রেট পৃষ্ঠে 3D দ্বীপ বৃদ্ধির ঝুঁকিতে পড়ে। GaN এপিটাক্সিতে এপিটাক্সিয়াল উপকরণের গুণমান উন্নত করার জন্য একটি বাফার স্তর প্রবর্তন হল সবচেয়ে বেশি ব্যবহৃত সমাধান। একটি AlN বা AlxGa1-xN বাফার স্তর প্রবর্তন কার্যকরভাবে SiC পৃষ্ঠের আর্দ্রতা উন্নত করতে পারে এবং GaN এপিটাক্সিয়াল স্তরটিকে দুটি মাত্রায় বৃদ্ধি করতে পারে। উপরন্তু, এটি স্ট্রেস নিয়ন্ত্রণ করতে পারে এবং সাবস্ট্রেটের ত্রুটিগুলিকে GaN এপিটাক্সি পর্যন্ত প্রসারিত হতে বাধা দিতে পারে;

✔ SiC সাবস্ট্রেটের প্রস্তুতির প্রযুক্তি অপরিপক্ব, সাবস্ট্রেটের খরচ বেশি, এবং অল্প সরবরাহকারী এবং সামান্য সরবরাহ রয়েছে।

টরেস এট আল.-এর গবেষণা দেখায় যে এপিটাক্সির আগে উচ্চ তাপমাত্রায় (1600°C) SiC সাবস্ট্রেটকে H2 দিয়ে এচিং করলে সাবস্ট্রেট পৃষ্ঠে আরও বেশি ক্রমানুসারে ধাপের কাঠামো তৈরি করা যায়, যার ফলে এটি সরাসরি হওয়ার চেয়ে উচ্চ মানের AlN এপিটাক্সিয়াল ফিল্ম পাওয়া যায়। মূল সাবস্ট্রেট পৃষ্ঠে জন্মায়। Xie এবং তার দলের গবেষণা আরও দেখায় যে সিলিকন কার্বাইড সাবস্ট্রেটের এচিং প্রিট্রিটমেন্ট GN এপিটাক্সিয়াল স্তরের পৃষ্ঠের আকারবিদ্যা এবং স্ফটিক গুণমানকে উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত করতে পারে। স্মিথ এট আল। পাওয়া গেছে যে সাবস্ট্রেট/বাফার লেয়ার এবং বাফার লেয়ার/এপিটাক্সিয়াল লেয়ার ইন্টারফেস থেকে উদ্ভূত থ্রেডিং ডিসলোকেশনগুলি সাবস্ট্রেটের সমতলতার সাথে সম্পর্কিত [৫]।

চিত্র 4 বিভিন্ন পৃষ্ঠ চিকিত্সা অবস্থার অধীনে 6H-SiC সাবস্ট্রেট (0001) এ উত্থিত GaN এপিটাক্সিয়াল স্তরের নমুনার TEM রূপবিদ্যা (a) রাসায়নিক পরিষ্কার; (খ) রাসায়নিক পরিষ্কার + হাইড্রোজেন প্লাজমা চিকিত্সা; (c) রাসায়নিক পরিষ্কার + হাইড্রোজেন প্লাজমা চিকিত্সা + 1300℃ হাইড্রোজেন তাপ চিকিত্সা 30 মিনিটের জন্য

Si এর উপর GaN এপিটাক্সি

সিলিকন কার্বাইড, নীলকান্তমণি এবং অন্যান্য সাবস্ট্রেটের সাথে তুলনা করে, সিলিকন সাবস্ট্রেট প্রস্তুতির প্রক্রিয়াটি পরিপক্ক, এবং এটি স্থিরভাবে উচ্চ খরচের কর্মক্ষমতা সহ পরিপক্ক বড় আকারের স্তরগুলি প্রদান করতে পারে। একই সময়ে, তাপ পরিবাহিতা এবং বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা ভাল, এবং Si ইলেকট্রনিক ডিভাইস প্রক্রিয়া পরিপক্ক। ভবিষ্যতে Si ইলেকট্রনিক ডিভাইসের সাথে অপটোইলেক্ট্রনিক GaN ডিভাইসগুলিকে পুরোপুরি একীভূত করার সম্ভাবনাও সিলিকনে GaN এপিটাক্সির বৃদ্ধিকে খুব আকর্ষণীয় করে তোলে।

যাইহোক, Si সাবস্ট্রেট এবং GaN উপাদানের মধ্যে জালির ধ্রুবকগুলির মধ্যে বড় পার্থক্যের কারণে, Si সাবস্ট্রেটে GaN এর ভিন্নধর্মী এপিটাক্সি একটি সাধারণ বৃহৎ অমিল এপিটাক্সি, এবং এটিকে একাধিক সমস্যার সম্মুখীন হতে হবে:

✔ সারফেস ইন্টারফেস শক্তি সমস্যা। যখন GaN একটি Si সাবস্ট্রেটে বৃদ্ধি পায়, তখন Si সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠটি প্রথমে একটি নিরাকার সিলিকন নাইট্রাইড স্তর তৈরি করতে নাইট্রাইডেড হবে যা উচ্চ-ঘনত্বের GaN এর নিউক্লিয়েশন এবং বৃদ্ধির জন্য সহায়ক নয়। এছাড়াও, Si পৃষ্ঠটি প্রথমে Ga-এর সাথে যোগাযোগ করবে, যা Si স্তরের পৃষ্ঠকে ক্ষয় করবে। উচ্চ তাপমাত্রায়, Si পৃষ্ঠের পচন কালো সিলিকন দাগ তৈরির জন্য GaN এপিটাক্সিয়াল স্তরে ছড়িয়ে পড়বে।

✔ GaN এবং Si-এর মধ্যে জালির ধ্রুবক অমিল বড় (~17%), যা উচ্চ-ঘনত্বের থ্রেডিং ডিসলোকেশন গঠনের দিকে পরিচালিত করবে এবং এপিটাক্সিয়াল স্তরের গুণমানকে উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস করবে;

✔ Si এর সাথে তুলনা করে, GaN এর একটি বৃহত্তর তাপীয় সম্প্রসারণ সহগ রয়েছে (GaN এর তাপ সম্প্রসারণ সহগ প্রায় 5.6×10-6K-1, Si এর তাপ সম্প্রসারণ সহগ প্রায় 2.6×10-6K-1), এবং GaN-এ ফাটল তৈরি হতে পারে এপিটাক্সিয়াল স্তর শীতল হওয়ার সময় এপিটাক্সিয়াল তাপমাত্রা ঘরে তাপমাত্রা;

✔ Si উচ্চ তাপমাত্রায় NH3 এর সাথে বিক্রিয়া করে পলিক্রিস্টালাইন SiNx গঠন করে। AlN পলিক্রিস্টালাইন SiNx-এর উপর একটি অগ্রাধিকারভিত্তিক নিউক্লিয়াস গঠন করতে পারে না, যা পরবর্তীকালে বেড়ে ওঠা GaN স্তরের একটি বিশৃঙ্খল অভিযোজন এবং প্রচুর পরিমাণে ত্রুটির দিকে পরিচালিত করে, যার ফলে GaN এপিটাক্সিয়াল স্তরের ক্রিস্টাল গুণমান খারাপ হয় এবং এমনকি একটি একক-স্ফটিক গঠনে অসুবিধা হয়। GaN এপিটাক্সিয়াল স্তর [6]।

বড় জালির অমিলের সমস্যা সমাধানের জন্য, গবেষকরা Si সাবস্ট্রেটগুলিতে বাফার স্তর হিসাবে AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO এবং SiC এর মতো উপকরণগুলি প্রবর্তন করার চেষ্টা করেছেন। পলিক্রিস্টালাইন SiNx এর গঠন এড়াতে এবং GaN/AlN/Si (111) উপকরণের স্ফটিক মানের উপর এর বিরূপ প্রভাব কমাতে, TML সাধারণত AlN বাফার স্তরের এপিটাক্সিয়াল বৃদ্ধির আগে একটি নির্দিষ্ট সময়ের জন্য চালু করা প্রয়োজন। উন্মুক্ত Si পৃষ্ঠের সাথে প্রতিক্রিয়া করে SiNx গঠন করা থেকে NH3 প্রতিরোধ করতে। উপরন্তু, এপিটাক্সিয়াল প্রযুক্তি যেমন প্যাটার্নযুক্ত সাবস্ট্রেট প্রযুক্তি এপিটাক্সিয়াল স্তরের গুণমান উন্নত করতে ব্যবহার করা যেতে পারে। এই প্রযুক্তিগুলির বিকাশ এপিটাক্সিয়াল ইন্টারফেসে SiNx গঠনে বাধা দিতে, GaN এপিটাক্সিয়াল স্তরের দ্বি-মাত্রিক বৃদ্ধিকে উন্নীত করতে এবং এপিটাক্সিয়াল স্তরের বৃদ্ধির গুণমান উন্নত করতে সহায়তা করে। উপরন্তু, সিলিকন সাবস্ট্রেটের GaN এপিটাক্সিয়াল স্তরে ফাটল এড়াতে তাপীয় সম্প্রসারণ সহগগুলির পার্থক্যের কারণে সৃষ্ট প্রসার্য চাপের ক্ষতিপূরণের জন্য একটি AlN বাফার স্তর চালু করা হয়। ক্রোস্টের গবেষণা দেখায় যে AlN বাফার স্তরের পুরুত্ব এবং স্ট্রেন হ্রাসের মধ্যে একটি ইতিবাচক সম্পর্ক রয়েছে। যখন বাফার স্তরের পুরুত্ব 12nm এ পৌঁছায়, তখন 6μm-এর চেয়ে পুরু একটি এপিটাক্সিয়াল স্তর একটি সিলিকন সাবস্ট্রেটে একটি উপযুক্ত গ্রোথ স্কিমের মাধ্যমে এপিটাক্সিয়াল স্তর ক্র্যাকিং ছাড়াই জন্মানো যেতে পারে।

গবেষকদের দীর্ঘমেয়াদী প্রচেষ্টার পর, সিলিকন সাবস্ট্রেটে উত্থিত GaN এপিটাক্সিয়াল স্তরগুলির গুণমান উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত হয়েছে, এবং ফিল্ড ইফেক্ট ট্রানজিস্টর, স্কোটকি বাধা আল্ট্রাভায়োলেট ডিটেক্টর, নীল-সবুজ এলইডি এবং অতিবেগুনী লেজারের মতো ডিভাইসগুলি উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি করেছে।

সংক্ষেপে, যেহেতু সাধারণভাবে ব্যবহৃত GaN এপিটাক্সিয়াল সাবস্ট্রেটগুলি সমস্ত ভিন্নধর্মী এপিটাক্সি, তাই তারা সকলেই সাধারণ সমস্যার মুখোমুখি হয় যেমন জালির অমিল এবং তাপ সম্প্রসারণ সহগগুলির মধ্যে বিভিন্ন ডিগ্রীতে বড় পার্থক্য। সমজাতীয় এপিটাক্সিয়াল GaN সাবস্ট্রেটগুলি প্রযুক্তির পরিপক্কতার দ্বারা সীমাবদ্ধ, এবং সাবস্ট্রেটগুলি এখনও ব্যাপকভাবে উত্পাদিত হয়নি। উৎপাদন খরচ বেশি, সাবস্ট্রেটের আকার ছোট এবং সাবস্ট্রেটের মান আদর্শ নয়। নতুন GaN এপিটাক্সিয়াল সাবস্ট্রেটগুলির বিকাশ এবং এপিটাক্সিয়াল মানের উন্নতি এখনও একটি গুরুত্বপূর্ণ কারণ যা GaN এপিটাক্সিয়াল শিল্পের আরও বিকাশকে সীমাবদ্ধ করে।

IV GaN এপিটাক্সির জন্য সাধারণ পদ্ধতি

MOCVD (রাসায়নিক বাষ্প জমা)

মনে হচ্ছে GaN সাবস্ট্রেটের সমজাতীয় এপিটাক্সি হল GaN এপিটাক্সির জন্য সেরা পছন্দ। যাইহোক, যেহেতু রাসায়নিক বাষ্প জমার পূর্বসূরি হল ট্রাইমিথাইলগ্যালিয়াম এবং অ্যামোনিয়া, এবং বাহক গ্যাস হল হাইড্রোজেন, তাই সাধারণ MOCVD বৃদ্ধির তাপমাত্রা প্রায় 1000-1100℃, এবং MOCVD-এর বৃদ্ধির হার প্রায় কয়েক মাইক্রন প্রতি ঘন্টা। এটি পারমাণবিক স্তরে খাড়া ইন্টারফেস তৈরি করতে পারে, যা ক্রমবর্ধমান হেটারোজাংশন, কোয়ান্টাম ওয়েল, সুপারল্যাটিস এবং অন্যান্য কাঠামোর জন্য খুব উপযুক্ত। এর দ্রুত বৃদ্ধির হার, ভালো অভিন্নতা এবং বৃহৎ এলাকা এবং বহু-টুকরো বৃদ্ধির জন্য উপযুক্ততা প্রায়ই শিল্প উৎপাদনে ব্যবহৃত হয়।
MBE (আণবিক মরীচি এপিটাক্সি)
আণবিক মরীচি এপিটাক্সিতে, Ga একটি মৌলিক উৎস ব্যবহার করে এবং সক্রিয় নাইট্রোজেন RF প্লাজমার মাধ্যমে নাইট্রোজেন থেকে প্রাপ্ত হয়। MOCVD পদ্ধতির সাথে তুলনা করে, MBE বৃদ্ধির তাপমাত্রা প্রায় 350-400℃ কম। নিম্ন বৃদ্ধির তাপমাত্রা কিছু দূষণ এড়াতে পারে যা উচ্চ তাপমাত্রার পরিবেশের কারণে হতে পারে। MBE সিস্টেমটি অতি-উচ্চ ভ্যাকুয়ামের অধীনে কাজ করে, যা এটিকে আরও ইন-সিটু সনাক্তকরণ পদ্ধতিগুলিকে সংহত করতে দেয়। একই সময়ে, এর বৃদ্ধির হার এবং উত্পাদন ক্ষমতা MOCVD এর সাথে তুলনা করা যায় না এবং এটি বৈজ্ঞানিক গবেষণায় বেশি ব্যবহৃত হয় [7]।

চিত্র 5 (a) Eiko-MBE স্কিম্যাটিক (b) MBE প্রধান প্রতিক্রিয়া চেম্বার পরিকল্পিত

এইচভিপিই পদ্ধতি (হাইড্রাইড বাষ্প ফেজ এপিটাক্সি)

হাইড্রাইড বাষ্প ফেজ এপিটাক্সি পদ্ধতির পূর্বসূরি হল GaCl3 এবং NH3। Detchprohm et al. একটি নীলকান্তমণি স্তরের পৃষ্ঠে শত শত মাইক্রন পুরু একটি GaN এপিটাক্সিয়াল স্তর বাড়াতে এই পদ্ধতিটি ব্যবহার করে। তাদের পরীক্ষায়, ZnO এর একটি স্তর নীলকান্তমণি স্তর এবং এপিটাক্সিয়াল স্তরের মধ্যে একটি বাফার স্তর হিসাবে উত্থিত হয়েছিল এবং এপিটাক্সিয়াল স্তরটি সাবস্ট্রেট পৃষ্ঠ থেকে খোসা ছাড়ানো হয়েছিল। MOCVD এবং MBE-এর সাথে তুলনা করে, HVPE পদ্ধতির প্রধান বৈশিষ্ট্য হল এর উচ্চ বৃদ্ধির হার, যা পুরু স্তর এবং বাল্ক উপকরণ উৎপাদনের জন্য উপযুক্ত। যাইহোক, যখন এপিটাক্সিয়াল স্তরের পুরুত্ব 20μm অতিক্রম করে, এই পদ্ধতি দ্বারা উত্পাদিত এপিটাক্সিয়াল স্তরটি ফাটল প্রবণ হয়।
আকিরা ইউএসইউআই এই পদ্ধতির উপর ভিত্তি করে প্যাটার্নযুক্ত সাবস্ট্রেট প্রযুক্তি চালু করেছে। তারা প্রথমে MOCVD পদ্ধতি ব্যবহার করে একটি নীলকান্তমণি সাবস্ট্রেটে একটি পাতলা 1-1.5μm পুরু GaN এপিটাক্সিয়াল স্তর বৃদ্ধি করেছিল। এপিটাক্সিয়াল স্তরে একটি 20nm পুরু GaN বাফার স্তর থাকে যা নিম্ন তাপমাত্রার অবস্থায় জন্মায় এবং একটি GaN স্তর উচ্চ তাপমাত্রার পরিস্থিতিতে জন্মায়। তারপরে, 430℃ এ, এপিটাক্সিয়াল স্তরের পৃষ্ঠে SiO2 এর একটি স্তর প্রলেপ দেওয়া হয়েছিল এবং ফটোলিথোগ্রাফি দ্বারা SiO2 ফিল্মে উইন্ডো স্ট্রাইপ তৈরি করা হয়েছিল। স্ট্রাইপ ব্যবধান ছিল 7μm এবং মুখোশের প্রস্থ 1μm থেকে 4μm পর্যন্ত। এই উন্নতির পরে, তারা একটি 2-ইঞ্চি ব্যাসের নীলকান্তমণি স্তরে একটি GaN এপিটাক্সিয়াল স্তর পেয়েছিল যা ক্র্যাক-মুক্ত এবং আয়নার মতো মসৃণ ছিল এমনকি যখন পুরুত্ব দশ বা এমনকি কয়েকশ মাইক্রন পর্যন্ত বৃদ্ধি পায়। ত্রুটির ঘনত্ব ঐতিহ্যগত HVPE পদ্ধতির 109-1010cm-2 থেকে কমিয়ে প্রায় 6×107cm-2 করা হয়েছে। তারা পরীক্ষায় আরও উল্লেখ করেছে যে যখন বৃদ্ধির হার 75μm/h অতিক্রম করে, নমুনা পৃষ্ঠটি রুক্ষ হয়ে যাবে[8]।

চিত্র 6 গ্রাফিক্যাল সাবস্ট্রেট পরিকল্পিত

V. সারাংশ এবং আউটলুক

2014 সালে যখন নীল আলো এলইডি পদার্থবিদ্যায় নোবেল পুরস্কার জিতেছিল, এবং ভোক্তা ইলেকট্রনিক্স ক্ষেত্রে দ্রুত চার্জিং অ্যাপ্লিকেশনের জনসাধারণের ক্ষেত্রে প্রবেশ করেছিল তখন GaN উপকরণগুলি আবির্ভূত হতে শুরু করে। প্রকৃতপক্ষে, 5G বেস স্টেশনগুলিতে ব্যবহৃত পাওয়ার অ্যামপ্লিফায়ার এবং আরএফ ডিভাইসগুলির অ্যাপ্লিকেশনগুলি যা বেশিরভাগ লোকেরা দেখতে পায় না সেগুলিও শান্তভাবে আবির্ভূত হয়েছে৷ সাম্প্রতিক বছরগুলিতে, GaN-ভিত্তিক স্বয়ংচালিত-গ্রেড পাওয়ার ডিভাইসগুলির অগ্রগতি GaN উপাদান অ্যাপ্লিকেশন বাজারের জন্য নতুন বৃদ্ধির পয়েন্ট খুলবে বলে আশা করা হচ্ছে।
বাজারের বিশাল চাহিদা অবশ্যই GaN-সম্পর্কিত শিল্প ও প্রযুক্তির বিকাশকে উৎসাহিত করবে। GaN-সম্পর্কিত শিল্প চেইনের পরিপক্কতা এবং উন্নতির সাথে, বর্তমান GaN এপিটাক্সিয়াল প্রযুক্তির সম্মুখীন হওয়া সমস্যাগুলি শেষ পর্যন্ত উন্নত বা কাটিয়ে উঠবে। ভবিষ্যতে, লোকেরা অবশ্যই আরও নতুন এপিটাক্সিয়াল প্রযুক্তি এবং আরও দুর্দান্ত সাবস্ট্রেট বিকল্পগুলি বিকাশ করবে। ততক্ষণে, লোকেরা অ্যাপ্লিকেশন পরিস্থিতির বৈশিষ্ট্য অনুসারে বিভিন্ন অ্যাপ্লিকেশন পরিস্থিতির জন্য সবচেয়ে উপযুক্ত বাহ্যিক গবেষণা প্রযুক্তি এবং সাবস্ট্রেট চয়ন করতে সক্ষম হবে এবং সর্বাধিক প্রতিযোগিতামূলক কাস্টমাইজড পণ্য উত্পাদন করতে সক্ষম হবে।