1. ત્રીજી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર
પ્રથમ પેઢીની સેમિકન્ડક્ટર ટેક્નોલોજી સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી જેમ કે Si અને Ge પર આધારિત વિકસાવવામાં આવી હતી. તે ટ્રાન્ઝિસ્ટર અને સંકલિત સર્કિટ તકનીકના વિકાસ માટેનો ભૌતિક આધાર છે. પ્રથમ પેઢીની સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીએ 20મી સદીમાં ઈલેક્ટ્રોનિક ઉદ્યોગનો પાયો નાખ્યો અને ઈન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટ ટેક્નોલોજી માટે મૂળભૂત સામગ્રી છે.
બીજી પેઢીની સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીમાં મુખ્યત્વે ગેલિયમ આર્સેનાઈડ, ઈન્ડિયમ ફોસ્ફાઈડ, ગેલિયમ ફોસ્ફાઈડ, ઈન્ડિયમ આર્સેનાઈડ, એલ્યુમિનિયમ આર્સેનાઈડ અને તેમના ટર્નરી સંયોજનોનો સમાવેશ થાય છે. બીજી પેઢીની સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી ઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક માહિતી ઉદ્યોગનો પાયો છે. તેના આધારે, લાઇટિંગ, ડિસ્પ્લે, લેસર અને ફોટોવોલ્ટેઇક્સ જેવા સંબંધિત ઉદ્યોગો વિકસાવવામાં આવ્યા છે. તેઓ સમકાલીન માહિતી ટેકનોલોજી અને ઓપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક ડિસ્પ્લે ઉદ્યોગોમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે.
ત્રીજી પેઢીની સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીની પ્રતિનિધિ સામગ્રીમાં ગેલિયમ નાઇટ્રાઇડ અને સિલિકોન કાર્બાઇડનો સમાવેશ થાય છે. તેમના વિશાળ બેન્ડ ગેપ, ઉચ્ચ ઇલેક્ટ્રોન સંતૃપ્તિ ડ્રિફ્ટ વેગ, ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા અને ઉચ્ચ ભંગાણ ક્ષેત્રની શક્તિને લીધે, તેઓ ઉચ્ચ-પાવર ઘનતા, ઉચ્ચ-આવર્તન અને ઓછા-નુકસાનવાળા ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો તૈયાર કરવા માટે આદર્શ સામગ્રી છે. તેમાંથી, સિલિકોન કાર્બાઇડ પાવર ઉપકરણોમાં ઊંચી ઉર્જા ઘનતા, ઓછી ઉર્જા વપરાશ અને નાના કદના ફાયદા છે અને નવા ઉર્જા વાહનો, ફોટોવોલ્ટેઇક્સ, રેલ પરિવહન, મોટા ડેટા અને અન્ય ક્ષેત્રોમાં વ્યાપક ઉપયોગની સંભાવનાઓ ધરાવે છે. ગેલિયમ નાઇટ્રાઇડ RF ઉપકરણોમાં ઉચ્ચ આવર્તન, ઉચ્ચ શક્તિ, વિશાળ બેન્ડવિડ્થ, ઓછી વીજ વપરાશ અને નાના કદના ફાયદા છે અને 5G કોમ્યુનિકેશન્સ, ઇન્ટરનેટ ઓફ થિંગ્સ, લશ્કરી રડાર અને અન્ય ક્ષેત્રોમાં વ્યાપક એપ્લિકેશનની સંભાવનાઓ છે. વધુમાં, લો-વોલ્ટેજ ફીલ્ડમાં ગેલિયમ નાઈટ્રાઈડ આધારિત પાવર ડિવાઈસનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. વધુમાં, તાજેતરના વર્ષોમાં, ઉભરતી ગેલિયમ ઓક્સાઇડ સામગ્રીઓ હાલની SiC અને GaN તકનીકો સાથે તકનીકી પૂરક બનવાની અપેક્ષા રાખે છે, અને ઓછી-આવર્તન અને ઉચ્ચ-વોલ્ટેજ ક્ષેત્રોમાં સંભવિત એપ્લિકેશનની સંભાવનાઓ ધરાવે છે.
બીજી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલ્સની સરખામણીમાં, ત્રીજી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલ્સમાં વ્યાપક બૅન્ડગેપ પહોળાઈ હોય છે (Si ની બૅન્ડગેપ પહોળાઈ, પ્રથમ પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલની લાક્ષણિક સામગ્રી, લગભગ 1.1eV છે, GaAs ની બૅન્ડગેપ પહોળાઈ, એક લાક્ષણિક બીજી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીની સામગ્રી, લગભગ છે 1.42eV, અને GaN ની બેન્ડગેપ પહોળાઈ, ત્રીજી પેઢીની સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીની લાક્ષણિક સામગ્રી, 2.3eV ઉપર છે), મજબૂત કિરણોત્સર્ગ પ્રતિકાર, ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્રના ભંગાણ માટે મજબૂત પ્રતિકાર અને ઉચ્ચ તાપમાન પ્રતિકાર. વિશાળ બેન્ડગેપ પહોળાઈ સાથે ત્રીજી પેઢીની સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી ખાસ કરીને રેડિયેશન-પ્રતિરોધક, ઉચ્ચ-આવર્તન, ઉચ્ચ-શક્તિ અને ઉચ્ચ-સંકલન-ઘનતા ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોના ઉત્પાદન માટે યોગ્ય છે. માઇક્રોવેવ રેડિયો ફ્રીક્વન્સી ડિવાઇસ, એલઇડી, લેસરો, પાવર ડિવાઇસ અને અન્ય ક્ષેત્રોમાં તેમની એપ્લિકેશનોએ ખૂબ ધ્યાન આકર્ષિત કર્યું છે, અને તેઓએ મોબાઇલ સંચાર, સ્માર્ટ ગ્રીડ, રેલ ટ્રાન્ઝિટ, નવા ઉર્જા વાહનો, કન્ઝ્યુમર ઇલેક્ટ્રોનિક્સ અને અલ્ટ્રાવાયોલેટ અને બ્લુમાં વ્યાપક વિકાસની સંભાવનાઓ દર્શાવી છે. -ગ્રીન લાઇટ ઉપકરણો [1].
છબી સ્ત્રોત: CASA, Zheshang Securities Research Institute
આકૃતિ 1 GaN પાવર ડિવાઇસ ટાઇમ સ્કેલ અને આગાહી
II GaN સામગ્રી માળખું અને લાક્ષણિકતાઓ
GaN એ ડાયરેક્ટ બેન્ડગેપ સેમિકન્ડક્ટર છે. ઓરડાના તાપમાને વુર્ટઝાઈટ સ્ટ્રક્ચરની બેન્ડગેપ પહોળાઈ લગભગ 3.26eV છે. GaN સામગ્રીમાં ત્રણ મુખ્ય સ્ફટિક માળખાં હોય છે, જેમ કે wurtzite માળખું, sphalerite માળખું અને રોક મીઠું માળખું. તેમાંથી, વુર્ટઝાઇટ માળખું સૌથી સ્થિર સ્ફટિક માળખું છે. આકૃતિ 2 એ GaN ની ષટ્કોણ વુર્ટઝાઈટ રચનાનું આકૃતિ છે. GaN સામગ્રીનું વુર્ટઝાઈટ માળખું હેક્સાગોનલ ક્લોઝ-પેક્ડ સ્ટ્રક્ચરનું છે. દરેક એકમ કોષમાં 12 અણુ હોય છે, જેમાં 6 N અણુ અને 6 Ga અણુ હોય છે. દરેક Ga (N) અણુ 4 નજીકના N (Ga) અણુઓ સાથે બંધન બનાવે છે અને ABABAB ના ક્રમમાં સ્ટેક કરવામાં આવે છે... [0001] દિશા [2] સાથે.
આકૃતિ 2 Wurtzite માળખું GaN ક્રિસ્ટલ સેલ ડાયાગ્રામ
III GaN એપિટાક્સી માટે સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા સબસ્ટ્રેટ્સ
એવું લાગે છે કે GaN સબસ્ટ્રેટ્સ પર સજાતીય એપિટાક્સી એ GaN એપિટાક્સી માટે શ્રેષ્ઠ પસંદગી છે. જો કે, GaN ની મોટી બોન્ડ ઊર્જાને કારણે, જ્યારે તાપમાન 2500℃ ના ગલનબિંદુ સુધી પહોંચે છે, ત્યારે તેનું અનુરૂપ વિઘટન દબાણ લગભગ 4.5GPa છે. જ્યારે વિઘટનનું દબાણ આ દબાણ કરતાં ઓછું હોય છે, ત્યારે GaN ઓગળતું નથી પરંતુ સીધું વિઘટન થાય છે. આ GaN સિંગલ ક્રિસ્ટલ સબસ્ટ્રેટની તૈયારી માટે Czochralski પદ્ધતિ જેવી પરિપક્વ સબસ્ટ્રેટ તૈયારી તકનીકોને અનુચિત બનાવે છે, જે GaN સબસ્ટ્રેટને મોટા પાયે ઉત્પાદન કરવા મુશ્કેલ અને ખર્ચાળ બનાવે છે. તેથી, સામાન્ય રીતે GaN એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિમાં ઉપયોગમાં લેવાતા સબસ્ટ્રેટ મુખ્યત્વે Si, SiC, નીલમ, વગેરે [3] છે.
ચાર્ટ 3 GaN અને સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતી સબસ્ટ્રેટ સામગ્રીના પરિમાણો
નીલમ પર ગેએન એપિટાક્સી
નીલમમાં સ્થિર રાસાયણિક ગુણધર્મો છે, તે સસ્તું છે અને મોટા પાયે ઉત્પાદન ઉદ્યોગની ઉચ્ચ પરિપક્વતા ધરાવે છે. તેથી, તે સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણ એન્જિનિયરિંગમાં સૌથી પ્રારંભિક અને સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતી સબસ્ટ્રેટ સામગ્રી બની ગઈ છે. GaN એપિટાક્સી માટે સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા સબસ્ટ્રેટ્સમાંના એક તરીકે, નીલમ સબસ્ટ્રેટ માટે જે મુખ્ય સમસ્યાઓ હલ કરવાની જરૂર છે તે છે:
✔ નીલમ (Al2O3) અને GaN (લગભગ 15%) વચ્ચે મોટા જાળીના અસંગતતાને કારણે, એપિટેક્સિયલ સ્તર અને સબસ્ટ્રેટ વચ્ચેના ઇન્ટરફેસ પર ખામીની ઘનતા ખૂબ ઊંચી છે. તેની પ્રતિકૂળ અસરોને ઘટાડવા માટે, એપિટાક્સી પ્રક્રિયા શરૂ થાય તે પહેલાં સબસ્ટ્રેટને જટિલ પ્રીટ્રીટમેન્ટને આધિન કરવું આવશ્યક છે. નીલમ સબસ્ટ્રેટ્સ પર GaN એપિટાક્સી ઉગાડતા પહેલા, સબસ્ટ્રેટની સપાટીને દૂષણો, શેષ પોલિશિંગ નુકસાન વગેરેને દૂર કરવા અને સ્ટેપ્સ અને સ્ટેપ સપાટીની રચનાઓ બનાવવા માટે પહેલા સખત રીતે સાફ કરવી આવશ્યક છે. પછી, એપિટેક્સિયલ સ્તરના ભીનાશ ગુણધર્મોને બદલવા માટે સબસ્ટ્રેટ સપાટીને નાઈટ્રાઇડ કરવામાં આવે છે. છેલ્લે, પાતળું AlN બફર લેયર (સામાન્ય રીતે 10-100nm જાડું) સબસ્ટ્રેટ સપાટી પર જમા કરવાની જરૂર છે અને અંતિમ એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ માટે તૈયાર કરવા માટે નીચા તાપમાને એનેલ કરવાની જરૂર છે. તેમ છતાં, નીલમ સબસ્ટ્રેટ્સ પર ઉગાડવામાં આવતી GaN એપિટેક્સિયલ ફિલ્મોમાં અવ્યવસ્થાની ઘનતા હજુ પણ હોમોઇપિટેક્સિયલ ફિલ્મો કરતાં વધુ છે (લગભગ 1010cm-2, સિલિકોન હોમોઇપિટેક્સિયલ ફિલ્મોમાં આવશ્યકપણે શૂન્ય ડિસલોકેશન ડેન્સિટી અથવા ગેલિયમ આર્સેનાઇડ હોમોઇપિટાક્સિયલ 1010 સે.મી. અથવા 1010 સે.મી. 2). ઉચ્ચ ખામી ઘનતા વાહક ગતિશીલતા ઘટાડે છે, ત્યાં લઘુમતી વાહક જીવનકાળને ટૂંકી કરે છે અને થર્મલ વાહકતા ઘટાડે છે, આ તમામ ઉપકરણની કામગીરી [4] ઘટાડશે;
✔ નીલમનું થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક GaN કરતા વધારે છે, તેથી ડિપોઝિશન તાપમાનથી ઓરડાના તાપમાને ઠંડકની પ્રક્રિયા દરમિયાન એપિટેક્સિયલ સ્તરમાં દ્વિઅક્ષીય સંકુચિત તાણ ઉત્પન્ન થશે. જાડી એપિટેક્સિયલ ફિલ્મો માટે, આ તણાવ ફિલ્મ અથવા તો સબસ્ટ્રેટને ક્રેકીંગનું કારણ બની શકે છે;
✔ અન્ય સબસ્ટ્રેટ્સની તુલનામાં, નીલમ સબસ્ટ્રેટ્સની થર્મલ વાહકતા ઓછી છે (100℃ પર લગભગ 0.25W*cm-1*K-1), અને ગરમીના વિસર્જનની કામગીરી નબળી છે;
✔ તેની નબળી વાહકતાને કારણે, નીલમ સબસ્ટ્રેટ અન્ય સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણો સાથે તેમના એકીકરણ અને એપ્લિકેશન માટે અનુકૂળ નથી.
નીલમ સબસ્ટ્રેટ્સ પર ઉગાડવામાં આવતા GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરોની ખામીની ઘનતા ઊંચી હોવા છતાં, તે GaN-આધારિત વાદળી-લીલા LEDsના ઑપ્ટોઈલેક્ટ્રોનિક પ્રભાવને નોંધપાત્ર રીતે ઘટાડે તેવું લાગતું નથી, તેથી નીલમ સબસ્ટ્રેટ્સ હજુ પણ GaN-આધારિત LEDs માટે સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા સબસ્ટ્રેટ્સ છે.
લેસર અથવા અન્ય ઉચ્ચ-ઘનતા પાવર ઉપકરણો જેવા GaN ઉપકરણોની વધુ નવી એપ્લિકેશનોના વિકાસ સાથે, નીલમ સબસ્ટ્રેટની આંતરિક ખામીઓ તેમની એપ્લિકેશન પર વધુને વધુ મર્યાદા બની ગઈ છે. વધુમાં, SiC સબસ્ટ્રેટ ગ્રોથ ટેક્નોલોજીના વિકાસ, ખર્ચમાં ઘટાડો અને Si સબસ્ટ્રેટ્સ પર GaN એપિટાક્સિયલ ટેક્નોલોજીની પરિપક્વતા સાથે, નીલમ સબસ્ટ્રેટ પર GaN એપિટાક્સિયલ સ્તરો વધવા પર વધુ સંશોધનોએ ધીમે ધીમે ઠંડકનું વલણ દર્શાવ્યું છે.
SiC પર GaN એપિટેક્સી
નીલમની સરખામણીમાં, SiC સબસ્ટ્રેટ્સ (4H- અને 6H-ક્રિસ્ટલ્સ)માં GaN એપિટાક્સિયલ સ્તરો (3.1%, [0001] ઓરિએન્ટેડ એપિટેક્સિયલ ફિલ્મોની સમકક્ષ), ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા (લગભગ 3.8W*cm-1K*) સાથે નાની જાળીનો મેળ હોય છે. -1), વગેરે. વધુમાં, SiC સબસ્ટ્રેટ્સની વાહકતા પણ પરવાનગી આપે છે સબસ્ટ્રેટની પાછળના ભાગમાં વિદ્યુત સંપર્કો બનાવવામાં આવે છે, જે ઉપકરણની રચનાને સરળ બનાવવામાં મદદ કરે છે. આ ફાયદાઓના અસ્તિત્વએ વધુ અને વધુ સંશોધકોને સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટ પર GaN એપિટાક્સી પર કામ કરવા આકર્ષ્યા છે.
જો કે, GaN એપિલેયરને વધતા ટાળવા માટે સીધા SiC સબસ્ટ્રેટ પર કામ કરવાથી પણ નીચેનાનો સમાવેશ થાય છે, જેમાં ગેરફાયદાની શ્રેણીનો સામનો કરવો પડે છે:
✔ SiC સબસ્ટ્રેટ્સની સપાટીની ખરબચડી નીલમ સબસ્ટ્રેટ્સ (નીલમ રફનેસ 0.1nm RMS, SiC રફનેસ 1nm RMS) કરતા ઘણી વધારે છે, SiC સબસ્ટ્રેટમાં ઉચ્ચ કઠિનતા અને નબળી પ્રોસેસિંગ કામગીરી હોય છે, અને આ રફનેસ અને શેષ પોલિશિંગ નુકસાન પણ એક છે. GaN એપિલેયર્સમાં ખામીના સ્ત્રોત.
✔ SiC સબસ્ટ્રેટ્સની સ્ક્રુ ડિસલોકેશન ડેન્સિટી વધારે છે (ડિસલોકેશન ડેન્સિટી 103-104cm-2), સ્ક્રુ ડિસલોકેશન્સ GaN એપિલેયરમાં પ્રચાર કરી શકે છે અને ડિવાઇસની કામગીરીમાં ઘટાડો કરી શકે છે;
✔ સબસ્ટ્રેટ સપાટી પરની પરમાણુ વ્યવસ્થા GaN એપિલેયરમાં સ્ટેકીંગ ફોલ્ટ્સ (BSFs) ની રચનાને પ્રેરિત કરે છે. SiC સબસ્ટ્રેટ્સ પર એપિટેક્સિયલ GaN માટે, સબસ્ટ્રેટ પર બહુવિધ સંભવિત પરમાણુ ગોઠવણી ઓર્ડર્સ છે, જેના પરિણામે તેના પરના એપિટેક્સિયલ GaN સ્તરના અસંગત પ્રારંભિક અણુ સ્ટેકીંગ ક્રમમાં પરિણમે છે, જે સ્ટેકીંગ ફોલ્ટ્સની સંભાવના ધરાવે છે. સ્ટેકીંગ ફોલ્ટ્સ (SFs) સી-અક્ષ સાથે બિલ્ટ-ઇન ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડનો પરિચય આપે છે, જે પ્લેન કેરિયર વિભાજન ઉપકરણોના લીકેજ જેવી સમસ્યાઓ તરફ દોરી જાય છે;
✔ SiC સબસ્ટ્રેટનો થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક AlN અને GaN કરતા નાનો છે, જે ઠંડક પ્રક્રિયા દરમિયાન એપિટેક્સિયલ સ્તર અને સબસ્ટ્રેટ વચ્ચે થર્મલ તણાવ સંચયનું કારણ બને છે. વોલ્ટેરીટ અને બ્રાન્ડે તેમના સંશોધન પરિણામોના આધારે આગાહી કરી હતી કે પાતળા, સુસંગત રીતે તાણવાળા AlN ન્યુક્લિએશન સ્તરો પર GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરો ઉગાડીને આ સમસ્યાને દૂર કરી શકાય છે અથવા હલ કરી શકાય છે;
✔ ગા અણુઓની નબળી ભીનાશની સમસ્યા. જ્યારે GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરો સીધા SiC સપાટી પર ઉગાડવામાં આવે છે, ત્યારે બે અણુઓ વચ્ચે નબળી ભીનાશને કારણે, GaN સબસ્ટ્રેટ સપાટી પર 3D ટાપુ વૃદ્ધિ માટે સંવેદનશીલ હોય છે. GaN epitaxy માં એપિટેક્સિયલ સામગ્રીની ગુણવત્તા સુધારવા માટે બફર લેયરનો પરિચય એ સૌથી સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતો ઉકેલ છે. AlN અથવા AlxGa1-xN બફર લેયરનો પરિચય એ SiC સપાટીની ભીની ક્ષમતાને અસરકારક રીતે સુધારી શકે છે અને GaN એપિટાક્સિયલ સ્તરને બે પરિમાણોમાં વૃદ્ધિ કરી શકે છે. વધુમાં, તે તાણનું નિયમન પણ કરી શકે છે અને સબસ્ટ્રેટ ખામીઓને GaN એપિટાક્સી સુધી વિસ્તરતા અટકાવી શકે છે;
✔ SiC સબસ્ટ્રેટની તૈયારીની ટેક્નોલોજી અપરિપક્વ છે, સબસ્ટ્રેટની કિંમત વધારે છે, અને થોડા સપ્લાયર્સ છે અને ઓછો પુરવઠો છે.
ટોરેસ એટ અલ.ના સંશોધનો દર્શાવે છે કે ઉચ્ચ તાપમાન (1600 ° સે) પર એપિટાક્સી પહેલાં SiC સબસ્ટ્રેટને H2 સાથે કોતરવાથી સબસ્ટ્રેટની સપાટી પર વધુ ક્રમબદ્ધ સ્ટેપ સ્ટ્રક્ચર ઉત્પન્ન થઈ શકે છે, જેનાથી તે સીધી હોય તેના કરતાં ઉચ્ચ ગુણવત્તાની AlN એપિટેક્સિયલ ફિલ્મ મેળવી શકે છે. મૂળ સબસ્ટ્રેટ સપાટી પર ઉગાડવામાં આવે છે. Xie અને તેની ટીમનું સંશોધન એ પણ દર્શાવે છે કે સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટની એચીંગ પ્રીટ્રેટમેન્ટ સપાટીના મોર્ફોલોજી અને જીએએન એપિટેક્સિયલ સ્તરની સ્ફટિક ગુણવત્તામાં નોંધપાત્ર સુધારો કરી શકે છે. સ્મિથ એટ અલ. જાણવા મળ્યું કે સબસ્ટ્રેટ/બફર લેયર અને બફર લેયર/એપિટેક્સિયલ લેયર ઈન્ટરફેસમાંથી ઉદ્ભવતા થ્રેડીંગ ડિસલોકેશન્સ સબસ્ટ્રેટની સપાટતા સાથે સંબંધિત છે [5].
આકૃતિ 4 વિવિધ સપાટીની સારવારની સ્થિતિઓ હેઠળ 6H-SiC સબસ્ટ્રેટ (0001) પર ઉગાડવામાં આવેલા GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરના નમૂનાઓની TEM મોર્ફોલોજી (a) રાસાયણિક સફાઈ; (b) રાસાયણિક સફાઈ + હાઇડ્રોજન પ્લાઝ્મા સારવાર; (c) રાસાયણિક સફાઈ + હાઇડ્રોજન પ્લાઝ્મા ટ્રીટમેન્ટ + 1300℃ હાઇડ્રોજન હીટ ટ્રીટમેન્ટ 30 મિનિટ માટે
Si પર GaN એપિટેક્સી
સિલિકોન કાર્બાઇડ, નીલમ અને અન્ય સબસ્ટ્રેટ્સની તુલનામાં, સિલિકોન સબસ્ટ્રેટ તૈયાર કરવાની પ્રક્રિયા પરિપક્વ છે, અને તે ઉચ્ચ કિંમતની કામગીરી સાથે પુખ્ત મોટા કદના સબસ્ટ્રેટને સ્થિર રીતે પ્રદાન કરી શકે છે. તે જ સમયે, થર્મલ વાહકતા અને વિદ્યુત વાહકતા સારી છે, અને Si ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણ પ્રક્રિયા પરિપક્વ છે. ભવિષ્યમાં Si ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો સાથે optoelectronic GaN ઉપકરણોને સંપૂર્ણ રીતે સંકલિત કરવાની શક્યતા પણ સિલિકોન પર GaN એપિટાક્સીની વૃદ્ધિને ખૂબ જ આકર્ષક બનાવે છે.
જો કે, Si સબસ્ટ્રેટ અને GaN સામગ્રી વચ્ચેના જાળીના સ્થિરાંકોમાં મોટા તફાવતને કારણે, Si સબસ્ટ્રેટ પર GaN ની વિજાતીય એપિટાક્સી એ એક લાક્ષણિક મોટી મિસમેચ એપિટાક્સી છે, અને તેને શ્રેણીબદ્ધ સમસ્યાઓનો સામનો કરવાની પણ જરૂર છે:
✔ સપાટી ઇન્ટરફેસ ઊર્જા સમસ્યા. જ્યારે GaN Si સબસ્ટ્રેટ પર વધે છે, ત્યારે Si સબસ્ટ્રેટની સપાટીને સૌપ્રથમ નાઈટ્રાઈડ કરવામાં આવશે જેથી આકારહીન સિલિકોન નાઈટ્રાઈડ સ્તર બનાવવામાં આવે જે ઉચ્ચ ઘનતાના GaN ના ન્યુક્લિએશન અને વૃદ્ધિ માટે અનુકૂળ નથી. વધુમાં, Si સપાટી પ્રથમ Ga નો સંપર્ક કરશે, જે Si સબસ્ટ્રેટની સપાટીને કાટ કરશે. ઊંચા તાપમાને, Si સપાટીનું વિઘટન કાળા સિલિકોન ફોલ્લીઓ બનાવવા માટે GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરમાં ફેલાય છે.
✔ GaN અને Si વચ્ચેની જાળી સતત મેળ ખાતી નથી તે મોટી છે (~17%), જે ઉચ્ચ ઘનતાના થ્રેડીંગ ડિસલોકેશનની રચના તરફ દોરી જશે અને એપિટેક્સિયલ સ્તરની ગુણવત્તામાં નોંધપાત્ર ઘટાડો કરશે;
✔ Si ની સરખામણીમાં, GaN પાસે મોટો થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક છે (GaN નું થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક લગભગ 5.6×10-6K-1 છે, Si નું થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક લગભગ 2.6×10-6K-1 છે), અને GaN માં તિરાડો પેદા થઈ શકે છે. એપિટેક્સિયલ સ્તર ઓરડામાં એપિટેક્સિયલ તાપમાનના ઠંડક દરમિયાન તાપમાન;
✔ Si ઉચ્ચ તાપમાને NH3 સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને પોલીક્રિસ્ટલાઇન SiNx બનાવે છે. પોલીક્રિસ્ટલાઇન SiNx પર AlN પ્રેફરન્શિયલ ઓરિએન્ટેડ ન્યુક્લિયસનું નિર્માણ કરી શકતું નથી, જે પાછળથી ઉગાડવામાં આવેલા GaN સ્તરની અવ્યવસ્થિત દિશા તરફ દોરી જાય છે અને મોટી સંખ્યામાં ખામીઓ તરફ દોરી જાય છે, જેના પરિણામે GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરની નબળી ક્રિસ્ટલ ગુણવત્તા અને સિંગલ-ક્રિસ્ટલાઇન બનાવવામાં પણ મુશ્કેલી ઊભી થાય છે. GaN એપિટેક્સિયલ સ્તર [6].
મોટા જાળીના અસંગતતાની સમસ્યાને ઉકેલવા માટે, સંશોધકોએ Si સબસ્ટ્રેટ્સ પર બફર સ્તરો તરીકે AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO અને SiC જેવી સામગ્રી રજૂ કરવાનો પ્રયાસ કર્યો છે. પોલીક્રિસ્ટલાઇન SiNx ની રચનાને ટાળવા અને GaN/AlN/Si (111) સામગ્રીની સ્ફટિક ગુણવત્તા પર તેની પ્રતિકૂળ અસરોને ઘટાડવા માટે, TML સામાન્ય રીતે AlN બફર સ્તરની એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ પહેલાં ચોક્કસ સમયગાળા માટે રજૂ કરવાની જરૂર છે. NH3 ને SiNx બનાવવા માટે ખુલ્લી Si સપાટી સાથે પ્રતિક્રિયા કરતા અટકાવવા. વધુમાં, પેટર્નવાળી સબસ્ટ્રેટ ટેક્નોલોજી જેવી એપિટેક્સિયલ ટેક્નોલોજીનો ઉપયોગ એપિટેક્સિયલ સ્તરની ગુણવત્તા સુધારવા માટે થઈ શકે છે. આ તકનીકોનો વિકાસ એપિટેક્સિયલ ઇન્ટરફેસ પર SiNx ની રચનાને રોકવામાં મદદ કરે છે, GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરની દ્વિ-પરિમાણીય વૃદ્ધિને પ્રોત્સાહન આપે છે અને એપિટેક્સિયલ સ્તરની વૃદ્ધિની ગુણવત્તામાં સુધારો કરે છે. વધુમાં, સિલિકોન સબસ્ટ્રેટ પર GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરમાં તિરાડો ટાળવા માટે થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંકમાં તફાવતને કારણે થતા તાણના તાણને વળતર આપવા માટે એક AlN બફર સ્તર રજૂ કરવામાં આવે છે. ક્રોસ્ટનું સંશોધન દર્શાવે છે કે AlN બફર સ્તરની જાડાઈ અને તાણમાં ઘટાડો વચ્ચે સકારાત્મક સંબંધ છે. જ્યારે બફર લેયરની જાડાઈ 12nm સુધી પહોંચે છે, ત્યારે 6μm કરતાં વધુ જાડા એપિટેક્સિયલ લેયરને સિલિકોન સબસ્ટ્રેટ પર એપિટાક્સિયલ લેયર ક્રેકીંગ વિના યોગ્ય વૃદ્ધિ યોજના દ્વારા ઉગાડી શકાય છે.
સંશોધકો દ્વારા લાંબા ગાળાના પ્રયત્નો પછી, સિલિકોન સબસ્ટ્રેટ પર ઉગાડવામાં આવેલા GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરોની ગુણવત્તામાં નોંધપાત્ર સુધારો થયો છે, અને ફિલ્ડ ઇફેક્ટ ટ્રાન્ઝિસ્ટર, સ્કોટ્ટકી બેરિયર અલ્ટ્રાવાયોલેટ ડિટેક્ટર્સ, બ્લુ-ગ્રીન એલઇડી અને અલ્ટ્રાવાયોલેટ લેસર જેવા ઉપકરણોએ નોંધપાત્ર પ્રગતિ કરી છે.
સારાંશમાં, સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા GaN એપિટેક્સિયલ સબસ્ટ્રેટ્સ બધા વિજાતીય એપિટાક્સી છે, તે બધા સામાન્ય સમસ્યાઓનો સામનો કરે છે જેમ કે જાળીનો મેળ ન ખાવો અને થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંકમાં વિવિધ ડિગ્રીમાં મોટા તફાવત. એકરૂપ એપિટેક્સિયલ GaN સબસ્ટ્રેટ્સ ટેક્નોલોજીની પરિપક્વતા દ્વારા મર્યાદિત છે, અને સબસ્ટ્રેટ્સનું હજુ સુધી મોટા પાયે ઉત્પાદન થયું નથી. ઉત્પાદન ખર્ચ વધારે છે, સબસ્ટ્રેટનું કદ નાનું છે, અને સબસ્ટ્રેટની ગુણવત્તા આદર્શ નથી. નવા GaN એપિટેક્સિયલ સબસ્ટ્રેટ્સનો વિકાસ અને એપિટેક્સિયલ ગુણવત્તામાં સુધારો એ હજુ પણ GaN એપિટેક્સિયલ ઉદ્યોગના વધુ વિકાસને પ્રતિબંધિત કરતા મહત્વપૂર્ણ પરિબળોમાંનું એક છે.
IV. GaN એપિટાક્સી માટેની સામાન્ય પદ્ધતિઓ
MOCVD (રાસાયણિક વરાળનું નિરાકરણ)
એવું લાગે છે કે GaN સબસ્ટ્રેટ્સ પર સજાતીય એપિટાક્સી એ GaN એપિટાક્સી માટે શ્રેષ્ઠ પસંદગી છે. જો કે, રાસાયણિક વરાળના જથ્થાના પુરોગામી ટ્રાઇમેથાઇલગેલિયમ અને એમોનિયા હોવાથી, અને વાહક ગેસ હાઇડ્રોજન છે, લાક્ષણિક MOCVD વૃદ્ધિ તાપમાન લગભગ 1000-1100℃ છે, અને MOCVD નો વિકાસ દર કલાક દીઠ લગભગ થોડા માઇક્રોન છે. તે પરમાણુ સ્તરે બેહદ ઈન્ટરફેસ ઉત્પન્ન કરી શકે છે, જે વધતા હેટરોજંકશન, ક્વોન્ટમ વેલ્સ, સુપરલેટીસ અને અન્ય માળખા માટે ખૂબ જ યોગ્ય છે. તેનો ઝડપી વિકાસ દર, સારી એકરૂપતા અને મોટા વિસ્તાર અને મલ્ટી-પીસ વૃદ્ધિ માટે યોગ્યતાનો ઉપયોગ ઔદ્યોગિક ઉત્પાદનમાં થાય છે.
MBE (મોલેક્યુલર બીમ એપિટેક્સી)
મોલેક્યુલર બીમ એપિટાક્સીમાં, ગા એક મૂળ સ્ત્રોતનો ઉપયોગ કરે છે, અને સક્રિય નાઇટ્રોજન નાઇટ્રોજનમાંથી RF પ્લાઝ્મા દ્વારા મેળવવામાં આવે છે. MOCVD પદ્ધતિની તુલનામાં, MBE વૃદ્ધિનું તાપમાન લગભગ 350-400℃ ઓછું છે. નીચા વૃદ્ધિનું તાપમાન ચોક્કસ પ્રદૂષણને ટાળી શકે છે જે ઉચ્ચ તાપમાનના વાતાવરણને કારણે થઈ શકે છે. MBE સિસ્ટમ અલ્ટ્રા-હાઈ વેક્યૂમ હેઠળ કામ કરે છે, જે તેને વધુ ઇન-સીટુ ડિટેક્શન પદ્ધતિઓને એકીકૃત કરવાની મંજૂરી આપે છે. તે જ સમયે, તેના વિકાસ દર અને ઉત્પાદન ક્ષમતાની MOCVD સાથે તુલના કરી શકાતી નથી, અને તેનો વૈજ્ઞાનિક સંશોધનમાં વધુ ઉપયોગ થાય છે [7].
આકૃતિ 5 (a) Eiko-MBE યોજનાકીય (b) MBE મુખ્ય પ્રતિક્રિયા ચેમ્બર યોજનાકીય
HVPE પદ્ધતિ (હાઈડ્રાઈડ વેપર ફેઝ એપિટાક્સી)
હાઇડ્રાઇડ વેપર ફેઝ એપિટાક્સી પદ્ધતિના પુરોગામી GaCl3 અને NH3 છે. Detchprohm et al. નીલમ સબસ્ટ્રેટની સપાટી પર સેંકડો માઇક્રોન જાડા GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરને ઉગાડવા માટે આ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કર્યો. તેમના પ્રયોગમાં, ZnO નું સ્તર નીલમ સબસ્ટ્રેટ અને એપિટેક્સિયલ સ્તરની વચ્ચે બફર સ્તર તરીકે ઉગાડવામાં આવ્યું હતું, અને એપિટેક્સિયલ સ્તરને સબસ્ટ્રેટની સપાટીથી દૂર કરવામાં આવ્યું હતું. MOCVD અને MBE ની તુલનામાં, HVPE પદ્ધતિની મુખ્ય વિશેષતા તેનો ઉચ્ચ વૃદ્ધિ દર છે, જે જાડા સ્તરો અને બલ્ક સામગ્રીના ઉત્પાદન માટે યોગ્ય છે. જો કે, જ્યારે એપિટેક્સિયલ સ્તરની જાડાઈ 20μm કરતાં વધી જાય છે, ત્યારે આ પદ્ધતિ દ્વારા ઉત્પાદિત એપિટેક્સિયલ સ્તર તિરાડોની સંભાવના ધરાવે છે.
અકીરા USUI એ આ પદ્ધતિના આધારે પેટર્નવાળી સબસ્ટ્રેટ ટેકનોલોજી રજૂ કરી. તેઓએ સૌપ્રથમ MOCVD પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને નીલમ સબસ્ટ્રેટ પર પાતળા 1-1.5μm જાડા GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરને ઉગાડ્યું. એપિટેક્સિયલ સ્તરમાં નીચા તાપમાનની સ્થિતિમાં ઉગાડવામાં આવતા 20nm જાડા GaN બફર સ્તર અને ઉચ્ચ તાપમાનની સ્થિતિમાં ઉગાડવામાં આવતા GaN સ્તરનો સમાવેશ થાય છે. પછી, 430℃ પર, SiO2 નું સ્તર એપિટેક્સિયલ સ્તરની સપાટી પર ચડાવવામાં આવ્યું હતું, અને ફોટોલિથોગ્રાફી દ્વારા SiO2 ફિલ્મ પર વિન્ડો પટ્ટાઓ બનાવવામાં આવ્યા હતા. પટ્ટાનું અંતર 7μm હતું અને માસ્કની પહોળાઈ 1μm થી 4μm સુધીની હતી. આ સુધારણા પછી, તેઓએ 2-ઇંચ વ્યાસના નીલમ સબસ્ટ્રેટ પર એક GaN એપિટાક્સિયલ સ્તર મેળવ્યું જે ક્રેક-ફ્રી અને અરીસાની જેમ સરળ હતું, જ્યારે જાડાઈ દસ અથવા તો સેંકડો માઇક્રોન સુધી વધી જાય ત્યારે પણ. ખામીની ઘનતા પરંપરાગત HVPE પદ્ધતિના 109-1010cm-2 થી ઘટીને લગભગ 6×107cm-2 કરવામાં આવી હતી. તેઓએ પ્રયોગમાં એ પણ દર્શાવ્યું હતું કે જ્યારે વૃદ્ધિ દર 75μm/h કરતાં વધી જાય છે, ત્યારે નમૂનાની સપાટી ખરબચડી બની જાય છે[8].
આકૃતિ 6 ગ્રાફિકલ સબસ્ટ્રેટ યોજનાકીય
વી. સારાંશ અને આઉટલુક
2014 માં જ્યારે બ્લુ લાઇટ LED એ ભૌતિકશાસ્ત્રમાં નોબેલ પારિતોષિક જીત્યું, અને કન્ઝ્યુમર ઇલેક્ટ્રોનિક્સ ક્ષેત્રમાં ફાસ્ટ ચાર્જિંગ એપ્લિકેશનના જાહેર ક્ષેત્રે પ્રવેશ કર્યો ત્યારે GaN સામગ્રીઓ ઉભરી આવવાનું શરૂ થયું. વાસ્તવમાં, 5G બેઝ સ્ટેશનમાં ઉપયોગમાં લેવાતા પાવર એમ્પ્લીફાયર અને RF ઉપકરણોની એપ્લિકેશનો જે મોટાભાગના લોકો જોઈ શકતા નથી તે પણ શાંતિથી ઉભરી આવ્યા છે. તાજેતરના વર્ષોમાં, GaN-આધારિત ઓટોમોટિવ-ગ્રેડ પાવર ડિવાઈસની પ્રગતિથી GaN મટીરીયલ એપ્લીકેશન માર્કેટ માટે નવા વિકાસ બિંદુઓ ખોલવાની અપેક્ષા છે.
બજારની વિશાળ માંગ ચોક્કસપણે GaN-સંબંધિત ઉદ્યોગો અને તકનીકોના વિકાસને પ્રોત્સાહન આપશે. GaN-સંબંધિત ઔદ્યોગિક શૃંખલાની પરિપક્વતા અને સુધારણા સાથે, વર્તમાન GaN એપિટેક્સિયલ ટેક્નોલોજી દ્વારા સામનો કરવામાં આવતી સમસ્યાઓ આખરે સુધારી અથવા દૂર કરવામાં આવશે. ભવિષ્યમાં, લોકો ચોક્કસપણે વધુ નવી એપિટેક્સિયલ તકનીકો અને વધુ ઉત્તમ સબસ્ટ્રેટ વિકલ્પો વિકસાવશે. ત્યાં સુધીમાં, લોકો એપ્લિકેશન દૃશ્યોની લાક્ષણિકતાઓ અનુસાર વિવિધ એપ્લિકેશન દૃશ્યો માટે સૌથી યોગ્ય બાહ્ય સંશોધન તકનીક અને સબસ્ટ્રેટ પસંદ કરી શકશે અને સૌથી વધુ સ્પર્ધાત્મક કસ્ટમાઇઝ્ડ ઉત્પાદનોનું ઉત્પાદન કરી શકશે.
પોસ્ટ સમય: જૂન-28-2024