1. तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक
पहली पीढ़ी की सेमीकंडक्टर तकनीक Si और Ge जैसी सेमीकंडक्टर सामग्रियों के आधार पर विकसित की गई थी। यह ट्रांजिस्टर और एकीकृत सर्किट प्रौद्योगिकी के विकास का भौतिक आधार है। पहली पीढ़ी के सेमीकंडक्टर सामग्रियों ने 20वीं सदी में इलेक्ट्रॉनिक उद्योग की नींव रखी और एकीकृत सर्किट प्रौद्योगिकी के लिए बुनियादी सामग्री हैं।
दूसरी पीढ़ी के अर्धचालक सामग्रियों में मुख्य रूप से गैलियम आर्सेनाइड, इंडियम फॉस्फाइड, गैलियम फॉस्फाइड, इंडियम आर्सेनाइड, एल्यूमीनियम आर्सेनाइड और उनके टर्नरी यौगिक शामिल हैं। दूसरी पीढ़ी की अर्धचालक सामग्री ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक सूचना उद्योग की नींव हैं। इस आधार पर, प्रकाश, प्रदर्शन, लेजर और फोटोवोल्टिक्स जैसे संबंधित उद्योग विकसित किए गए हैं। इनका उपयोग समकालीन सूचना प्रौद्योगिकी और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक डिस्प्ले उद्योगों में व्यापक रूप से किया जाता है।
तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक सामग्रियों की प्रतिनिधि सामग्रियों में गैलियम नाइट्राइड और सिलिकॉन कार्बाइड शामिल हैं। उनके विस्तृत बैंड गैप, उच्च इलेक्ट्रॉन संतृप्ति बहाव वेग, उच्च तापीय चालकता और उच्च ब्रेकडाउन क्षेत्र ताकत के कारण, वे उच्च-शक्ति घनत्व, उच्च-आवृत्ति और कम-नुकसान वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को तैयार करने के लिए आदर्श सामग्री हैं। उनमें से, सिलिकॉन कार्बाइड बिजली उपकरणों में उच्च ऊर्जा घनत्व, कम ऊर्जा खपत और छोटे आकार के फायदे हैं, और नई ऊर्जा वाहनों, फोटोवोल्टिक, रेल परिवहन, बड़े डेटा और अन्य क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं हैं। गैलियम नाइट्राइड आरएफ उपकरणों में उच्च आवृत्ति, उच्च शक्ति, विस्तृत बैंडविड्थ, कम बिजली की खपत और छोटे आकार के फायदे हैं, और 5जी संचार, इंटरनेट ऑफ थिंग्स, सैन्य रडार और अन्य क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं हैं। इसके अलावा, कम वोल्टेज वाले क्षेत्र में गैलियम नाइट्राइड-आधारित बिजली उपकरणों का व्यापक रूप से उपयोग किया गया है। इसके अलावा, हाल के वर्षों में, उभरती गैलियम ऑक्साइड सामग्री से मौजूदा SiC और GaN प्रौद्योगिकियों के साथ तकनीकी पूरकता बनने की उम्मीद है, और कम-आवृत्ति और उच्च-वोल्टेज क्षेत्रों में संभावित अनुप्रयोग संभावनाएं हैं।
दूसरी पीढ़ी के अर्धचालक सामग्रियों की तुलना में, तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक सामग्रियों में व्यापक बैंडगैप चौड़ाई होती है (सी की बैंडगैप चौड़ाई, पहली पीढ़ी के अर्धचालक सामग्री की एक विशिष्ट सामग्री, लगभग 1.1eV है, GaAs की बैंडगैप चौड़ाई, एक विशिष्ट दूसरी पीढ़ी के अर्धचालक सामग्री की सामग्री, लगभग 1.42eV है, और GaN की बैंडगैप चौड़ाई, तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक सामग्री की एक विशिष्ट सामग्री है, 2.3eV से ऊपर है), मजबूत विकिरण प्रतिरोध, विद्युत क्षेत्र के टूटने के लिए मजबूत प्रतिरोध, और उच्च तापमान प्रतिरोध। व्यापक बैंडगैप चौड़ाई वाली तीसरी पीढ़ी की अर्धचालक सामग्री विकिरण-प्रतिरोधी, उच्च-आवृत्ति, उच्च-शक्ति और उच्च-एकीकरण-घनत्व वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के उत्पादन के लिए विशेष रूप से उपयुक्त हैं। माइक्रोवेव रेडियो फ्रीक्वेंसी उपकरणों, एलईडी, लेजर, बिजली उपकरणों और अन्य क्षेत्रों में उनके अनुप्रयोगों ने बहुत ध्यान आकर्षित किया है, और उन्होंने मोबाइल संचार, स्मार्ट ग्रिड, रेल पारगमन, नई ऊर्जा वाहन, उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स और पराबैंगनी और नीले रंग में व्यापक विकास संभावनाएं दिखाई हैं। -हरे प्रकाश उपकरण [1]।
छवि स्रोत: CASA, झेशांग सिक्योरिटीज रिसर्च इंस्टीट्यूट
चित्र 1 GaN पावर डिवाइस समय स्केल और पूर्वानुमान
II GaN सामग्री संरचना और विशेषताएँ
GaN एक प्रत्यक्ष बैंडगैप अर्धचालक है। कमरे के तापमान पर वर्टज़ाइट संरचना की बैंडगैप चौड़ाई लगभग 3.26eV है। GaN सामग्रियों में तीन मुख्य क्रिस्टल संरचनाएँ होती हैं, अर्थात् वर्टज़ाइट संरचना, स्पैलराइट संरचना और सेंधा नमक संरचना। उनमें से, वर्टज़ाइट संरचना सबसे स्थिर क्रिस्टल संरचना है। चित्र 2 GaN की हेक्सागोनल वर्टज़ाइट संरचना का एक आरेख है। GaN सामग्री की वर्टज़ाइट संरचना एक हेक्सागोनल क्लोज-पैक संरचना से संबंधित है। प्रत्येक इकाई कोशिका में 12 परमाणु होते हैं, जिनमें 6 N परमाणु और 6 Ga परमाणु शामिल हैं। प्रत्येक Ga (N) परमाणु 4 निकटतम N (Ga) परमाणुओं के साथ एक बंधन बनाता है और [0001] दिशा [2] के साथ ABABAB... के क्रम में व्यवस्थित होता है।
चित्र 2 वर्टज़ाइट संरचना GaN क्रिस्टल सेल आरेख
III GaN एपिटैक्सी के लिए आम तौर पर उपयोग किए जाने वाले सबस्ट्रेट्स
ऐसा लगता है कि GaN सबस्ट्रेट्स पर सजातीय एपिटॉक्सी GaN एपिटॉक्सी के लिए सबसे अच्छा विकल्प है। हालाँकि, GaN की बड़ी बंधन ऊर्जा के कारण, जब तापमान 2500℃ के पिघलने बिंदु तक पहुँच जाता है, तो इसका संगत अपघटन दबाव लगभग 4.5GPa होता है। जब अपघटन दबाव इस दबाव से कम होता है, तो GaN पिघलता नहीं है बल्कि सीधे विघटित हो जाता है। यह परिपक्व सब्सट्रेट तैयारी प्रौद्योगिकियों जैसे कि ज़ोक्रोलस्की विधि को GaN एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट की तैयारी के लिए अनुपयुक्त बनाता है, जिससे GaN सब्सट्रेट का बड़े पैमाने पर उत्पादन करना मुश्किल और महंगा हो जाता है। इसलिए, आमतौर पर GaN एपीटैक्सियल वृद्धि में उपयोग किए जाने वाले सब्सट्रेट मुख्य रूप से Si, SiC, नीलमणि, आदि हैं। [3]।
चार्ट 3 GaN और आमतौर पर उपयोग की जाने वाली सब्सट्रेट सामग्री के पैरामीटर
नीलमणि पर GaN एपिटैक्सी
नीलम में स्थिर रासायनिक गुण होते हैं, यह सस्ता होता है और इसमें बड़े पैमाने पर उत्पादन उद्योग की उच्च परिपक्वता होती है। इसलिए, यह सेमीकंडक्टर डिवाइस इंजीनियरिंग में सबसे शुरुआती और सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली सब्सट्रेट सामग्रियों में से एक बन गया है। GaN एपिटैक्सी के लिए आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले सब्सट्रेट्स में से एक के रूप में, नीलमणि सब्सट्रेट्स के लिए जिन मुख्य समस्याओं को हल करने की आवश्यकता है वे हैं:
✔ नीलमणि (Al2O3) और GaN (लगभग 15%) के बीच बड़े जाली बेमेल के कारण, एपिटैक्सियल परत और सब्सट्रेट के बीच इंटरफ़ेस पर दोष घनत्व बहुत अधिक है। इसके प्रतिकूल प्रभावों को कम करने के लिए, एपिटेक्सी प्रक्रिया शुरू होने से पहले सब्सट्रेट को जटिल प्रीट्रीटमेंट से गुजरना होगा। नीलमणि सबस्ट्रेट्स पर GaN एपिटाक्सी उगाने से पहले, सब्सट्रेट सतह को पहले संदूषकों, अवशिष्ट पॉलिशिंग क्षति आदि को हटाने और स्टेप और स्टेप सतह संरचनाओं का निर्माण करने के लिए सख्ती से साफ किया जाना चाहिए। फिर, एपिटैक्सियल परत के गीले गुणों को बदलने के लिए सब्सट्रेट सतह को नाइट्राइड किया जाता है। अंत में, एक पतली AlN बफर परत (आमतौर पर 10-100 एनएम मोटी) को सब्सट्रेट सतह पर जमा करने की आवश्यकता होती है और अंतिम एपिटैक्सियल विकास के लिए तैयार करने के लिए कम तापमान पर एनील्ड किया जाता है। फिर भी, नीलमणि सब्सट्रेट्स पर विकसित GaN एपिटैक्सियल फिल्मों में अव्यवस्था घनत्व अभी भी होमियोएपिटैक्सियल फिल्मों (लगभग 1010 सेमी-2) की तुलना में अधिक है, जबकि सिलिकॉन होमोएपिटैक्सियल फिल्मों या गैलियम आर्सेनाइड होमोएपिटैक्सियल फिल्मों में अनिवार्य रूप से शून्य अव्यवस्था घनत्व या 102 और 104 सेमी के बीच है। 2). उच्च दोष घनत्व वाहक गतिशीलता को कम कर देता है, जिससे अल्पसंख्यक वाहक का जीवनकाल छोटा हो जाता है और तापीय चालकता कम हो जाती है, जिससे डिवाइस का प्रदर्शन कम हो जाएगा [4];
✔ नीलमणि का थर्मल विस्तार गुणांक GaN से अधिक है, इसलिए जमाव तापमान से कमरे के तापमान तक ठंडा होने की प्रक्रिया के दौरान एपिटैक्सियल परत में द्विअक्षीय संपीड़ित तनाव उत्पन्न होगा। मोटी एपिटैक्सियल फिल्मों के लिए, यह तनाव फिल्म या यहां तक कि सब्सट्रेट के टूटने का कारण बन सकता है;
✔ अन्य सब्सट्रेट्स की तुलना में, नीलमणि सब्सट्रेट्स की थर्मल चालकता कम है (लगभग 0.25W*cm-1*K-1 100℃ पर), और गर्मी अपव्यय प्रदर्शन खराब है;
✔ इसकी खराब चालकता के कारण, नीलमणि सब्सट्रेट अन्य अर्धचालक उपकरणों के साथ उनके एकीकरण और अनुप्रयोग के लिए अनुकूल नहीं हैं।
यद्यपि नीलमणि सब्सट्रेट्स पर उगाए गए GaN एपिटैक्सियल परतों का दोष घनत्व अधिक है, लेकिन यह GaN-आधारित नीले-हरे एलईडी के ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से कम नहीं करता है, इसलिए नीलमणि सब्सट्रेट अभी भी GaN-आधारित एलईडी के लिए आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले सब्सट्रेट हैं।
लेजर या अन्य उच्च-घनत्व बिजली उपकरणों जैसे GaN उपकरणों के अधिक नए अनुप्रयोगों के विकास के साथ, नीलमणि सबस्ट्रेट्स के अंतर्निहित दोष तेजी से उनके अनुप्रयोग पर एक सीमा बन गए हैं। इसके अलावा, SiC सब्सट्रेट विकास प्रौद्योगिकी के विकास, लागत में कमी और Si सब्सट्रेट्स पर GaN एपिटैक्सियल तकनीक की परिपक्वता के साथ, नीलमणि सब्सट्रेट्स पर GaN एपिटैक्सियल परतों को बढ़ाने पर अधिक शोध ने धीरे-धीरे एक शीतलन प्रवृत्ति दिखाई है।
SiC पर GaN एपिटैक्सी
नीलम की तुलना में, SiC सबस्ट्रेट्स (4H- और 6H-क्रिस्टल) में GaN एपिटैक्सियल परतों (3.1%, [0001] उन्मुख एपिटैक्सियल फिल्मों के बराबर), उच्च तापीय चालकता (लगभग 3.8W*cm-1*K) के साथ एक छोटा जाली बेमेल है। -1), आदि। इसके अलावा, SiC सब्सट्रेट्स की चालकता भी सब्सट्रेट के पीछे विद्युत संपर्क बनाने की अनुमति देती है, जो मदद करती है डिवाइस संरचना को सरल बनाएं. इन फायदों के अस्तित्व ने अधिक से अधिक शोधकर्ताओं को सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट्स पर GaN एपिटैक्सी पर काम करने के लिए आकर्षित किया है।
हालाँकि, बढ़ते GaN एपिलेयर्स से बचने के लिए SiC सबस्ट्रेट्स पर सीधे काम करने से निम्नलिखित सहित कई नुकसानों का सामना करना पड़ता है:
✔ SiC सब्सट्रेट्स की सतह खुरदरापन नीलमणि सब्सट्रेट्स (नीलम खुरदरापन 0.1nm RMS, SiC खुरदरापन 1nm RMS) की तुलना में बहुत अधिक है, SiC सब्सट्रेट्स में उच्च कठोरता और खराब प्रसंस्करण प्रदर्शन होता है, और यह खुरदरापन और अवशिष्ट पॉलिशिंग क्षति भी इनमें से एक है GaN एपिलेयर्स में दोषों के स्रोत।
✔ SiC सबस्ट्रेट्स का स्क्रू डिस्लोकेशन घनत्व अधिक है (डिस्लोकेशन घनत्व 103-104cm-2), स्क्रू डिस्लोकेशन GaN एपिलेयर तक फैल सकता है और डिवाइस के प्रदर्शन को कम कर सकता है;
✔ सब्सट्रेट सतह पर परमाणु व्यवस्था GaN एपिलेयर में स्टैकिंग दोष (बीएसएफ) के गठन को प्रेरित करती है। SiC सब्सट्रेट पर एपिटैक्सियल GaN के लिए, सब्सट्रेट पर कई संभावित परमाणु व्यवस्था आदेश होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप उस पर एपिटैक्सियल GaN परत का असंगत प्रारंभिक परमाणु स्टैकिंग क्रम होता है, जिसमें स्टैकिंग दोष होने का खतरा होता है। स्टैकिंग दोष (एसएफ) सी-अक्ष के साथ अंतर्निर्मित विद्युत क्षेत्रों को प्रस्तुत करते हैं, जिससे इन-प्लेन वाहक पृथक्करण उपकरणों के रिसाव जैसी समस्याएं पैदा होती हैं;
✔ SiC सब्सट्रेट का थर्मल विस्तार गुणांक AlN और GaN की तुलना में छोटा है, जो शीतलन प्रक्रिया के दौरान एपिटैक्सियल परत और सब्सट्रेट के बीच थर्मल तनाव संचय का कारण बनता है। वाल्टेरिट और ब्रांड ने अपने शोध परिणामों के आधार पर भविष्यवाणी की कि पतली, सुसंगत रूप से तनावपूर्ण AlN न्यूक्लिएशन परतों पर GaN एपिटैक्सियल परतों को बढ़ाकर इस समस्या को कम या हल किया जा सकता है;
✔ गा परमाणुओं की खराब अस्थिरता की समस्या। जब GaN एपिटैक्सियल परतें सीधे SiC सतह पर बढ़ती हैं, तो दो परमाणुओं के बीच खराब वेटेबिलिटी के कारण, GaN सब्सट्रेट सतह पर 3डी द्वीप वृद्धि का खतरा होता है। GaN एपिटेक्सी में एपिटैक्सियल सामग्री की गुणवत्ता में सुधार के लिए बफर परत का परिचय सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला समाधान है। AlN या AlxGa1-xN बफर परत का परिचय प्रभावी ढंग से SiC सतह की वेटेबिलिटी में सुधार कर सकता है और GaN एपिटैक्सियल परत को दो आयामों में विकसित कर सकता है। इसके अलावा, यह तनाव को भी नियंत्रित कर सकता है और सब्सट्रेट दोषों को GaN एपिटैक्सी तक फैलने से रोक सकता है;
✔ SiC सबस्ट्रेट्स की तैयारी तकनीक अपरिपक्व है, सब्सट्रेट की लागत अधिक है, और कुछ आपूर्तिकर्ता और कम आपूर्ति हैं।
टोरेस एट अल के शोध से पता चलता है कि एपिटेक्सी से पहले उच्च तापमान (1600 डिग्री सेल्सियस) पर एच2 के साथ सीआईसी सब्सट्रेट को खोदने से सब्सट्रेट सतह पर अधिक क्रमबद्ध चरण संरचना उत्पन्न हो सकती है, जिससे सीधे होने की तुलना में उच्च गुणवत्ता वाली एएलएन एपिटैक्सियल फिल्म प्राप्त होती है। मूल सब्सट्रेट सतह पर उगाया गया। ज़ी और उनकी टीम के शोध से यह भी पता चलता है कि सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट की नक़्क़ाशी पूर्व-उपचार से GaN एपिटैक्सियल परत की सतह आकृति विज्ञान और क्रिस्टल गुणवत्ता में काफी सुधार हो सकता है। स्मिथ एट अल. पाया गया कि सब्सट्रेट/बफर परत और बफर परत/एपिटैक्सियल परत इंटरफेस से उत्पन्न होने वाली थ्रेडिंग अव्यवस्थाएं सब्सट्रेट की समतलता से संबंधित हैं [5]।
चित्र 4 विभिन्न सतह उपचार स्थितियों (ए) रासायनिक सफाई के तहत 6H-SiC सब्सट्रेट (0001) पर उगाए गए GaN एपीटैक्सियल परत नमूनों की TEM आकृति विज्ञान; (बी) रासायनिक सफाई + हाइड्रोजन प्लाज्मा उपचार; (सी) रासायनिक सफाई + हाइड्रोजन प्लाज्मा उपचार + 30 मिनट के लिए 1300℃ हाइड्रोजन ताप उपचार
Si पर GaN एपिटैक्सी
सिलिकॉन कार्बाइड, नीलमणि और अन्य सब्सट्रेट्स की तुलना में, सिलिकॉन सब्सट्रेट तैयारी प्रक्रिया परिपक्व है, और यह उच्च लागत प्रदर्शन के साथ परिपक्व बड़े आकार के सब्सट्रेट्स प्रदान कर सकती है। साथ ही, तापीय चालकता और विद्युत चालकता अच्छी है, और सी इलेक्ट्रॉनिक उपकरण प्रक्रिया परिपक्व है। भविष्य में Si इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के साथ ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक GaN उपकरणों को पूरी तरह से एकीकृत करने की संभावना भी सिलिकॉन पर GaN एपिटॉक्सी के विकास को बहुत आकर्षक बनाती है।
हालाँकि, Si सब्सट्रेट और GaN सामग्री के बीच जाली स्थिरांक में बड़े अंतर के कारण, Si सब्सट्रेट पर GaN की विषम एपिटैक्सी एक विशिष्ट बड़ी बेमेल एपिटैक्सी है, और इसे समस्याओं की एक श्रृंखला का सामना करने की भी आवश्यकता है:
✔ भूतल इंटरफ़ेस ऊर्जा समस्या। जब GaN एक Si सब्सट्रेट पर बढ़ता है, तो Si सब्सट्रेट की सतह को पहले एक अनाकार सिलिकॉन नाइट्राइड परत बनाने के लिए नाइट्राइड किया जाएगा जो उच्च घनत्व वाले GaN के न्यूक्लियेशन और विकास के लिए अनुकूल नहीं है। इसके अलावा, Si सतह सबसे पहले Ga से संपर्क करेगी, जो Si सब्सट्रेट की सतह को संक्षारित कर देगी। उच्च तापमान पर, Si सतह का अपघटन GaN एपीटैक्सियल परत में फैलकर काले सिलिकॉन धब्बे बना देगा।
✔ GaN और Si के बीच जाली निरंतर बेमेल बड़ी (~17%) है, जिससे उच्च-घनत्व थ्रेडिंग अव्यवस्थाओं का निर्माण होगा और एपिटैक्सियल परत की गुणवत्ता में काफी कमी आएगी;
✔ Si की तुलना में, GaN का तापीय विस्तार गुणांक बड़ा है (GaN का तापीय विस्तार गुणांक लगभग 5.6×10-6K-1 है, Si का तापीय विस्तार गुणांक लगभग 2.6×10-6K-1 है), और GaN में दरारें उत्पन्न हो सकती हैं एपिटैक्सियल तापमान को कमरे के तापमान तक ठंडा करने के दौरान एपिटैक्सियल परत;
✔ Si उच्च तापमान पर NH3 के साथ प्रतिक्रिया करके पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx बनाता है। AlN पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx पर अधिमानतः उन्मुख नाभिक नहीं बना सकता है, जिससे बाद में विकसित GaN परत का अव्यवस्थित अभिविन्यास होता है और बड़ी संख्या में दोष होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप GaN एपीटैक्सियल परत की क्रिस्टल गुणवत्ता खराब होती है, और एकल-क्रिस्टलीय बनाने में भी कठिनाई होती है। GaN एपीटैक्सियल परत [6]।
बड़े जाली बेमेल की समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने Si सब्सट्रेट्स पर बफर परतों के रूप में AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO और SiC जैसी सामग्रियों को पेश करने का प्रयास किया है। पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx के निर्माण से बचने और GaN/AlN/Si (111) सामग्रियों की क्रिस्टल गुणवत्ता पर इसके प्रतिकूल प्रभाव को कम करने के लिए, आमतौर पर AlN बफर परत के एपिटैक्सियल विकास से पहले एक निश्चित अवधि के लिए TML को पेश करने की आवश्यकता होती है। NH3 को उजागर Si सतह के साथ प्रतिक्रिया करके SiNx बनाने से रोकने के लिए। इसके अलावा, एपिटैक्सियल प्रौद्योगिकियों जैसे पैटर्न वाली सब्सट्रेट तकनीक का उपयोग एपिटैक्सियल परत की गुणवत्ता में सुधार के लिए किया जा सकता है। इन प्रौद्योगिकियों के विकास से एपिटैक्सियल इंटरफ़ेस पर SiNx के गठन को रोकने, GaN एपिटैक्सियल परत के द्वि-आयामी विकास को बढ़ावा देने और एपिटैक्सियल परत की विकास गुणवत्ता में सुधार करने में मदद मिलती है। इसके अलावा, सिलिकॉन सब्सट्रेट पर GaN एपिटैक्सियल परत में दरार से बचने के लिए थर्मल विस्तार गुणांक में अंतर के कारण होने वाले तन्य तनाव की भरपाई के लिए एक AlN बफर परत पेश की जाती है। क्रोस्ट के शोध से पता चलता है कि AlN बफर परत की मोटाई और तनाव में कमी के बीच एक सकारात्मक संबंध है। जब बफर परत की मोटाई 12nm तक पहुंच जाती है, तो 6μm से अधिक मोटी एपिटैक्सियल परत को एपिटैक्सियल परत में दरार के बिना एक उपयुक्त विकास योजना के माध्यम से सिलिकॉन सब्सट्रेट पर उगाया जा सकता है।
शोधकर्ताओं के दीर्घकालिक प्रयासों के बाद, सिलिकॉन सब्सट्रेट्स पर विकसित GaN एपीटैक्सियल परतों की गुणवत्ता में काफी सुधार हुआ है, और क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर, शोट्की बैरियर पराबैंगनी डिटेक्टर, नीले-हरे एलईडी और पराबैंगनी लेजर जैसे उपकरणों ने महत्वपूर्ण प्रगति की है।
संक्षेप में, चूंकि आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले GaN एपिटैक्सियल सब्सट्रेट सभी विषम एपिटैक्स होते हैं, वे सभी सामान्य समस्याओं का सामना करते हैं जैसे कि जाली बेमेल और थर्मल विस्तार गुणांक में अलग-अलग डिग्री तक बड़े अंतर। सजातीय एपिटैक्सियल GaN सब्सट्रेट्स प्रौद्योगिकी की परिपक्वता द्वारा सीमित हैं, और सब्सट्रेट्स का अभी तक बड़े पैमाने पर उत्पादन नहीं किया गया है। उत्पादन लागत अधिक है, सब्सट्रेट का आकार छोटा है, और सब्सट्रेट की गुणवत्ता आदर्श नहीं है। नए GaN एपिटैक्सियल सब्सट्रेट्स का विकास और एपिटैक्सियल गुणवत्ता में सुधार अभी भी GaN एपिटैक्सियल उद्योग के आगे के विकास को प्रतिबंधित करने वाले महत्वपूर्ण कारकों में से एक है।
चतुर्थ. GaN एपिटैक्सी के लिए सामान्य तरीके
एमओसीवीडी (रासायनिक वाष्प जमाव)
ऐसा लगता है कि GaN सबस्ट्रेट्स पर सजातीय एपिटॉक्सी GaN एपिटॉक्सी के लिए सबसे अच्छा विकल्प है। हालाँकि, चूंकि रासायनिक वाष्प जमाव के अग्रदूत ट्राइमेथिलगैलियम और अमोनिया हैं, और वाहक गैस हाइड्रोजन है, सामान्य MOCVD वृद्धि तापमान लगभग 1000-1100 ℃ है, और MOCVD की वृद्धि दर लगभग कुछ माइक्रोन प्रति घंटे है। यह परमाणु स्तर पर स्थिर इंटरफेस का उत्पादन कर सकता है, जो बढ़ते हेटेरोजंक्शन, क्वांटम कुएं, सुपरलैटिस और अन्य संरचनाओं के लिए बहुत उपयुक्त है। इसकी तेज़ विकास दर, अच्छी एकरूपता और बड़े क्षेत्र और बहु-टुकड़े विकास के लिए उपयुक्तता का उपयोग अक्सर औद्योगिक उत्पादन में किया जाता है।
एमबीई (आण्विक बीम एपिटैक्सी)
आणविक बीम एपिटैक्सी में, गा एक मौलिक स्रोत का उपयोग करता है, और सक्रिय नाइट्रोजन आरएफ प्लाज्मा के माध्यम से नाइट्रोजन से प्राप्त किया जाता है। एमओसीवीडी विधि की तुलना में, एमबीई विकास तापमान लगभग 350-400℃ कम है। कम विकास तापमान कुछ प्रदूषण से बच सकता है जो उच्च तापमान वाले वातावरण के कारण हो सकता है। एमबीई प्रणाली अल्ट्रा-हाई वैक्यूम के तहत संचालित होती है, जो इसे अधिक इन-सीटू डिटेक्शन विधियों को एकीकृत करने की अनुमति देती है। वहीं, इसकी विकास दर और उत्पादन क्षमता की तुलना MOCVD से नहीं की जा सकती है, और इसका उपयोग वैज्ञानिक अनुसंधान में अधिक किया जाता है [7]।
चित्र 5 (ए) ईको-एमबीई योजनाबद्ध (बी) एमबीई मुख्य प्रतिक्रिया कक्ष योजनाबद्ध
एचवीपीई विधि (हाइड्राइड वाष्प चरण एपिटैक्सी)
हाइड्राइड वाष्प चरण एपिटैक्सी विधि के अग्रदूत GaCl3 और NH3 हैं। डेचप्रोम एट अल. नीलमणि सब्सट्रेट की सतह पर सैकड़ों माइक्रोन मोटी GaN एपिटैक्सियल परत विकसित करने के लिए इस विधि का उपयोग किया। उनके प्रयोग में, बफर परत के रूप में नीलमणि सब्सट्रेट और एपिटैक्सियल परत के बीच ZnO की एक परत विकसित की गई थी, और एपिटैक्सियल परत को सब्सट्रेट सतह से छील दिया गया था। एमओसीवीडी और एमबीई की तुलना में, एचवीपीई पद्धति की मुख्य विशेषता इसकी उच्च विकास दर है, जो मोटी परतों और थोक सामग्रियों के उत्पादन के लिए उपयुक्त है। हालाँकि, जब एपिटैक्सियल परत की मोटाई 20μm से अधिक हो जाती है, तो इस विधि द्वारा निर्मित एपिटैक्सियल परत में दरार पड़ने का खतरा होता है।
अकीरा यूएसयूआई ने इस पद्धति के आधार पर पैटर्न वाली सब्सट्रेट तकनीक पेश की। उन्होंने सबसे पहले MOCVD विधि का उपयोग करके नीलमणि सब्सट्रेट पर एक पतली 1-1.5μm मोटी GaN एपिटैक्सियल परत विकसित की। एपिटैक्सियल परत में 20 एनएम मोटी GaN बफर परत होती है जो कम तापमान की स्थिति में विकसित होती है और एक GaN परत उच्च तापमान की स्थिति में विकसित होती है। फिर, 430℃ पर, एपिटैक्सियल परत की सतह पर SiO2 की एक परत चढ़ायी गई, और फोटोलिथोग्राफी द्वारा SiO2 फिल्म पर खिड़की की धारियां बनाई गईं। धारियों की दूरी 7μm थी और मास्क की चौड़ाई 1μm से 4μm तक थी। इस सुधार के बाद, उन्होंने 2-इंच व्यास वाले नीलमणि सब्सट्रेट पर एक GaN एपिटैक्सियल परत प्राप्त की जो दरार-मुक्त और दर्पण की तरह चिकनी थी, तब भी जब मोटाई दसियों या यहां तक कि सैकड़ों माइक्रोन तक बढ़ गई थी। दोष घनत्व पारंपरिक एचवीपीई विधि के 109-1010 सेमी-2 से घटाकर लगभग 6×107 सेमी-2 कर दिया गया था। उन्होंने प्रयोग में यह भी बताया कि जब वृद्धि दर 75μm/h से अधिक हो जाती है, तो नमूना सतह खुरदरी हो जाएगी [8]।
चित्र 6 ग्राफिकल सब्सट्रेट योजनाबद्ध
वी. सारांश और आउटलुक
GaN सामग्री 2014 में उभरनी शुरू हुई जब नीली रोशनी वाली एलईडी ने उस वर्ष भौतिकी में नोबेल पुरस्कार जीता, और उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स क्षेत्र में फास्ट चार्जिंग अनुप्रयोगों के जनता के क्षेत्र में प्रवेश किया। वास्तव में, 5G बेस स्टेशनों में उपयोग किए जाने वाले पावर एम्पलीफायरों और आरएफ उपकरणों में ऐसे अनुप्रयोग भी चुपचाप सामने आए हैं जिन्हें ज्यादातर लोग नहीं देख सकते हैं। हाल के वर्षों में, GaN-आधारित ऑटोमोटिव-ग्रेड बिजली उपकरणों की सफलता से GaN सामग्री अनुप्रयोग बाजार के लिए नए विकास बिंदु खुलने की उम्मीद है।
बाजार की भारी मांग निश्चित रूप से GaN-संबंधित उद्योगों और प्रौद्योगिकियों के विकास को बढ़ावा देगी। GaN-संबंधित औद्योगिक श्रृंखला की परिपक्वता और सुधार के साथ, वर्तमान GaN एपिटैक्सियल तकनीक के सामने आने वाली समस्याओं में अंततः सुधार या काबू पा लिया जाएगा। भविष्य में, लोग निश्चित रूप से अधिक नई एपिटैक्सियल तकनीक और अधिक उत्कृष्ट सब्सट्रेट विकल्प विकसित करेंगे। तब तक, लोग एप्लिकेशन परिदृश्यों की विशेषताओं के अनुसार विभिन्न एप्लिकेशन परिदृश्यों के लिए सबसे उपयुक्त बाहरी अनुसंधान तकनीक और सब्सट्रेट चुनने में सक्षम होंगे, और सबसे अधिक प्रतिस्पर्धी अनुकूलित उत्पाद तैयार कर सकेंगे।
पोस्ट समय: जून-28-2024