Երրորդ սերնդի կիսահաղորդիչ GaN և հարակից էպիտաքսիալ տեխնոլոգիայի համառոտ ներածություն

1. Երրորդ սերնդի կիսահաղորդիչներ

Առաջին սերնդի կիսահաղորդչային տեխնոլոգիան մշակվել է կիսահաղորդչային նյութերի հիման վրա, ինչպիսիք են Si-ը և Ge-ն: Այն նյութական հիմք է տրանզիստորների և ինտեգրալ սխեմաների տեխնոլոգիայի զարգացման համար։ Առաջին սերնդի կիսահաղորդչային նյութերը 20-րդ դարում հիմք դրեցին էլեկտրոնային արդյունաբերության համար և հանդիսանում են ինտեգրալային միացումների տեխնոլոգիայի հիմնական նյութերը:

Երկրորդ սերնդի կիսահաղորդչային նյութերը հիմնականում ներառում են գալիումի արսենիդը, ինդիումի ֆոսֆիդը, գալիումի ֆոսֆիդը, ինդիումի արսենիդը, ալյումինի արսենիդը և դրանց եռակի միացությունները։ Երկրորդ սերնդի կիսահաղորդչային նյութերը օպտոէլեկտրոնային տեղեկատվական արդյունաբերության հիմքն են: Այս հիման վրա մշակվել են հարակից ոլորտներ, ինչպիսիք են լուսավորությունը, ցուցադրումը, լազերային և ֆոտոգալվանային սարքերը: Դրանք լայնորեն կիրառվում են ժամանակակից տեղեկատվական տեխնոլոգիաների և օպտոէլեկտրոնային ցուցադրման արդյունաբերության մեջ:

Երրորդ սերնդի կիսահաղորդչային նյութերի ներկայացուցչական նյութերը ներառում են գալիումի նիտրիդը և սիլիցիումի կարբիդը: Իրենց լայն գոտու բացվածքի, էլեկտրոնների հագեցվածության բարձր արագության, բարձր ջերմային հաղորդունակության և ճեղքման դաշտի բարձր ուժի շնորհիվ դրանք իդեալական նյութեր են բարձր էներգիայի խտության, բարձր հաճախականության և ցածր կորստի էլեկտրոնային սարքեր պատրաստելու համար: Դրանցից սիլիցիումի կարբիդային էներգիայի սարքերն ունեն էներգիայի բարձր խտության, էներգիայի ցածր սպառման և փոքր չափի առավելությունները, ինչպես նաև լայն կիրառման հեռանկարներ ունեն նոր էներգիայի մեքենաների, ֆոտոգալվանային, երկաթուղային տրանսպորտի, մեծ տվյալների և այլ ոլորտներում: Գալիումի նիտրիդային ռադիոհաճախական սարքերն ունեն բարձր հաճախականության, բարձր հզորության, լայն թողունակության, ցածր էներգիայի սպառման և փոքր չափի առավելությունները, ինչպես նաև կիրառման լայն հեռանկարներ ունեն 5G կապի, իրերի ինտերնետի, ռազմական ռադարի և այլ ոլորտներում: Բացի այդ, ցածր լարման դաշտում լայնորեն օգտագործվել են գալիումի նիտրիդի վրա հիմնված էներգիայի սարքերը: Բացի այդ, վերջին տարիներին ակնկալվում է, որ առաջացող գալիումի օքսիդի նյութերը կձևավորեն տեխնիկական փոխլրացում գոյություն ունեցող SiC և GaN տեխնոլոգիաների հետ և կունենան կիրառման հնարավոր հեռանկարներ ցածր հաճախականության և բարձր լարման ոլորտներում:

Երկրորդ սերնդի կիսահաղորդչային նյութերի համեմատությամբ, երրորդ սերնդի կիսահաղորդչային նյութերն ունեն ավելի լայն շերտի լայնություն (Si-ի տիրույթի լայնությունը, առաջին սերնդի կիսահաղորդչային նյութի տիպիկ նյութը, մոտ 1.1eV է, GaAs-ի տիրույթի լայնությունը, բնորոշ է: երկրորդ սերնդի կիսահաղորդչային նյութի նյութը մոտ 1,42 էՎ է, իսկ շերտի լայնությունը՝ GaN-ը, երրորդ սերնդի կիսահաղորդչային նյութի տիպիկ նյութը, 2.3eV-ից բարձր է), ավելի ուժեղ ճառագայթման դիմադրություն, ավելի ուժեղ դիմադրություն էլեկտրական դաշտի քայքայմանը և ավելի բարձր ջերմաստիճանի դիմադրություն: Երրորդ սերնդի կիսահաղորդչային նյութերն ավելի լայն շերտի լայնությամբ հատկապես հարմար են ճառագայթման դիմացկուն, բարձր հաճախականության, հզորության և բարձր ինտեգրման խտության էլեկտրոնային սարքերի արտադրության համար: Նրանց կիրառությունները միկրոալիքային ռադիոհաճախականության սարքերում, LED-ներում, լազերներում, էլեկտրաէներգիայի սարքերում և այլ ոլորտներում մեծ ուշադրություն են գրավել, և դրանք զարգացման լայն հեռանկարներ են ցույց տվել բջջային կապի, խելացի ցանցերի, երկաթուղային տրանսպորտի, նոր էներգիայի տրանսպորտային միջոցների, սպառողական էլեկտրոնիկայի, ուլտրամանուշակագույն և կապույտ: -կանաչ լույսի սարքեր [1]:

Պատկերի աղբյուրը՝ CASA, Zheshang Securities Research Institute

Նկար 1 GaN էներգիայի սարքի ժամանակի սանդղակը և կանխատեսումը

II GaN նյութի կառուցվածքը և բնութագրերը

GaN-ը ուղիղ տիրույթի կիսահաղորդիչ է: Սենյակային ջերմաստիճանում վուրցիտի կառուցվածքի տիրույթի լայնությունը մոտ 3,26 էՎ է: GaN-ի նյութերն ունեն երեք հիմնական բյուրեղային կառուցվածք՝ վուրցիտի կառուցվածք, սֆալերիտի կառուցվածք և քարի աղի կառուցվածք: Դրանցից վուրցիտի կառուցվածքը ամենակայուն բյուրեղային կառուցվածքն է։ Նկար 2-ը GaN-ի վեցանկյուն վուրցիտի կառուցվածքի դիագրամ է: GaN նյութի վուրցիտային կառուցվածքը պատկանում է վեցանկյուն փակ կառուցվածքին։ Յուրաքանչյուր միավոր բջիջ ունի 12 ատոմ, այդ թվում՝ 6 N ատոմ և 6 Ga ատոմ: Յուրաքանչյուր Ga (N) ատոմ կապ է կազմում 4 մոտակա N (Ga) ատոմների հետ և դրված է ABABAB-ի կարգով… [0001] ուղղությամբ [2]:

Նկար 2 Wurtzite կառուցվածքը GaN բյուրեղային բջիջների դիագրամ

III Սովորաբար օգտագործվող ենթաշերտեր GaN էպիտաքսիայի համար

Թվում է, որ GaN սուբստրատների վրա համասեռ էպիտաքսիան լավագույն ընտրությունն է GaN էպիտաքսիայի համար: Այնուամենայնիվ, GaN-ի կապի մեծ էներգիայի շնորհիվ, երբ ջերմաստիճանը հասնում է 2500℃ հալման կետին, դրա տարրալուծման համապատասխան ճնշումը կազմում է մոտ 4,5 ԳՊա: Երբ տարրալուծման ճնշումը ցածր է այս ճնշումից, GaN-ը չի հալվում, այլ ուղղակիորեն քայքայվում է: Սա դարձնում է հասուն ենթաշերտի պատրաստման տեխնոլոգիաները, ինչպիսին է Չոխրալսկու մեթոդը GaN-ի միաբյուրեղային սուբստրատների պատրաստման համար ոչ պիտանի՝ դարձնելով GaN սուբստրատների զանգվածային արտադրությունը և թանկարժեք: Հետևաբար, GaN-ի էպիտաքսիալ աճի համար սովորաբար օգտագործվող ենթաշերտերն են հիմնականում Si, SiC, շափյուղա և այլն [3]։

Գծապատկեր 3 GaN և սովորաբար օգտագործվող ենթաշերտի նյութերի պարամետրերը

GaN epitaxy վրա շափյուղա

Շափյուղան ունի կայուն քիմիական հատկություններ, էժան է և ունի լայնածավալ արտադրական արդյունաբերության բարձր հասունություն: Հետևաբար, այն դարձել է կիսահաղորդչային սարքերի ճարտարագիտության մեջ ամենավաղ և լայնորեն օգտագործվող ենթաշերտի նյութերից մեկը: Որպես GaN էպիտաքսիայի համար սովորաբար օգտագործվող ենթաշերտերից մեկը, շափյուղայի ենթաշերտերի համար պետք է լուծվեն հիմնական խնդիրները.

✔ Շափյուղայի (Al2O3) և GaN-ի (մոտ 15%) ցանցերի մեծ անհամապատասխանության պատճառով էպիտաքսիալ շերտի և ենթաշերտի միջերեսի թերության խտությունը շատ բարձր է: Իր անբարենպաստ ազդեցությունները նվազեցնելու համար ենթաշերտը պետք է ենթարկվի բարդ նախնական մշակման՝ նախքան էպիտաքսիայի գործընթացը սկսելը: Նախքան շափյուղայի ենթաշերտերի վրա GaN էպիտաքսիան աճեցնելը, հիմքի մակերեսը նախ պետք է խստորեն մաքրվի՝ հեռացնելու աղտոտիչները, փայլեցման մնացորդային վնասը և այլն, ինչպես նաև ստեղծել աստիճաններ և մակերևույթի կառուցվածքներ: Այնուհետև ենթաշերտի մակերեսը ազոտվում է՝ էպիտաքսիալ շերտի թրջող հատկությունները փոխելու համար: Վերջապես, բարակ AlN բուֆերային շերտը (սովորաբար 10-100 նմ հաստությամբ) պետք է տեղադրվի ենթաշերտի մակերեսի վրա և եռացվի ցածր ջերմաստիճանում՝ վերջնական էպիտաքսիալ աճին պատրաստվելու համար: Այնուամենայնիվ, շափյուղայի հիմքերի վրա աճեցված GaN էպիտաքսիալ թաղանթներում տեղահանման խտությունը դեռ ավելի բարձր է, քան հոմոէպիտաքսիալ թաղանթները (մոտ 1010 սմ-2՝ համեմատած սիլիցիումի հոմոէպիտաքսիալ թաղանթների կամ գալիումի արսենիդային հոմոէպիտաքսիալ թաղանթների զրոյական տեղահանման խտության հետ, կամ 2-ից 104 սմ-ի միջև։ 2). Ավելի բարձր թերության խտությունը նվազեցնում է կրիչի շարժունակությունը, դրանով իսկ կրճատելով փոքրամասնության կրիչի կյանքը և նվազեցնելով ջերմային հաղորդունակությունը, ինչը կնվազեցնի սարքի աշխատանքը [4];

✔ Շափյուղայի ջերմային ընդարձակման գործակիցը ավելի մեծ է, քան GaN-ը, հետևաբար էպիտաքսիալ շերտում կստեղծվի բիաքսիալ սեղմման լարում նստվածքի ջերմաստիճանից մինչև սենյակային ջերմաստիճան սառեցման գործընթացում: Ավելի հաստ էպիտաքսիալ թաղանթների դեպքում այս լարվածությունը կարող է առաջացնել թաղանթի կամ նույնիսկ ենթաշերտի ճեղքվածք;

✔ Համեմատած այլ ենթաշերտերի հետ՝ շափյուղայի ենթաշերտերի ջերմային հաղորդունակությունն ավելի ցածր է (մոտ 0.25W*cm-1*K-1 100℃ ջերմաստիճանում), և ջերմության ցրման արդյունավետությունը վատ է.

✔ Իր վատ հաղորդունակության պատճառով շափյուղայի ենթաշերտերը չեն նպաստում դրանց ինտեգրմանը և կիրառմանը այլ կիսահաղորդչային սարքերի հետ:

Թեև շափյուղայի ենթաշերտերի վրա աճեցված GaN էպիտաքսիալ շերտերի թերության խտությունը մեծ է, այն կարծես թե էապես չի նվազեցնում GaN-ի վրա հիմնված կապույտ-կանաչ LED-ների օպտոէլեկտրոնային կատարումը, ուստի շափյուղայի ենթաշերտերը դեռ սովորաբար օգտագործվում են GaN-ի վրա հիմնված LED-ների համար:

GaN սարքերի ավելի շատ նոր կիրառությունների մշակմամբ, ինչպիսիք են լազերները կամ այլ բարձր խտության էներգիայի սարքերը, շափյուղայի ենթաշերտերի բնորոշ թերությունները գնալով դառնում են դրանց կիրառման սահմանափակում: Բացի այդ, SiC ենթաշերտի աճի տեխնոլոգիայի զարգացման, ծախսերի կրճատման և Si substrates-ի վրա GaN էպիտաքսիալ տեխնոլոգիայի հասունացման հետ մեկտեղ, շափյուղայի ենթաշերտերի վրա GaN էպիտաքսիալ շերտերի աճող ավելի շատ հետազոտություններ աստիճանաբար ցույց են տվել սառեցման միտում:

GaN էպիտաքսիա SiC-ի վրա

Շափյուղայի հետ համեմատած SiC սուբստրատները (4H- և 6H-բյուրեղները) ունեն ավելի փոքր վանդակավոր անհամապատասխանություն GaN-ի էպիտաքսիալ շերտերի հետ (3,1%, համարժեք է [0001] կողմնորոշված ​​էպիտաքսիալ թաղանթներին), ավելի բարձր ջերմահաղորդություն (մոտ 3,8W*cm-1*K): -1) և այլն: Բացի այդ, SiC սուբստրատների հաղորդունակությունը թույլ է տալիս նաև էլեկտրական կոնտակտներ պատրաստված է ենթաշերտի հետևի մասում, որն օգնում է պարզեցնել սարքի կառուցվածքը: Այս առավելությունների առկայությունը գրավել է ավելի ու ավելի շատ հետազոտողների՝ աշխատելու GaN էպիտաքսիայի վրա սիլիցիումի կարբիդի ենթաշերտերի վրա:

Այնուամենայնիվ, SiC սուբստրատների վրա ուղղակիորեն աշխատելը, որպեսզի խուսափի GaN էպիլաշերտերի աճից, նույնպես բախվում է մի շարք թերությունների, ներառյալ հետևյալը.

✔ SiC սուբստրատների մակերևույթի կոշտությունը շատ ավելի բարձր է, քան շափյուղայի ենթաշերտերը (շափյուղայի կոպտությունը 0,1 նմ RMS, SiC կոպտությունը 1 նմ RMS), SiC ենթաշերտերն ունեն բարձր կարծրություն և վատ մշակման կատարում, և այս կոպտությունն ու փայլեցման մնացորդային վնասը նույնպես մեկն է։ GaN էպիլաշերտների թերությունների աղբյուրները.

✔ SiC սուբստրատների պտուտակների տեղահանման խտությունը բարձր է (տեղահանման խտությունը 103-104 սմ-2), պտուտակների տեղահանումը կարող է տարածվել GaN էպիլաշերտի վրա և նվազեցնել սարքի աշխատանքը;

✔ Ենթաշերտի մակերևույթի վրա ատոմային դասավորությունը առաջացնում է GaN էպիլաշերտում կուտակվող խզվածքների (BSFs) ձևավորում: SiC սուբստրատների վրա էպիտաքսիալ GaN-ի համար սուբստրատի վրա կան բազմաթիվ հնարավոր ատոմային դասավորության կարգեր, ինչը հանգեցնում է դրա վրա էպիտաքսիալ GaN շերտի սկզբնական ատոմային դասավորության անհամապատասխանության, որը հակված է կուտակման անսարքությունների: Հավաքվող խզվածքները (SFs) ներկառուցված էլեկտրական դաշտեր են ներմուծում c առանցքի երկայնքով, ինչը հանգեցնում է այնպիսի խնդիրների, ինչպիսիք են ինքնաթիռում կրիչի բաժանման սարքերի արտահոսքը.

✔ SiC սուբստրատի ջերմային ընդարձակման գործակիցը փոքր է AlN-ի և GaN-ի համեմատ, ինչը սառեցման գործընթացում առաջացնում է ջերմային սթրեսի կուտակում էպիտաքսիալ շերտի և ենթաշերտի միջև: Waltereit-ը և Brand-ը իրենց հետազոտության արդյունքների հիման վրա կանխատեսել են, որ այս խնդիրը կարելի է մեղմել կամ լուծել GaN-ի էպիտաքսիալ շերտերն աճեցնելով բարակ, համահունչ լարված AlN միջուկային շերտերի վրա;

✔ Ga ատոմների վատ թրջելիության խնդիրը։ GaN-ի էպիտաքսիալ շերտերն անմիջապես SiC մակերեսի վրա աճեցնելիս, երկու ատոմների միջև վատ թրջելիության պատճառով, GaN-ը հակված է ենթաշերտի մակերեսի վրա 3D կղզու աճին: Բուֆերային շերտի ներդրումը GaN էպիտաքսիայում էպիտաքսիալ նյութերի որակը բարելավելու ամենատարածված լուծումն է: AlN կամ AlxGa1-xN բուֆերային շերտի ներդրումը կարող է արդյունավետորեն բարելավել SiC մակերեսի թրջելիությունը և ստիպել GaN էպիտաքսիալ շերտը աճել երկու չափսերով: Բացի այդ, այն կարող է նաև կարգավորել սթրեսը և կանխել ենթաշերտի թերությունների տարածումը GaN էպիտաքսիայի վրա;

✔ SiC սուբստրատների պատրաստման տեխնոլոգիան անհաս է, ենթաշերտի արժեքը բարձր է, և կան քիչ մատակարարներ և քիչ մատակարարումներ:

Torres et al.-ի հետազոտությունը ցույց է տալիս, որ SiC սուբստրատի փորագրումը H2-ով բարձր ջերմաստիճանում (1600°C) մինչև էպատաքսիան կարող է ավելի կարգավորված աստիճանային կառուցվածք ստեղծել ենթաշերտի մակերեսի վրա՝ դրանով իսկ ստանալով ավելի բարձր որակի AlN էպիտաքսիալ թաղանթ, քան այն ուղղակիորեն: աճեցված սկզբնական ենթաշերտի մակերեսի վրա: Xie-ի և նրա թիմի հետազոտությունները նաև ցույց են տալիս, որ սիլիցիումի կարբիդի ենթաշերտի փորագրման նախնական մշակումը կարող է զգալիորեն բարելավել GaN էպիտաքսիալ շերտի մակերեսի մորֆոլոգիան և բյուրեղների որակը: Սմիթը և այլք: պարզվել է, որ սուբստրատի/բուֆերային շերտից և բուֆերային շերտի/էպիտաքսիալ շերտի միջերեսներից առաջացող թելերի տեղաշարժերը կապված են ենթաշերտի հարթության հետ [5]:

Նկար 4 6H-SiC սուբստրատի վրա (0001) մակերևութային մշակման տարբեր պայմաններում աճեցված GaN էպիտաքսիալ շերտի նմուշների TEM մորֆոլոգիա (ա) քիմիական մաքրում; բ) քիմիական մաքրում + ջրածնային պլազմայի մշակում. (գ) քիմիական մաքրում + ջրածնային պլազմայի բուժում + 1300 ℃ ջրածնային ջերմային բուժում 30 րոպեի ընթացքում

GaN epitaxy on Si

Համեմատած սիլիցիումի կարբիդի, շափյուղայի և այլ ենթաշերտերի հետ՝ սիլիցիումի ենթաշերտի պատրաստման գործընթացը հասուն է, և այն կարող է կայուն կերպով ապահովել հասուն մեծ չափի ենթաշերտեր՝ բարձր գնով: Միևնույն ժամանակ, ջերմային հաղորդունակությունը և էլեկտրական հաղորդունակությունը լավ են, իսկ Si էլեկտրոնային սարքի գործընթացը հասուն է: Ապագայում օպտոէլեկտրոնային GaN սարքերը Si էլեկտրոնային սարքերի հետ կատարելապես ինտեգրվելու հնարավորությունը նույնպես շատ գրավիչ է դարձնում GaN էպիտաքսիայի աճը սիլիցիումի վրա:

Այնուամենայնիվ, Si substrate-ի և GaN նյութի միջև վանդակավոր հաստատունների մեծ տարբերության պատճառով, Si substrate-ի վրա GaN-ի տարասեռ էպիտաքսիան տիպիկ մեծ անհամապատասխանության էպիտաքսիա է, և այն նաև պետք է բախվի մի շարք խնդիրների.

✔ Մակերեւութային ինտերֆեյսի էներգիայի խնդիր: Երբ GaN-ն աճում է Si սուբստրատի վրա, Si substrate-ի մակերեսը նախ կազոտվի՝ ձևավորելով ամորֆ սիլիցիումի նիտրիդային շերտ, որը չի նպաստում բարձր խտության GaN-ի միջուկացմանն ու աճին: Բացի այդ, Si մակերեսը նախ կկապվի Ga-ի հետ, որը կոռոզիայի կենթարկի Si substrate-ի մակերեսը։ Բարձր ջերմաստիճանի դեպքում Si մակերեսի քայքայումը կցրվի GaN էպիտաքսիալ շերտի մեջ՝ ձևավորելով սիլիցիումի սև բծեր։

✔ վանդակավոր հաստատուն անհամապատասխանությունը GaN-ի և Si-ի միջև մեծ է (~17%), ինչը կհանգեցնի թելերի բարձր խտության տեղաշարժերի ձևավորմանը և զգալիորեն կնվազեցնի էպիտաքսիալ շերտի որակը;

✔ Si-ի համեմատ GaN-ն ունի ավելի մեծ ջերմային ընդարձակման գործակից (GaN-ի ջերմային ընդլայնման գործակիցը մոտ 5.6×10-6K-1 է, Si-ի ջերմային ընդլայնման գործակիցը մոտ 2.6×10-6K-1 է), և GaN-ում կարող են առաջանալ ճաքեր։ էպիտաքսիալ շերտը էպիտաքսիալ ջերմաստիճանը սենյակային ջերմաստիճանի սառեցման ժամանակ;

✔ Si-ն բարձր ջերմաստիճաններում փոխազդում է NH3-ի հետ՝ ձևավորելով բազմաբյուրեղ SiNx: AlN-ը չի կարող ձևավորել նախընտրելի կողմնորոշված ​​միջուկ պոլիբյուրեղային SiNx-ի վրա, ինչը հանգեցնում է հետագայում աճեցված GaN շերտի անկարգության և մեծ թվով արատների, ինչը հանգեցնում է GaN էպիտաքսիալ շերտի բյուրեղային վատ որակի և նույնիսկ միաբյուրեղի ձևավորման դժվարություններին: GaN էպիտաքսիալ շերտ [6]:

Խոշոր ցանցերի անհամապատասխանության խնդիրը լուծելու համար հետազոտողները փորձել են ներկայացնել այնպիսի նյութեր, ինչպիսիք են AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO և SiC, որպես բուֆերային շերտեր Si substrates-ի վրա: Բազմաբյուրեղ SiNx-ի ձևավորումից խուսափելու և GaN/AlN/Si (111) նյութերի բյուրեղային որակի վրա դրա անբարենպաստ ազդեցությունները նվազեցնելու համար, սովորաբար պահանջվում է, որ TMAl ներմուծվի որոշակի ժամանակահատված՝ մինչև AlN բուֆերային շերտի էպիտաքսիալ աճը: կանխելու NH3-ի արձագանքը բացված Si մակերեսի հետ՝ առաջացնելով SiNx: Բացի այդ, էպիտաքսիալ տեխնոլոգիաները, ինչպիսիք են նախշավոր ենթաշերտի տեխնոլոգիան, կարող են օգտագործվել էպիտաքսիալ շերտի որակը բարելավելու համար: Այս տեխնոլոգիաների մշակումն օգնում է արգելակել SiNx-ի ձևավորումը էպիտաքսիալ միջերեսում, խթանել GaN էպիտաքսիալ շերտի երկչափ աճը և բարելավել էպիտաքսիալ շերտի աճի որակը: Բացի այդ, ներդրվում է AlN բուֆերային շերտ՝ փոխհատուցելու ջերմային ընդարձակման գործակիցների տարբերության հետևանքով առաջացած առաձգական սթրեսը՝ սիլիցիումային ենթաշերտի վրա GaN էպիտաքսիալ շերտում ճաքերից խուսափելու համար: Կրոստի հետազոտությունը ցույց է տալիս, որ կա դրական հարաբերակցություն AlN բուֆերային շերտի հաստության և լարվածության կրճատման միջև։ Երբ բուֆերային շերտի հաստությունը հասնում է 12 նմ-ի, էպիտաքսիալ շերտը կարող է աճել 6 մկմ-ից ավելի հաստությամբ սիլիկոնային հիմքի վրա համապատասխան աճի սխեմայի միջոցով՝ առանց էպիտաքսիալ շերտի ճաքերի:

Հետազոտողների երկարատև ջանքերից հետո սիլիցիումային ենթաշերտերի վրա աճեցված GaN էպիտաքսիալ շերտերի որակը զգալիորեն բարելավվել է, և այնպիսի սարքերը, ինչպիսիք են դաշտային էֆեկտի տրանզիստորները, Schottky արգելքի ուլտրամանուշակագույն դետեկտորները, կապույտ-կանաչ LED-ները և ուլտրամանուշակագույն լազերները, զգալի առաջընթաց են գրանցել:

Ամփոփելով, քանի որ սովորաբար օգտագործվող GaN էպիտաքսիալ սուբստրատները բոլորը տարասեռ էպիտաքսիա են, դրանք բոլորն էլ բախվում են ընդհանուր խնդիրների, ինչպիսիք են ցանցերի անհամապատասխանությունը և տարբեր աստիճանի ջերմային ընդարձակման գործակիցների մեծ տարբերությունները: Միատարր էպիտաքսիալ GaN սուբստրատները սահմանափակված են տեխնոլոգիայի հասունությամբ, և սուբստրատները դեռ զանգվածային արտադրություն չեն ստացել: Արտադրության արժեքը բարձր է, հիմքի չափը փոքր է, իսկ ենթաշերտի որակը իդեալական չէ: Նոր GaN էպիտաքսիալ սուբստրատների մշակումը և էպիտաքսիալ որակի բարելավումը դեռևս հանդիսանում են GaN էպիտաքսիալ արդյունաբերության հետագա զարգացումը սահմանափակող կարևոր գործոններից մեկը:

IV. GaN էպիտաքսիայի ընդհանուր մեթոդներ

MOCVD (քիմիական գոլորշիների նստեցում)

Թվում է, որ GaN սուբստրատների վրա համասեռ էպիտաքսիան լավագույն ընտրությունն է GaN էպիտաքսիայի համար: Այնուամենայնիվ, քանի որ քիմիական գոլորշիների նստեցման պրեկուրսորներն են տրիմեթիլգալիումը և ամոնիակը, իսկ կրող գազը ջրածինն է, MOCVD-ի տիպիկ աճի ջերմաստիճանը մոտ 1000-1100℃ է, իսկ MOCVD-ի աճի արագությունը ժամում մոտ մի քանի միկրոն է: Այն կարող է ատոմային մակարդակում կտրուկ միջերեսներ արտադրել, ինչը շատ հարմար է հետերեջանցումների, քվանտային հորերի, գերվանդակների և այլ կառուցվածքների աճեցման համար։ Արդյունաբերական արտադրության մեջ հաճախ օգտագործվում են դրա արագ աճի տեմպերը, լավ միատեսակությունը և մեծ տարածքների և բազմաշերտ աճի համար համապատասխանությունը:
MBE (մոլեկուլային ճառագայթային էպիտաքսիա)
Մոլեկուլային ճառագայթային էպիտաքսիայում Ga-ն օգտագործում է տարրական աղբյուր, իսկ ակտիվ ազոտը ստացվում է ազոտից ՌԴ պլազմայի միջոցով։ MOCVD մեթոդի համեմատությամբ, MBE-ի աճի ջերմաստիճանը մոտ 350-400℃ ցածր է: Աճի ցածր ջերմաստիճանը կարող է խուսափել որոշակի աղտոտումից, որը կարող է առաջանալ բարձր ջերմաստիճանի միջավայրի պատճառով: MBE համակարգը գործում է գերբարձր վակուումի պայմաններում, ինչը թույլ է տալիս ինտեգրել տեղում հայտնաբերման ավելի շատ մեթոդներ: Միևնույն ժամանակ, դրա աճի տեմպերը և արտադրական հզորությունները չեն կարող համեմատվել MOCVD-ի հետ, և այն ավելի շատ օգտագործվում է գիտական ​​հետազոտություններում [7]։

Նկար 5 (ա) Eiko-MBE սխեմատիկ (բ) MBE հիմնական ռեակցիայի պալատի սխեմա

HVPE մեթոդ (հիդրիդ գոլորշի փուլային էպիտաքսիա)
Հիդրիդային գոլորշի փուլային էպիտաքսիայի մեթոդի պրեկուրսորներն են GaCl3 և NH3: Detchprohm et al. օգտագործեց այս մեթոդը շափյուղայի ենթաշերտի մակերեսին հարյուրավոր միկրոն հաստությամբ GaN էպիտաքսիալ շերտ աճեցնելու համար: Նրանց փորձի ժամանակ շափյուղայի ենթաշերտի և էպիտաքսիալ շերտի միջև աճեցվեց ZnO-ի շերտ՝ որպես բուֆերային շերտ, իսկ էպիտաքսիալ շերտը մաքրվեց սուբստրատի մակերեսից: Համեմատած MOCVD-ի և MBE-ի հետ՝ HVPE մեթոդի հիմնական առանձնահատկությունը նրա աճի բարձր տեմպն է, որը հարմար է հաստ շերտերի և զանգվածային նյութերի արտադրության համար: Այնուամենայնիվ, երբ էպիտաքսիալ շերտի հաստությունը գերազանցում է 20 մկմ-ը, այս մեթոդով արտադրված էպիտաքսիալ շերտը հակված է ճաքերի:
Akira USUI-ն այս մեթոդի հիման վրա ներկայացրեց նախշավոր ենթաշերտի տեխնոլոգիա: Նրանք նախ աճեցրել են բարակ 1-1,5 մկմ հաստությամբ GaN էպիտաքսիալ շերտը շափյուղայի հիմքի վրա՝ օգտագործելով MOCVD մեթոդը: Էպիտաքսիալ շերտը բաղկացած էր 20 նմ հաստությամբ GaN բուֆերային շերտից, որը աճեցվում էր ցածր ջերմաստիճանի պայմաններում և GaN շերտից, որն աճեցվում էր բարձր ջերմաստիճանի պայմաններում: Այնուհետև 430℃ ջերմաստիճանում SiO2-ի շերտ է դրվել էպիտաքսիալ շերտի մակերեսին, իսկ SiO2 թաղանթի վրա ֆոտոլիտոգրաֆիայի միջոցով պատրաստվել են պատուհանագծեր: Շերտերի տարածությունը 7 մկմ էր, իսկ դիմակի լայնությունը տատանվում էր 1 մկմ-ից մինչև 4 մկմ: Այս բարելավումից հետո նրանք ստացան GaN էպիտաքսիալ շերտ 2 դյույմ տրամագծով շափյուղայի հիմքի վրա, որն առանց ճաքերի և հարթ էր հայելու պես, նույնիսկ երբ հաստությունը մեծանում էր մինչև տասնյակ կամ նույնիսկ հարյուրավոր միկրոններ: Արատների խտությունը կրճատվել է ավանդական HVPE մեթոդի 109-1010սմ-2-ից մինչև մոտ 6×107սմ-2: Փորձի ժամանակ նրանք նաև նշել են, որ երբ աճի արագությունը գերազանցում է 75 մկմ/ժ-ը, նմուշի մակերեսը դառնում է կոպիտ[8]:

Նկար 6 Գրաֆիկական ենթաշերտի սխեման

V. Ամփոփում և հեռանկար

GaN-ի նյութերը սկսեցին ի հայտ գալ 2014 թվականին, երբ կապույտ լույսի LED-ն այդ տարի արժանացավ ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակի և մտավ սպառողական էլեկտրոնիկայի ոլորտում արագ լիցքավորման կիրառման հանրության դաշտ: Իրականում, 5G բազային կայաններում օգտագործվող ուժային ուժեղացուցիչների և ռադիոհաճախական սարքերի կիրառությունները, որոնք մարդկանց մեծամասնությունը չի կարող տեսնել, նույնպես հանգիստ առաջացել են: Վերջին տարիներին GaN-ի վրա հիմնված ավտոմոբիլային կարգի ուժային սարքերի առաջխաղացումը ակնկալվում է, որ նոր աճի կետեր կբացի GaN նյութերի կիրառման շուկայի համար:
Շուկայի հսկայական պահանջարկը, անկասկած, կնպաստի GaN-ի հետ կապված արդյունաբերությունների և տեխնոլոգիաների զարգացմանը: GaN-ի հետ կապված արդյունաբերական շղթայի հասունացման և բարելավման հետ մեկտեղ, ներկայիս GaN էպիտաքսիալ տեխնոլոգիայի առջև ծառացած խնդիրները ի վերջո կբարելավվեն կամ կհաղթահարվեն: Ապագայում մարդիկ, անշուշտ, կզարգացնեն ավելի նոր էպիտաքսիալ տեխնոլոգիաներ և ավելի հիանալի ենթաշերտի տարբերակներ: Մինչ այդ մարդիկ կկարողանան ընտրել ամենահարմար արտաքին հետազոտական ​​տեխնոլոգիան և հիմքը տարբեր կիրառական սցենարների համար՝ ըստ կիրառական սցենարների բնութագրերի, և արտադրել առավել մրցունակ հարմարեցված արտադրանք: