1. მესამე თაობის ნახევარგამტარები
პირველი თაობის ნახევარგამტარული ტექნოლოგია შეიქმნა ნახევარგამტარული მასალების საფუძველზე, როგორიცაა Si და Ge. ეს არის ტრანზისტორების და ინტეგრირებული მიკროსქემის ტექნოლოგიის განვითარების მატერიალური საფუძველი. პირველი თაობის ნახევარგამტარულმა მასალებმა საფუძველი ჩაუყარა ელექტრონულ ინდუსტრიას მე-20 საუკუნეში და წარმოადგენს ინტეგრირებული მიკროსქემის ტექნოლოგიის ძირითად მასალებს.
მეორე თაობის ნახევარგამტარულ მასალებს ძირითადად მიეკუთვნება გალიუმის არსენიდი, ინდიუმის ფოსფიდი, გალიუმის ფოსფიდი, ინდიუმის არსენიდი, ალუმინის დარიშხანი და მათი სამეული ნაერთები. მეორე თაობის ნახევარგამტარული მასალები ოპტოელექტრონული ინფორმაციის ინდუსტრიის საფუძველია. ამის საფუძველზე განვითარდა დაკავშირებული ინდუსტრიები, როგორიცაა განათება, ჩვენება, ლაზერი და ფოტოელექტროსადგურები. ისინი ფართოდ გამოიყენება თანამედროვე საინფორმაციო ტექნოლოგიებისა და ოპტოელექტრონული ჩვენების ინდუსტრიაში.
მესამე თაობის ნახევარგამტარული მასალების წარმომადგენლობითი მასალებია გალიუმის ნიტრიდი და სილიციუმის კარბიდი. მათი ფართო დიაპაზონის, ელექტრონის გაჯერების მაღალი სიჩქარის, მაღალი თერმული კონდუქტომეტრის და დაშლის ველის მაღალი სიმტკიცის გამო, ისინი იდეალური მასალაა მაღალი სიმძლავრის, მაღალი სიხშირის და დაბალი დანაკარგის ელექტრონული მოწყობილობების მოსამზადებლად. მათ შორის, სილიციუმის კარბიდის სიმძლავრის მოწყობილობებს აქვთ ენერგიის მაღალი სიმკვრივის, დაბალი ენერგიის მოხმარების და მცირე ზომის უპირატესობები და აქვთ ფართო გამოყენების პერსპექტივები ახალ ენერგეტიკულ მანქანებში, ფოტოელექტროსადგურებში, სარკინიგზო ტრანსპორტირებაში, დიდ მონაცემებში და სხვა სფეროებში. გალიუმის ნიტრიდის RF მოწყობილობებს აქვთ მაღალი სიხშირის, მაღალი სიმძლავრის, ფართო გამტარუნარიანობის, დაბალი ენერგიის მოხმარების და მცირე ზომის უპირატესობები და აქვთ ფართო გამოყენების პერსპექტივები 5G კომუნიკაციებში, ნივთების ინტერნეტში, სამხედრო რადარში და სხვა სფეროებში. გარდა ამისა, გალიუმის ნიტრიდზე დაფუძნებული ელექტრო მოწყობილობები ფართოდ გამოიყენება დაბალი ძაბვის სფეროში. გარდა ამისა, ბოლო წლებში, მოსალოდნელია, რომ გალიუმის ოქსიდის წარმოქმნილი მასალები შეადგენენ ტექნიკურ კომპლემენტარობას არსებულ SiC და GaN ტექნოლოგიებთან და ექნებათ გამოყენების პოტენციური პერსპექტივები დაბალი სიხშირის და მაღალი ძაბვის სფეროებში.
მეორე თაობის ნახევარგამტარულ მასალებთან შედარებით, მესამე თაობის ნახევარგამტარ მასალებს უფრო ფართო ზოლის სიგანე აქვთ (Si-ს სიგანე, პირველი თაობის ნახევარგამტარული მასალის ტიპიური მასალა, არის დაახლოებით 1.1eV, GaAs-ის ზოლის სიგანე, ტიპიური მეორე თაობის ნახევარგამტარული მასალის მასალა არის დაახლოებით 1.42eV და ზოლის სიგანე GaN, მესამე თაობის ნახევარგამტარული მასალის ტიპიური მასალა, არის 2.3eV-ზე მეტი), უფრო ძლიერი რადიაციის წინააღმდეგობა, უფრო ძლიერი წინააღმდეგობა ელექტრული ველის დაშლის მიმართ და უფრო მაღალი ტემპერატურის წინააღმდეგობა. მესამე თაობის ნახევარგამტარული მასალები უფრო ფართო ზოლის სიგანით განსაკუთრებით შესაფერისია რადიაციისადმი მდგრადი, მაღალი სიხშირის, მაღალი სიმძლავრის და მაღალი ინტეგრაციის სიმკვრივის ელექტრონული მოწყობილობების წარმოებისთვის. მათმა გამოყენებამ მიკროტალღურ რადიოსიხშირულ მოწყობილობებში, LED-ებში, ლაზერებში, ენერგეტიკულ მოწყობილობებში და სხვა სფეროებში დიდი ყურადღება მიიპყრო და მათ აჩვენეს განვითარების ფართო პერსპექტივები მობილური კომუნიკაციების, ჭკვიანი ქსელების, სარკინიგზო ტრანზიტის, ახალი ენერგიის მანქანების, სამომხმარებლო ელექტრონიკის და ულტრაიისფერი და ლურჯი. - მწვანე განათების მოწყობილობები [1].
გამოსახულების წყარო: CASA, Zheshang Securities Research Institute
სურათი 1 GaN სიმძლავრის მოწყობილობის დროის მასშტაბი და პროგნოზი
II GaN მასალის სტრუქტურა და მახასიათებლები
GaN არის პირდაპირი ზოლიანი ნახევარგამტარი. ვურციტის სტრუქტურის ზოლის სიგანე ოთახის ტემპერატურაზე არის დაახლოებით 3,26 ევ. GaN მასალებს აქვთ სამი ძირითადი კრისტალური სტრუქტურა, კერძოდ, ვურციტის სტრუქტურა, სფალერიტის სტრუქტურა და ქვის მარილის სტრუქტურა. მათ შორის ვურციტის სტრუქტურა ყველაზე სტაბილური კრისტალური სტრუქტურაა. სურათი 2 არის GaN-ის ექვსკუთხა ვურციტის სტრუქტურის დიაგრამა. GaN მასალის ვურციტის სტრუქტურა მიეკუთვნება ექვსკუთხა მჭიდრო შეფუთულ სტრუქტურას. თითოეულ ერთეულ უჯრედს აქვს 12 ატომი, მათ შორის 6 N ატომები და 6 Ga ატომები. თითოეული Ga (N) ატომი ქმნის კავშირს 4 უახლოეს N (Ga) ატომთან და დაწყობილია ABABAB-ის რიგით… [0001] მიმართულების გასწვრივ [2].
სურათი 2 ვურციტის სტრუქტურა GaN კრისტალური უჯრედის დიაგრამა
III ხშირად გამოყენებული სუბსტრატები GaN ეპიტაქსიისთვის
როგორც ჩანს, GaN-ის სუბსტრატებზე ერთგვაროვანი ეპიტაქსია საუკეთესო არჩევანია GaN ეპიტაქსიისთვის. თუმცა, GaN-ის დიდი კავშირის ენერგიის გამო, როდესაც ტემპერატურა აღწევს დნობის წერტილს 2500℃, მისი შესაბამისი დაშლის წნევა არის დაახლოებით 4.5GPa. როდესაც დაშლის წნევა ამ წნევაზე დაბალია, GaN არ დნება, არამედ პირდაპირ იშლება. ეს ხდის მწიფე სუბსტრატის მომზადების ტექნოლოგიებს, როგორიცაა Czochralski მეთოდი, შეუფერებელს GaN-ის ერთკრისტალური სუბსტრატების მოსამზადებლად, რაც ართულებს GaN-ის სუბსტრატებს მასობრივ წარმოებას და ძვირია. ამიტომ, სუბსტრატები, რომლებიც ჩვეულებრივ გამოიყენება GaN-ის ეპიტაქსიალურ ზრდაში, ძირითადად არის Si, SiC, საფირონი და ა.შ. [3].
დიაგრამა 3 GaN და ხშირად გამოყენებული სუბსტრატის მასალების პარამეტრები
GaN ეპიტაქსია საფირონზე
საფირონს აქვს სტაბილური ქიმიური თვისებები, არის იაფი და აქვს ფართომასშტაბიანი წარმოების ინდუსტრიის მაღალი სიმწიფე. აქედან გამომდინარე, იგი გახდა ერთ-ერთი ყველაზე ადრეული და ყველაზე ფართოდ გამოყენებული სუბსტრატის მასალა ნახევარგამტარული მოწყობილობების ინჟინერიაში. როგორც GaN ეპიტაქსიის ერთ-ერთი ყველაზე ხშირად გამოყენებული სუბსტრატი, საფირონის სუბსტრატებისთვის გადასაჭრელი ძირითადი პრობლემებია:
✔ საფირონსა (Al2O3) და GaN-ს შორის დიდი გისოსების შეუსაბამობის გამო (დაახლოებით 15%), დეფექტის სიმკვრივე ეპიტაქსიალურ ფენასა და სუბსტრატს შორის ინტერფეისზე ძალიან მაღალია. მისი გვერდითი ეფექტების შესამცირებლად, სუბსტრატს უნდა დაექვემდებაროს კომპლექსური წინასწარი დამუშავება ეპიტაქსიის პროცესის დაწყებამდე. საფირონის სუბსტრატებზე GaN ეპიტაქსიის გაშენებამდე, სუბსტრატის ზედაპირი ჯერ მკაცრად უნდა გაიწმინდოს დამაბინძურებლების მოსაშორებლად, ნარჩენი გაპრიალების დაზიანებისა და ა.შ. შემდეგ, სუბსტრატის ზედაპირი ნიტრიდირებულია ეპიტაქსიური ფენის დამატენიანებელი თვისებების შესაცვლელად. დაბოლოს, თხელი AlN ბუფერული ფენა (ჩვეულებრივ 10-100 ნმ სისქის) უნდა იყოს დეპონირებული სუბსტრატის ზედაპირზე და დაბალ ტემპერატურაზე მოხარშვა საბოლოო ეპიტაქსიური ზრდისთვის მოსამზადებლად. ასეც რომ იყოს, დისლოკაციის სიმკვრივე GaN-ის ეპიტაქსიალურ ფენებში, რომლებიც გაიზარდა საფირონის სუბსტრატებზე, ჯერ კიდევ უფრო მაღალია, ვიდრე ჰომეპიტაქსიური ფენების (დაახლოებით 1010 სმ-2, შედარებით არსებითად ნულოვანი დისლოკაციის სიმკვრივე სილიკონის ჰომეპიტაქსიურ ფენებში ან გალიუმის არსენიდის ჰომეპიტაქსიურ ფენებში, ან 2-დან 104 სმ-მდე. 2). დეფექტის მაღალი სიმკვრივე ამცირებს გადამზიდის მობილურობას, რითაც მცირდება უმცირესობის გადამზიდის სიცოცხლე და ამცირებს თერმული კონდუქტომეტრს, ეს ყველაფერი შეამცირებს მოწყობილობის მუშაობას [4];
✔ საფირის თერმული გაფართოების კოეფიციენტი GaN-ზე მეტია, ამიტომ ბიაქსიალური კომპრესიული ძაბვა წარმოიქმნება ეპიტაქსიალურ ფენაში დეპონირების ტემპერატურიდან ოთახის ტემპერატურამდე გაციების პროცესში. უფრო სქელი ეპიტაქსიალური ფენებისთვის ამ სტრესმა შეიძლება გამოიწვიოს ფილმის ან თუნდაც სუბსტრატის გახეთქვა;
✔ სხვა სუბსტრატებთან შედარებით, საფირონის სუბსტრატების თბოგამტარობა უფრო დაბალია (დაახლოებით 0,25W*cm-1*K-1 100℃-ზე) და სითბოს გაფრქვევის შესრულება დაბალია;
✔ ცუდი გამტარობის გამო, საფირონის სუბსტრატები არ უწყობს ხელს მათ ინტეგრირებას და გამოყენებას სხვა ნახევარგამტარ მოწყობილობებთან.
მიუხედავად იმისა, რომ საფირონის სუბსტრატებზე გაზრდილი GaN ეპიტაქსიალური ფენების დეფექტის სიმკვრივე მაღალია, როგორც ჩანს, ეს მნიშვნელოვნად არ ამცირებს GaN-ზე დაფუძნებული ლურჯი-მწვანე LED-ების ოპტოელექტრონულ მუშაობას, ამიტომ საფირონის სუბსტრატები კვლავ ხშირად გამოიყენება GaN-ზე დაფუძნებული LED-ებისთვის.
GaN მოწყობილობების უფრო ახალი აპლიკაციების შემუშავებით, როგორიცაა ლაზერები ან სხვა მაღალი სიმკვრივის დენის მოწყობილობები, საფირონის სუბსტრატების თანდაყოლილი დეფექტები სულ უფრო და უფრო ხდება მათი გამოყენების შეზღუდვა. გარდა ამისა, SiC სუბსტრატის ზრდის ტექნოლოგიის განვითარებით, ღირებულების შემცირებით და GaN ეპიტაქსიალური ტექნოლოგიის სიმწიფით Si სუბსტრატებზე, საფირონის სუბსტრატებზე GaN ეპიტაქსიალური ფენების გაზრდის უფრო მეტმა კვლევამ თანდათან აჩვენა გაგრილების ტენდენცია.
GaN ეპიტაქსია SiC-ზე
საფირონთან შედარებით, SiC სუბსტრატებს (4H- და 6H-კრისტალები) აქვთ უფრო მცირე გისოსების შეუსაბამობა GaN-ის ეპიტაქსიალურ ფენებთან (3.1%, ექვივალენტური [0001] ორიენტირებული ეპიტაქსიალური ფენების), უმაღლესი თბოგამტარობა (დაახლოებით 3.8W*cm-1*K). -1) და ა.შ. გარდა ამისა, SiC სუბსტრატების გამტარობა ასევე იძლევა ელექტრულ კონტაქტებს დამზადებულია სუბსტრატის უკანა მხარეს, რაც ხელს უწყობს მოწყობილობის სტრუქტურის გამარტივებას. ამ უპირატესობების არსებობამ სულ უფრო მეტი მკვლევარი მიიზიდა სილიციუმის კარბიდის სუბსტრატებზე GaN ეპიტაქსიაზე მუშაობისთვის.
თუმცა, უშუალოდ SiC სუბსტრატებზე მუშაობას, რათა თავიდან იქნას აცილებული GaN ეპილაერების ზრდა, ასევე აქვს მთელი რიგი უარყოფითი მხარეები, მათ შორის შემდეგი:
✔ SiC სუბსტრატების ზედაპირის უხეშობა გაცილებით მაღალია, ვიდრე საფირონის სუბსტრატების (საფირონის უხეშობა 0.1nm RMS, SiC უხეშობა 1nm RMS), SiC სუბსტრატებს აქვთ მაღალი სიმტკიცე და ცუდი დამუშავების შესრულება, და ეს უხეშობა და ნარჩენი გაპრიალების დაზიანება ასევე ერთ-ერთია. GaN ეპილაერების დეფექტების წყაროები.
✔ SiC სუბსტრატების ხრახნიანი დისლოკაციის სიმკვრივე მაღალია (დისლოკაციის სიმკვრივე 103-104სმ-2), ხრახნიანი დისლოკაციები შეიძლება გავრცელდეს GaN ეპილაერზე და შეამციროს მოწყობილობის მუშაობა;
✔ ატომური განლაგება სუბსტრატის ზედაპირზე იწვევს დაწყობის დეფექტების (BSFs) წარმოქმნას GaN ეპილაერში. Epitaxial GaN-ისთვის SiC სუბსტრატებზე, არსებობს მრავალი შესაძლო ატომური განლაგების ბრძანებები სუბსტრატზე, რაც იწვევს მასზე ეპიტაქსიალური GaN ფენის ატომური დაწყობის არათანმიმდევრულ თავდაპირველ წესრიგს, რომელიც მიდრეკილია დაწყობის ხარვეზებისკენ. დაწყობის ხარვეზები (SFs) ქმნიან ჩაშენებულ ელექტრული ველებს c ღერძის გასწვრივ, რაც იწვევს ისეთ პრობლემებს, როგორიცაა თვითმფრინავში მატარებლის გამიჯვნის მოწყობილობების გაჟონვა;
✔ SiC სუბსტრატის თერმული გაფართოების კოეფიციენტი უფრო მცირეა ვიდრე AlN და GaN, რაც იწვევს თერმული სტრესის დაგროვებას ეპიტაქსიალურ ფენასა და სუბსტრატს შორის გაგრილების პროცესში. უოლტერაიტმა და ბრენდმა თავიანთი კვლევის შედეგების საფუძველზე იწინასწარმეტყველეს, რომ ეს პრობლემა შეიძლება შემსუბუქდეს ან გადაწყდეს GaN ეპიტაქსიალური ფენების გაზრდით თხელ, თანმიმდევრულად დაძაბულ AlN ბირთვულ ფენებზე;
✔ Ga ატომების ცუდი დასველებადობის პრობლემა. GaN-ის ეპიტაქსიალური ფენების უშუალოდ SiC ზედაპირზე გაზრდისას, ორ ატომს შორის ცუდი დასველების გამო, GaN მიდრეკილია სუბსტრატის ზედაპირზე 3D კუნძულის ზრდისკენ. ბუფერული ფენის შემოღება ყველაზე ხშირად გამოყენებული გამოსავალია ეპიტაქსიური მასალების ხარისხის გასაუმჯობესებლად GaN ეპიტაქსიაში. AlN ან AlxGa1-xN ბუფერული ფენის დანერგვამ შეიძლება ეფექტურად გააუმჯობესოს SiC ზედაპირის დატენიანება და გაზარდოს GaN ეპიტაქსიალური ფენა ორ განზომილებაში. გარდა ამისა, მას ასევე შეუძლია სტრესის რეგულირება და სუბსტრატის დეფექტების გავრცელების თავიდან აცილება GaN ეპიტაქსიაზე;
✔ SiC სუბსტრატების მომზადების ტექნოლოგია მოუმწიფებელია, სუბსტრატის ღირებულება მაღალია, მცირე მომწოდებლები და მცირე მიწოდება.
Torres et al.-ის კვლევამ აჩვენა, რომ SiC სუბსტრატის H2-ით დამუშავება მაღალ ტემპერატურაზე (1600°C) ეპიტაქსიამდე შეიძლება წარმოქმნას უფრო მოწესრიგებული საფეხურიანი სტრუქტურა სუბსტრატის ზედაპირზე, რითაც მიიღება უფრო მაღალი ხარისხის AlN ეპიტაქსიალური ფილმი, ვიდრე პირდაპირ. გაიზარდა ორიგინალური სუბსტრატის ზედაპირზე. Xie-ს და მისი გუნდის კვლევამ ასევე აჩვენა, რომ სილიციუმის კარბიდის სუბსტრატის წინასწარ დამუშავებამ შეიძლება მნიშვნელოვნად გააუმჯობესოს ზედაპირის მორფოლოგია და კრისტალების ხარისხი GaN ეპიტაქსიალური შრის. სმიტი და სხვ. აღმოაჩინა, რომ სუბსტრატის/ბუფერული შრისა და ბუფერული ფენის/ეპიტაქსიალური ფენის ინტერფეისებიდან წარმოშობილი ძაფის დისლოკაციები დაკავშირებულია სუბსტრატის სიბრტყესთან [5].
სურათი 4 GaN ეპიტაქსიალური ფენის ნიმუშების TEM მორფოლოგია, გაზრდილი 6H-SiC სუბსტრატზე (0001) სხვადასხვა ზედაპირული დამუშავების პირობებში (ა) ქიმიური გაწმენდა; (ბ) ქიმიური წმენდა + წყალბადის პლაზმური დამუშავება; (გ) ქიმიური გაწმენდა + წყალბადის პლაზმური დამუშავება + 1300 ℃ წყალბადის სითბოს მკურნალობა 30 წუთის განმავლობაში
GaN ეპიტაქსია სიზე
სილიციუმის კარბიდთან, საფირონთან და სხვა სუბსტრატებთან შედარებით, სილიციუმის სუბსტრატის მომზადების პროცესი მომწიფებულია და მას შეუძლია სტაბილურად უზრუნველყოს მომწიფებული დიდი ზომის სუბსტრატები მაღალი ღირებულებით. ამავდროულად, თბოგამტარობა და ელექტრული გამტარობა კარგია, ხოლო Si ელექტრონული მოწყობილობის პროცესი მომწიფებულია. ოპტოელექტრონული GaN მოწყობილობების სრულყოფილად ინტეგრირების შესაძლებლობა მომავალში Si ელექტრონულ მოწყობილობებთან, ასევე ძალიან მიმზიდველს ხდის GaN ეპიტაქსიის ზრდას სილიკონზე.
თუმცა, Si სუბსტრატსა და GaN მასალას შორის გისოსების მუდმივებში დიდი განსხვავების გამო, GaN-ის ჰეტეროგენული ეპიტაქსია Si სუბსტრატზე არის ტიპიური დიდი შეუსაბამობის ეპიტაქსია და მას ასევე სჭირდება მთელი რიგი პრობლემების წინაშე:
✔ ზედაპირის ინტერფეისის ენერგიის პრობლემა. როდესაც GaN იზრდება Si სუბსტრატზე, Si სუბსტრატის ზედაპირი პირველ რიგში ნიტრიდდება, რათა წარმოიქმნას ამორფული სილიციუმის ნიტრიდის ფენა, რომელიც არ არის ხელსაყრელი მაღალი სიმკვრივის GaN-ის ნუკლეაციისა და ზრდისთვის. გარდა ამისა, Si ზედაპირი პირველ რიგში დაუკავშირდება Ga-ს, რაც გამოიწვევს Si სუბსტრატის ზედაპირს კოროზიას. მაღალ ტემპერატურაზე, Si ზედაპირის დაშლა გავრცელდება GaN ეპიტაქსიალურ ფენაში შავი სილიკონის ლაქების წარმოქმნით.
✔ გისოსის მუდმივი შეუსაბამობა GaN-სა და Si-ს შორის დიდია (~17%), რაც გამოიწვევს მაღალი სიმკვრივის ძაფის დისლოკაციების წარმოქმნას და მნიშვნელოვნად შეამცირებს ეპიტაქსიური შრის ხარისხს;
✔ Si-სთან შედარებით, GaN-ს აქვს უფრო დიდი თერმული გაფართოების კოეფიციენტი (GaN-ის თერმული გაფართოების კოეფიციენტი არის დაახლოებით 5.6×10-6K-1, Si-ის თერმული გაფართოების კოეფიციენტი არის დაახლოებით 2.6×10-6K-1) და ბზარები შეიძლება წარმოიქმნას GaN-ში. ეპიტაქსიური ფენა ეპიტაქსიური ტემპერატურის გაციებისას ოთახის ტემპერატურამდე;
✔ Si რეაგირებს NH3-თან მაღალ ტემპერატურაზე და წარმოქმნის პოლიკრისტალურ SiNx-ს. AlN არ შეუძლია შექმნას პრიორიტეტულად ორიენტირებული ბირთვი პოლიკრისტალურ SiNx-ზე, რაც იწვევს შემდგომში გაზრდილი GaN ფენის დარღვევის ორიენტაციას და დეფექტების დიდ რაოდენობას, რაც იწვევს GaN ეპიტაქსიალური ფენის კრისტალურ ხარისხს და ერთკრისტალური ფორმირების სირთულესაც კი. GaN ეპიტაქსიალური შრე [6].
დიდი გისოსების შეუსაბამობის პრობლემის გადაჭრის მიზნით, მკვლევარებმა სცადეს ისეთი მასალების დანერგვა, როგორიცაა AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO და SiC, როგორც ბუფერული ფენები Si სუბსტრატებზე. პოლიკრისტალური SiNx-ის წარმოქმნის თავიდან ასაცილებლად და GaN/AlN/Si (111) მასალების კრისტალურ ხარისხზე მისი უარყოფითი ზემოქმედების შესამცირებლად, ჩვეულებრივ საჭიროა TMAl-ის შეყვანა გარკვეული პერიოდის განმავლობაში AlN ბუფერული ფენის ეპიტაქსიურ ზრდამდე. რათა თავიდან აიცილოს NH3 რეაქცია გამოვლენილ Si ზედაპირთან და შექმნას SiNx. გარდა ამისა, ეპიტაქსიალური ტექნოლოგიები, როგორიცაა ნიმუშიანი სუბსტრატის ტექნოლოგია, შეიძლება გამოყენებულ იქნას ეპიტაქსიური ფენის ხარისხის გასაუმჯობესებლად. ამ ტექნოლოგიების განვითარება ხელს უწყობს SiNx-ის წარმოქმნის ინჰიბირებას ეპიტაქსიალურ ინტერფეისზე, ხელს უწყობს GaN ეპიტაქსიალური ფენის ორგანზომილებიან ზრდას და ეპიტაქსიალური ფენის ზრდის ხარისხის გაუმჯობესებას. გარდა ამისა, შეყვანილია AlN ბუფერული ფენა თერმული გაფართოების კოეფიციენტების სხვაობით გამოწვეული დაჭიმვის სტრესის კომპენსაციის მიზნით, რათა თავიდან იქნას აცილებული ბზარები GaN ეპიტაქსიალურ ფენაში სილიკონის სუბსტრატზე. კროსტის კვლევამ აჩვენა, რომ არსებობს დადებითი კორელაცია AlN ბუფერული ფენის სისქესა და დაძაბულობის შემცირებას შორის. როდესაც ბუფერული ფენის სისქე 12 ნმ-ს მიაღწევს, ეპიტაქსიალური ფენა 6μm-ზე მეტი სქელი შეიძლება გაიზარდოს სილიკონის სუბსტრატზე შესაბამისი ზრდის სქემის მეშვეობით ეპიტაქსიური ფენის დაბზარვის გარეშე.
მკვლევართა ხანგრძლივი ძალისხმევის შემდეგ, სილიკონის სუბსტრატებზე გაზრდილი GaN ეპიტაქსიალური ფენების ხარისხი მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდა და მოწყობილობებმა, როგორიცაა საველე ეფექტის ტრანზისტორები, Schottky ბარიერის ულტრაიისფერი დეტექტორები, ლურჯი-მწვანე LED-ები და ულტრაიისფერი ლაზერები მნიშვნელოვან პროგრესს მიაღწიეს.
შეჯამებით, რადგან ხშირად გამოყენებული GaN ეპიტაქსიალური სუბსტრატები ყველა ჰეტეროგენული ეპიტაქსიაა, მათ ყველა ექმნებათ საერთო პრობლემები, როგორიცაა გისოსების შეუსაბამობა და დიდი განსხვავებები თერმული გაფართოების კოეფიციენტებში სხვადასხვა ხარისხით. ჰომოგენური ეპიტაქსიალური GaN სუბსტრატები შეზღუდულია ტექნოლოგიის სიმწიფით და სუბსტრატები ჯერ არ არის მასობრივი წარმოებული. წარმოების ღირებულება მაღალია, სუბსტრატის ზომა მცირეა და სუბსტრატის ხარისხი არ არის იდეალური. ახალი GaN ეპიტაქსიალური სუბსტრატების შემუშავება და ეპიტაქსიური ხარისხის გაუმჯობესება კვლავ არის GaN ეპიტაქსიალური ინდუსტრიის შემდგომი განვითარების შეზღუდვის ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი ფაქტორი.
IV. GaN ეპიტაქსიის გავრცელებული მეთოდები
MOCVD (ქიმიური ორთქლის დეპონირება)
როგორც ჩანს, GaN-ის სუბსტრატებზე ერთგვაროვანი ეპიტაქსია საუკეთესო არჩევანია GaN ეპიტაქსიისთვის. თუმცა, ვინაიდან ქიმიური ორთქლის დეპონირების წინამორბედებია ტრიმეთილგალიუმი და ამიაკი, ხოლო გადამზიდავი აირი არის წყალბადი, ტიპიური MOCVD ზრდის ტემპერატურაა დაახლოებით 1000-1100℃, ხოლო MOCVD-ის ზრდის ტემპი დაახლოებით რამდენიმე მიკრონი საათში. მას შეუძლია შექმნას ციცაბო ინტერფეისები ატომურ დონეზე, რაც ძალიან შესაფერისია ჰეტეროკავშირების, კვანტური ჭაბურღილების, სუპერლატების და სხვა სტრუქტურების გასაშენებლად. მისი სწრაფი ზრდის ტემპი, კარგი ერთგვაროვნება და ვარგისიანობა დიდი ფართობისა და მრავალნაწილიანი ზრდისთვის ხშირად გამოიყენება სამრეწველო წარმოებაში.
MBE (მოლეკულური სხივის ეპიტაქსია)
მოლეკულური სხივის ეპიტაქსიაში Ga იყენებს ელემენტარულ წყაროს და აქტიური აზოტი მიიღება აზოტიდან RF პლაზმის მეშვეობით. MOCVD მეთოდთან შედარებით, MBE ზრდის ტემპერატურა დაახლოებით 350-400℃ დაბალია. ზრდის დაბალ ტემპერატურას შეუძლია თავიდან აიცილოს გარკვეული დაბინძურება, რომელიც შეიძლება გამოწვეული იყოს მაღალი ტემპერატურის გარემოებით. MBE სისტემა მუშაობს ულტრამაღალი ვაკუუმის პირობებში, რაც საშუალებას აძლევს მას უფრო მეტი ადგილზე აღმოჩენის მეთოდების ინტეგრირება. ამავდროულად, მისი ზრდის ტემპი და წარმოების სიმძლავრე ვერ შეედრება MOCVD-ს და ის უფრო მეტად გამოიყენება სამეცნიერო კვლევებში [7].
სურათი 5 (ა) Eiko-MBE სქემა (ბ) MBE მთავარი რეაქციის კამერის სქემა
HVPE მეთოდი (ჰიდრიდის ორთქლის ფაზის ეპიტაქსია)
ჰიდრიდის ორთქლის ფაზის ეპიტაქსიის მეთოდის წინამორბედებია GaCl3 და NH3. დეჩპრომი და სხვ. გამოიყენა ეს მეთოდი საფირონის სუბსტრატის ზედაპირზე ასობით მიკრონის სისქის GaN ეპიტაქსიალური ფენის გასაშენებლად. მათ ექსპერიმენტში ZnO ფენა გაიზარდა საფირონის სუბსტრატსა და ეპიტაქსიალურ ფენას შორის, როგორც ბუფერული ფენა, ხოლო ეპიტაქსიალური ფენა ჩამოიშორა სუბსტრატის ზედაპირიდან. MOCVD-თან და MBE-სთან შედარებით, HVPE მეთოდის მთავარი მახასიათებელია მისი მაღალი ზრდის ტემპი, რომელიც შესაფერისია სქელი ფენების და ნაყარი მასალების წარმოებისთვის. თუმცა, როდესაც ეპიტაქსიალური ფენის სისქე აღემატება 20μm-ს, ამ მეთოდით წარმოქმნილი ეპიტაქსიური ფენა მიდრეკილია ბზარებისკენ.
Akira USUI-მ შემოიტანა ნიმუშიანი სუბსტრატის ტექნოლოგია ამ მეთოდის საფუძველზე. მათ პირველად გააშენეს თხელი 1-1,5μm სისქის GaN ეპიტაქსიალური ფენა საფირონის სუბსტრატზე MOCVD მეთოდის გამოყენებით. ეპიტაქსიალური ფენა შედგებოდა 20 ნმ სისქის GaN ბუფერული ფენისგან, რომელიც გაიზარდა დაბალი ტემპერატურის პირობებში და GaN ფენისგან, რომელიც გაიზარდა მაღალი ტემპერატურის პირობებში. შემდეგ, 430℃ ტემპერატურაზე, SiO2-ის ფენა დაიფარა ეპიტაქსიალური ფენის ზედაპირზე, ხოლო SiO2 ფილაზე გაკეთდა ფანჯრის ზოლები ფოტოლითოგრაფიით. ზოლების მანძილი იყო 7μm და ნიღბის სიგანე მერყეობდა 1μm-დან 4μm-მდე. ამ გაუმჯობესების შემდეგ, მათ მიიღეს GaN ეპიტაქსიალური ფენა 2 დიუმიანი დიამეტრის საფირონის სუბსტრატზე, რომელიც იყო ბზარების გარეშე და სარკესავით გლუვი მაშინაც კი, როდესაც სისქე გაიზარდა ათეულობით ან თუნდაც ასობით მიკრონმდე. დეფექტის სიმკვრივე შემცირდა ტრადიციული HVPE მეთოდის 109-1010სმ-2-დან დაახლოებით 6×107სმ-2-მდე. მათ ასევე აღნიშნეს ექსპერიმენტში, რომ როდესაც ზრდის ტემპი 75 μm/სთ-ს გადააჭარბებს, ნიმუშის ზედაპირი უხეში გახდება[8].
სურათი 6 გრაფიკული სუბსტრატის სქემა
V. რეზიუმე და მსოფლმხედველობა
GaN-ის მასალების გაჩენა დაიწყო 2014 წელს, როდესაც ცისფერი შუქის LED-მა მოიპოვა ნობელის პრემია ფიზიკაში იმ წელს და შევიდა საზოგადოების სწრაფი დატენვის აპლიკაციების სფეროში სამომხმარებლო ელექტრონიკის სფეროში. სინამდვილეში, 5G საბაზო სადგურებში გამოყენებული დენის გამაძლიერებლებში და RF მოწყობილობებში, რომლებსაც ადამიანების უმეტესობა ვერ ხედავს, ასევე მშვიდად გამოჩნდა. ბოლო წლების განმავლობაში, GaN-ზე დაფუძნებული საავტომობილო კლასის ენერგეტიკული მოწყობილობების გარღვევა მოსალოდნელია გახსნას ახალი ზრდის წერტილებს GaN მასალების გამოყენების ბაზრისთვის.
ბაზრის უზარმაზარი მოთხოვნა აუცილებლად შეუწყობს ხელს GaN-თან დაკავშირებული მრეწველობისა და ტექნოლოგიების განვითარებას. GaN-თან დაკავშირებული სამრეწველო ჯაჭვის მომწიფებასთან და გაუმჯობესებასთან ერთად, პრობლემები, რომლებსაც ახლანდელი GaN ეპიტაქსიალური ტექნოლოგია აწყდება, საბოლოოდ გაუმჯობესდება ან გადაილახება. მომავალში, ადამიანები აუცილებლად შეიმუშავებენ უფრო ახალ ეპიტაქსიურ ტექნოლოგიებს და უფრო შესანიშნავ სუბსტრატის ვარიანტებს. ამ დროისთვის ადამიანებს შეეძლებათ აირჩიონ ყველაზე შესაფერისი გარე კვლევის ტექნოლოგია და სუბსტრატი განაცხადის სხვადასხვა სცენარისთვის განაცხადის სცენარების მახასიათებლების მიხედვით და აწარმოონ ყველაზე კონკურენტუნარიანი მორგებული პროდუქტები.
გამოქვეყნების დრო: ივნ-28-2024