മൂന്നാം തലമുറയിലെ അർദ്ധചാലകമായ GaN ഉം അനുബന്ധ എപ്പിറ്റാക്സിയൽ സാങ്കേതികവിദ്യയും ഹ്രസ്വമായ ആമുഖം

1. മൂന്നാം തലമുറ അർദ്ധചാലകങ്ങൾ

Si, Ge തുടങ്ങിയ അർദ്ധചാലക വസ്തുക്കളെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയാണ് ആദ്യ തലമുറ അർദ്ധചാലക സാങ്കേതികവിദ്യ വികസിപ്പിച്ചെടുത്തത്. ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളും ഇൻ്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ട് സാങ്കേതികവിദ്യയും വികസിപ്പിക്കുന്നതിനുള്ള മെറ്റീരിയൽ അടിസ്ഥാനമാണിത്. ആദ്യ തലമുറയിലെ അർദ്ധചാലക സാമഗ്രികൾ 20-ാം നൂറ്റാണ്ടിൽ ഇലക്ട്രോണിക് വ്യവസായത്തിന് അടിത്തറ പാകി, ഇൻ്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ട് സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ അടിസ്ഥാന വസ്തുക്കളാണ്.

രണ്ടാം തലമുറയിലെ അർദ്ധചാലക വസ്തുക്കളിൽ പ്രധാനമായും ഗാലിയം ആർസെനൈഡ്, ഇൻഡിയം ഫോസ്ഫൈഡ്, ഗാലിയം ഫോസ്ഫൈഡ്, ഇൻഡിയം ആർസെനൈഡ്, അലുമിനിയം ആർസെനൈഡ്, അവയുടെ ത്രിതല സംയുക്തങ്ങൾ എന്നിവ ഉൾപ്പെടുന്നു. രണ്ടാം തലമുറയിലെ അർദ്ധചാലക വസ്തുക്കൾ ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് വിവര വ്യവസായത്തിൻ്റെ അടിത്തറയാണ്. ഇതിൻ്റെ അടിസ്ഥാനത്തിൽ, ലൈറ്റിംഗ്, ഡിസ്പ്ലേ, ലേസർ, ഫോട്ടോവോൾട്ടായിക്സ് തുടങ്ങിയ അനുബന്ധ വ്യവസായങ്ങൾ വികസിപ്പിച്ചെടുത്തിട്ടുണ്ട്. സമകാലിക വിവര സാങ്കേതിക വിദ്യയിലും ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് ഡിസ്‌പ്ലേ വ്യവസായങ്ങളിലും അവ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കപ്പെടുന്നു.

മൂന്നാം തലമുറയിലെ അർദ്ധചാലക വസ്തുക്കളുടെ പ്രതിനിധി വസ്തുക്കളിൽ ഗാലിയം നൈട്രൈഡും സിലിക്കൺ കാർബൈഡും ഉൾപ്പെടുന്നു. അവയുടെ വിശാലമായ ബാൻഡ് വിടവ്, ഉയർന്ന ഇലക്ട്രോൺ സാച്ചുറേഷൻ ഡ്രിഫ്റ്റ് പ്രവേഗം, ഉയർന്ന താപ ചാലകത, ഉയർന്ന ബ്രേക്ക്ഡൌൺ ഫീൽഡ് ശക്തി എന്നിവ കാരണം, ഉയർന്ന പവർ ഡെൻസിറ്റി, ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി, ലോ-നഷ്‌ടമുള്ള ഇലക്‌ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങൾ തയ്യാറാക്കുന്നതിന് അവ അനുയോജ്യമായ വസ്തുക്കളാണ്. അവയിൽ, സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് പവർ ഉപകരണങ്ങൾക്ക് ഉയർന്ന ഊർജ്ജ സാന്ദ്രത, കുറഞ്ഞ ഊർജ്ജ ഉപഭോഗം, ചെറിയ വലിപ്പം എന്നിവയുടെ ഗുണങ്ങളുണ്ട്, കൂടാതെ പുതിയ ഊർജ്ജ വാഹനങ്ങൾ, ഫോട്ടോവോൾട്ടെയ്ക്സ്, റെയിൽ ഗതാഗതം, ബിഗ് ഡാറ്റ, മറ്റ് മേഖലകൾ എന്നിവയിൽ വിശാലമായ ആപ്ലിക്കേഷൻ സാധ്യതകളും ഉണ്ട്. ഗാലിയം നൈട്രൈഡ് RF ഉപകരണങ്ങൾക്ക് ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി, ഉയർന്ന പവർ, വൈഡ് ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്ത്, കുറഞ്ഞ പവർ ഉപഭോഗം, ചെറിയ വലിപ്പം എന്നിവയുടെ ഗുണങ്ങളുണ്ട്, കൂടാതെ 5G കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻസ്, ഇൻ്റർനെറ്റ് ഓഫ് തിംഗ്‌സ്, മിലിട്ടറി റഡാർ, മറ്റ് മേഖലകൾ എന്നിവയിൽ വിശാലമായ ആപ്ലിക്കേഷൻ സാധ്യതകളും ഉണ്ട്. കൂടാതെ, കുറഞ്ഞ വോൾട്ടേജ് ഫീൽഡിൽ ഗാലിയം നൈട്രൈഡ് അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള പവർ ഉപകരണങ്ങൾ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിച്ചുവരുന്നു. കൂടാതെ, സമീപ വർഷങ്ങളിൽ, ഉയർന്നുവരുന്ന ഗാലിയം ഓക്സൈഡ് മെറ്റീരിയലുകൾ നിലവിലുള്ള SiC, GaN സാങ്കേതികവിദ്യകളുമായി സാങ്കേതിക പൂരകമായി മാറുമെന്ന് പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു, കൂടാതെ ലോ-ഫ്രീക്വൻസി, ഉയർന്ന വോൾട്ടേജ് ഫീൽഡുകളിൽ സാധ്യതയുള്ള ആപ്ലിക്കേഷൻ സാധ്യതകൾ ഉണ്ട്.

രണ്ടാം തലമുറയിലെ അർദ്ധചാലക സാമഗ്രികളുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, മൂന്നാം തലമുറയിലെ അർദ്ധചാലക സാമഗ്രികൾക്ക് വിശാലമായ ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് വീതിയുണ്ട് (ഒന്നാം തലമുറയിലെ അർദ്ധചാലക മെറ്റീരിയലിൻ്റെ സാധാരണ മെറ്റീരിയലായ Si യുടെ ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് വീതി ഏകദേശം 1.1eV ആണ്, GaAs-ൻ്റെ ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് വീതി, ഒരു സാധാരണ രണ്ടാം തലമുറയിലെ അർദ്ധചാലക പദാർത്ഥത്തിൻ്റെ മെറ്റീരിയൽ ഏകദേശം 1.42eV ആണ്, മൂന്നാം തലമുറയിലെ അർദ്ധചാലക വസ്തുക്കളുടെ ഒരു സാധാരണ മെറ്റീരിയലായ GaN-ൻ്റെ ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് വീതി 2.3eV-ന് മുകളിലാണ്), ശക്തമായ വികിരണ പ്രതിരോധം, വൈദ്യുത മണ്ഡല തകർച്ചയ്ക്കുള്ള ശക്തമായ പ്രതിരോധം, കൂടാതെ ഉയർന്ന താപനില പ്രതിരോധം. റേഡിയേഷൻ-റെസിസ്റ്റൻ്റ്, ഹൈ-ഫ്രീക്വൻസി, ഹൈ-പവർ, ഹൈ-ഇൻ്റഗ്രേഷൻ-ഡെൻസിറ്റി ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങളുടെ നിർമ്മാണത്തിന്, വിശാലമായ ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് വീതിയുള്ള മൂന്നാം തലമുറ അർദ്ധചാലക വസ്തുക്കൾ പ്രത്യേകിച്ചും അനുയോജ്യമാണ്. മൈക്രോവേവ് റേഡിയോ ഫ്രീക്വൻസി ഉപകരണങ്ങൾ, എൽഇഡി, ലേസർ, പവർ ഉപകരണങ്ങൾ, മറ്റ് ഫീൽഡുകൾ എന്നിവയിലെ അവരുടെ ആപ്ലിക്കേഷനുകൾ വളരെയധികം ശ്രദ്ധ ആകർഷിച്ചു, കൂടാതെ മൊബൈൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻസ്, സ്മാർട്ട് ഗ്രിഡുകൾ, റെയിൽ ഗതാഗതം, പുതിയ ഊർജ്ജ വാഹനങ്ങൾ, ഉപഭോക്തൃ ഇലക്ട്രോണിക്സ്, അൾട്രാവയലറ്റ്, നീല എന്നിവയിൽ വിപുലമായ വികസന സാധ്യതകൾ അവർ കാണിച്ചു. -ഗ്രീൻ ലൈറ്റ് ഉപകരണങ്ങൾ [1].

ചിത്ര ഉറവിടം: CASA, Zheshang സെക്യൂരിറ്റീസ് റിസർച്ച് ഇൻസ്റ്റിറ്റ്യൂട്ട്

ചിത്രം 1 GaN പവർ ഉപകരണ സമയ സ്കെയിലും പ്രവചനവും

II GaN മെറ്റീരിയൽ ഘടനയും സവിശേഷതകളും

നേരിട്ടുള്ള ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് അർദ്ധചാലകമാണ് GaN. ഊഷ്മാവിൽ വുർട്ട്സൈറ്റ് ഘടനയുടെ ബാൻഡ്ഗാപ്പ് വീതി ഏകദേശം 3.26eV ആണ്. GaN പദാർത്ഥങ്ങൾക്ക് മൂന്ന് പ്രധാന ക്രിസ്റ്റൽ ഘടനകളുണ്ട്, അതായത് വുർട്ട്സൈറ്റ് ഘടന, സ്ഫലറൈറ്റ് ഘടന, പാറ ഉപ്പ് ഘടന. അവയിൽ ഏറ്റവും സ്ഥിരതയുള്ള ക്രിസ്റ്റൽ ഘടനയാണ് വുർട്ട്സൈറ്റ് ഘടന. GaN-ൻ്റെ ഷഡ്ഭുജാകൃതിയിലുള്ള വർട്ട്സൈറ്റ് ഘടനയുടെ ഒരു ഡയഗ്രമാണ് ചിത്രം 2. GaN മെറ്റീരിയലിൻ്റെ വുർട്ട്സൈറ്റ് ഘടന ഒരു ഷഡ്ഭുജ ക്ലോസ്-പാക്ക്ഡ് ഘടനയുടേതാണ്. ഓരോ യൂണിറ്റ് സെല്ലിലും 6 N ആറ്റങ്ങളും 6 Ga ആറ്റങ്ങളും ഉൾപ്പെടെ 12 ആറ്റങ്ങളുണ്ട്. ഓരോ Ga (N) ആറ്റവും ഏറ്റവും അടുത്തുള്ള 4 N (Ga) ആറ്റങ്ങളുമായി ഒരു ബോണ്ട് ഉണ്ടാക്കുകയും ABABAB എന്ന ക്രമത്തിൽ അടുക്കുകയും ചെയ്യുന്നു... [0001] ദിശയിൽ [2].

ചിത്രം 2 Wurtzite ഘടന GaN ക്രിസ്റ്റൽ സെൽ ഡയഗ്രം

III GaN എപ്പിറ്റാക്സിക്ക് സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ

GaN സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിലെ ഏകതാനമായ എപ്പിറ്റാക്‌സിയാണ് GaN എപ്പിറ്റാക്‌സിക്കുള്ള ഏറ്റവും മികച്ച ചോയ്‌സ് എന്ന് തോന്നുന്നു. എന്നിരുന്നാലും, GaN-ൻ്റെ വലിയ ബോണ്ട് ഊർജ്ജം കാരണം, താപനില 2500℃ ദ്രവണാങ്കത്തിൽ എത്തുമ്പോൾ, അതിൻ്റെ അനുബന്ധമായ വിഘടന സമ്മർദ്ദം ഏകദേശം 4.5GPa ആണ്. വിഘടിപ്പിക്കൽ മർദ്ദം ഈ മർദ്ദത്തേക്കാൾ കുറവായിരിക്കുമ്പോൾ, GaN ഉരുകുന്നില്ല, മറിച്ച് നേരിട്ട് വിഘടിക്കുന്നു. ഇത് GaN സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റൽ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ തയ്യാറാക്കുന്നതിന് Czochralski രീതി പോലുള്ള മുതിർന്ന സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് തയ്യാറാക്കൽ സാങ്കേതികവിദ്യകളെ അനുയോജ്യമല്ലാതാക്കുന്നു, ഇത് GaN സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളെ വൻതോതിൽ ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കാൻ പ്രയാസകരവും ചെലവേറിയതുമാക്കുന്നു. അതിനാൽ, GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ വളർച്ചയിൽ സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന അടിവസ്ത്രങ്ങൾ പ്രധാനമായും Si, SiC, സഫയർ മുതലായവയാണ്. [3].

ചാർട്ട് 3 GaN ഉം സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് മെറ്റീരിയലുകളുടെ പാരാമീറ്ററുകളും

നീലക്കല്ലിൽ GaN എപ്പിറ്റാക്സി

നീലക്കല്ലിന് സ്ഥിരമായ രാസ ഗുണങ്ങളുണ്ട്, വിലകുറഞ്ഞതും വലിയ തോതിലുള്ള ഉൽപാദന വ്യവസായത്തിൻ്റെ ഉയർന്ന പക്വതയും ഉണ്ട്. അതിനാൽ, അർദ്ധചാലക ഉപകരണ എഞ്ചിനീയറിംഗിലെ ആദ്യകാലവും ഏറ്റവും വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നതുമായ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് മെറ്റീരിയലുകളിൽ ഒന്നായി ഇത് മാറിയിരിക്കുന്നു. GaN എപ്പിറ്റാക്സിക്ക് സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിലൊന്ന് എന്ന നിലയിൽ, നീലക്കല്ലിൻ്റെ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾക്ക് പരിഹരിക്കേണ്ട പ്രധാന പ്രശ്‌നങ്ങൾ ഇവയാണ്:

✔ സഫയർ (Al2O3), GaN (ഏകദേശം 15%) എന്നിവയ്ക്കിടയിലുള്ള വലിയ ലാറ്റിസ് പൊരുത്തക്കേട് കാരണം, എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളിക്കും അടിവസ്ത്രത്തിനും ഇടയിലുള്ള ഇൻ്റർഫേസിലെ വൈകല്യ സാന്ദ്രത വളരെ ഉയർന്നതാണ്. അതിൻ്റെ പ്രതികൂല ഫലങ്ങൾ കുറയ്ക്കുന്നതിന്, എപ്പിറ്റാക്സി പ്രക്രിയ ആരംഭിക്കുന്നതിന് മുമ്പ് അടിവസ്ത്രം സങ്കീർണ്ണമായ പ്രീട്രീറ്റ്മെൻ്റിന് വിധേയമാക്കണം. നീലക്കല്ലിൻ്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങളിൽ GaN എപ്പിറ്റാക്സി വളർത്തുന്നതിന് മുമ്പ്, മലിനീകരണം, അവശിഷ്ടമായ പോളിഷിംഗ് കേടുപാടുകൾ മുതലായവ നീക്കം ചെയ്യുന്നതിനും സ്റ്റെപ്പുകളും സ്റ്റെപ്പ് ഉപരിതല ഘടനകളും നിർമ്മിക്കുന്നതിനും അടിവസ്ത്ര ഉപരിതലം ആദ്യം കർശനമായി വൃത്തിയാക്കണം. തുടർന്ന്, എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളിയുടെ നനവുള്ള ഗുണങ്ങൾ മാറ്റാൻ അടിവസ്ത്ര ഉപരിതലം നൈട്രൈഡ് ചെയ്യുന്നു. അവസാനമായി, ഒരു നേർത്ത AlN ബഫർ പാളി (സാധാരണയായി 10-100nm കനം) അടിവസ്ത്രത്തിൻ്റെ ഉപരിതലത്തിൽ നിക്ഷേപിക്കുകയും അവസാന എപ്പിറ്റാക്സിയൽ വളർച്ചയ്ക്ക് തയ്യാറെടുക്കാൻ കുറഞ്ഞ താപനിലയിൽ അനീൽ ചെയ്യുകയും വേണം. അങ്ങനെയാണെങ്കിലും, നീലക്കല്ലിൻ്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങളിൽ വളരുന്ന GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ ഫിലിമുകളിലെ ഡിസ്ലോക്കേഷൻ സാന്ദ്രത ഹോമോപിറ്റാക്സിയൽ ഫിലിമുകളേക്കാൾ കൂടുതലാണ് (ഏകദേശം 1010cm-2, സിലിക്കൺ ഹോമോപിറ്റാക്സിയൽ ഫിലിമുകളിലോ ഗാലിയം ആർസെനൈഡ് 10 ഫിലിമുകളിലോ 1010 സെ.മീ. 2). ഉയർന്ന വൈകല്യ സാന്ദ്രത കാരിയർ മൊബിലിറ്റി കുറയ്ക്കുന്നു, അതുവഴി ന്യൂനപക്ഷ കാരിയർ ആയുസ്സ് കുറയ്ക്കുകയും താപ ചാലകത കുറയ്ക്കുകയും ചെയ്യുന്നു, ഇവയെല്ലാം ഉപകരണത്തിൻ്റെ പ്രകടനം കുറയ്ക്കും [4];

✔ നീലക്കല്ലിൻ്റെ താപ വിപുലീകരണ ഗുണകം GaN-നേക്കാൾ കൂടുതലാണ്, അതിനാൽ ഡിപ്പോസിഷൻ താപനിലയിൽ നിന്ന് മുറിയിലെ താപനിലയിലേക്ക് തണുപ്പിക്കുന്ന പ്രക്രിയയിൽ എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളിയിൽ ബയാക്സിയൽ കംപ്രസ്സീവ് സ്ട്രെസ് സൃഷ്ടിക്കപ്പെടും. കട്ടിയുള്ള എപ്പിറ്റാക്സിയൽ ഫിലിമുകൾക്ക്, ഈ സമ്മർദ്ദം ഫിലിമിൻ്റെ അല്ലെങ്കിൽ അടിവസ്ത്രത്തിൽ പോലും വിള്ളലുണ്ടാക്കാം;

✔ മറ്റ് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, സഫയർ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളുടെ താപ ചാലകത കുറവാണ് (ഏകദേശം 0.25W*cm-1*K-1 at 100℃), കൂടാതെ താപ വിസർജ്ജന പ്രകടനം മോശമാണ്;

✔ മോശം ചാലകത കാരണം, നീലക്കല്ലിൻ്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങൾ മറ്റ് അർദ്ധചാലക ഉപകരണങ്ങളുമായി അവയുടെ സംയോജനത്തിനും പ്രയോഗത്തിനും അനുയോജ്യമല്ല.

നീലക്കല്ലിൻ്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങളിൽ വളരുന്ന GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളികളുടെ വൈകല്യ സാന്ദ്രത കൂടുതലാണെങ്കിലും, GaN അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള നീല-പച്ച LED-കളുടെ ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് പ്രകടനത്തെ ഇത് ഗണ്യമായി കുറയ്ക്കുന്നതായി തോന്നുന്നില്ല, അതിനാൽ നീലക്കല്ലുകൾ ഇപ്പോഴും GaN-അധിഷ്ഠിത LED-കൾക്കായി സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളാണ്.

ലേസർ അല്ലെങ്കിൽ മറ്റ് ഉയർന്ന സാന്ദ്രതയുള്ള പവർ ഉപകരണങ്ങൾ പോലുള്ള GaN ഉപകരണങ്ങളുടെ കൂടുതൽ പുതിയ ആപ്ലിക്കേഷനുകൾ വികസിപ്പിച്ചതോടെ, നീലക്കല്ലിൻ്റെ അന്തർലീനമായ വൈകല്യങ്ങൾ അവയുടെ പ്രയോഗത്തിൽ പരിമിതിയായി മാറിയിരിക്കുന്നു. കൂടാതെ, SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് വളർച്ചാ സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ വികസനം, ചെലവ് കുറയ്ക്കൽ, Si സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിലെ GaN എപ്പിടാക്‌സിയൽ സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ പക്വത എന്നിവയ്‌ക്കൊപ്പം, നീലക്കല്ലിൻ്റെ അടിവസ്‌ത്രങ്ങളിൽ വളരുന്ന GaN എപ്പിടാക്‌സിയൽ പാളികളെക്കുറിച്ചുള്ള കൂടുതൽ ഗവേഷണം ക്രമേണ തണുപ്പിക്കൽ പ്രവണത കാണിക്കുന്നു.

SiC-ൽ GaN എപ്പിറ്റാക്സി

ഇന്ദ്രനീലവുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾക്ക് (4H-, 6H-ക്രിസ്റ്റലുകൾ) GaN എപിടാക്‌സിയൽ പാളികളുമായി (3.1%, [0001] ഓറിയൻ്റഡ് എപിറ്റാക്‌സിയൽ ഫിലിമുകൾക്ക് തുല്യം), ഉയർന്ന താപ ചാലകത (ഏകദേശം 3.8W*cm-1*K) എന്നിവയുമായി ചെറിയ ലാറ്റിസ് പൊരുത്തക്കേട് ഉണ്ട്. -1), മുതലായവ. കൂടാതെ, SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളുടെ ചാലകത, സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിൻ്റെ പിൻഭാഗത്ത് വൈദ്യുത കോൺടാക്റ്റുകൾ നിർമ്മിക്കാൻ അനുവദിക്കുന്നു, ഇത് ഉപകരണ ഘടന ലളിതമാക്കാൻ സഹായിക്കുന്നു. ഈ ഗുണങ്ങളുടെ അസ്തിത്വം കൂടുതൽ കൂടുതൽ ഗവേഷകരെ സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിൽ GaN എപ്പിറ്റാക്സിയിൽ പ്രവർത്തിക്കാൻ ആകർഷിച്ചു.

എന്നിരുന്നാലും, വളരുന്ന GaN എപ്പിലേയറുകൾ ഒഴിവാക്കാൻ SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിൽ നേരിട്ട് പ്രവർത്തിക്കുന്നത് ഇനിപ്പറയുന്നവ ഉൾപ്പെടെ നിരവധി ദോഷങ്ങൾ അഭിമുഖീകരിക്കുന്നു:

✔ SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളുടെ ഉപരിതല പരുക്കൻ നീലക്കല്ലിൻ്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങളേക്കാൾ വളരെ കൂടുതലാണ് (നീലക്കല്ലിൻ്റെ പരുക്കൻത 0.1nm RMS, SiC പരുക്കൻത 1nm RMS), SiC അടിവസ്ത്രങ്ങൾക്ക് ഉയർന്ന കാഠിന്യവും മോശം പ്രോസസ്സിംഗ് പ്രകടനവുമുണ്ട്, കൂടാതെ ഈ പരുക്കനും ശേഷിക്കുന്ന പോളിഷിംഗ് നാശവും അതിലൊന്നാണ്. GaN എപ്പിലേയറുകളിലെ വൈകല്യങ്ങളുടെ ഉറവിടങ്ങൾ.

✔ SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളുടെ സ്ക്രൂ ഡിസ്‌ലോക്കേഷൻ സാന്ദ്രത കൂടുതലാണ് (ഡിസ്‌ലോക്കേഷൻ ഡെൻസിറ്റി 103-104cm-2), സ്ക്രൂ ഡിസ്‌ലോക്കേഷനുകൾ GaN എപ്പിലേയറിലേക്ക് വ്യാപിക്കുകയും ഉപകരണത്തിൻ്റെ പ്രകടനം കുറയ്ക്കുകയും ചെയ്യാം;

✔ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് ഉപരിതലത്തിലെ ആറ്റോമിക് ക്രമീകരണം GaN എപ്പിലേയറിലെ സ്റ്റാക്കിംഗ് ഫാൾട്ടുകളുടെ (BSF) രൂപീകരണത്തിന് കാരണമാകുന്നു. SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിലെ എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ GaN-ന്, അടിവസ്ത്രത്തിൽ സാധ്യമായ ഒന്നിലധികം ആറ്റോമിക് ക്രമീകരണ ഓർഡറുകൾ ഉണ്ട്, അതിൻ്റെ ഫലമായി എപ്പിടാക്‌സിയൽ GaN ലെയറിൻ്റെ പ്രാരംഭ ആറ്റോമിക് സ്റ്റാക്കിംഗ് ക്രമത്തിൽ പൊരുത്തക്കേടുണ്ട്, ഇത് സ്റ്റാക്കിംഗ് തകരാറുകൾക്ക് സാധ്യതയുണ്ട്. സ്റ്റാക്കിംഗ് തെറ്റുകൾ (SFs) സി-ആക്സിസിനൊപ്പം ബിൽറ്റ്-ഇൻ ഇലക്ട്രിക് ഫീൽഡുകൾ അവതരിപ്പിക്കുന്നു, ഇത് വിമാനത്തിനുള്ളിലെ കാരിയർ വേർതിരിക്കൽ ഉപകരണങ്ങളുടെ ചോർച്ച പോലുള്ള പ്രശ്‌നങ്ങളിലേക്ക് നയിക്കുന്നു;

✔ SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിൻ്റെ താപ വിപുലീകരണ ഗുണകം AlN, GaN എന്നിവയേക്കാൾ ചെറുതാണ്, ഇത് തണുപ്പിക്കൽ പ്രക്രിയയിൽ എപ്പിടാക്‌സിയൽ പാളിക്കും അടിവസ്ത്രത്തിനും ഇടയിൽ താപ സമ്മർദ്ദം അടിഞ്ഞു കൂടുന്നു. വാൾട്ടെറൈറ്റും ബ്രാൻഡും അവരുടെ ഗവേഷണ ഫലങ്ങളെ അടിസ്ഥാനമാക്കി പ്രവചിച്ചത്, കനം കുറഞ്ഞതും യോജിപ്പുള്ളതുമായ AlN ന്യൂക്ലിയേഷൻ പാളികളിൽ GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളികൾ വളർത്തുന്നതിലൂടെ ഈ പ്രശ്നം ലഘൂകരിക്കാനോ പരിഹരിക്കാനോ കഴിയുമെന്ന്;

✔ Ga ആറ്റങ്ങളുടെ മോശം ഈർപ്പത്തിൻ്റെ പ്രശ്നം. SiC ഉപരിതലത്തിൽ നേരിട്ട് GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളികൾ വളർത്തുമ്പോൾ, രണ്ട് ആറ്റങ്ങൾക്കിടയിലുള്ള മോശം ഈർപ്പം കാരണം, അടിവസ്ത്ര ഉപരിതലത്തിൽ GaN 3D ദ്വീപ് വളർച്ചയ്ക്ക് സാധ്യതയുണ്ട്. GaN എപ്പിറ്റാക്സിയിലെ എപ്പിറ്റാക്സിയൽ മെറ്റീരിയലുകളുടെ ഗുണനിലവാരം മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിന് ഏറ്റവും സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന പരിഹാരമാണ് ബഫർ ലെയർ അവതരിപ്പിക്കുന്നത്. ഒരു AlN അല്ലെങ്കിൽ AlxGa1-xN ബഫർ ലെയർ അവതരിപ്പിക്കുന്നത് SiC പ്രതലത്തിൻ്റെ ഈർപ്പം കാര്യക്ഷമമായി മെച്ചപ്പെടുത്തുകയും GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ ലെയറിനെ രണ്ട് അളവുകളിൽ വളരുകയും ചെയ്യും. കൂടാതെ, ഇതിന് സമ്മർദ്ദം നിയന്ത്രിക്കാനും GaN എപ്പിറ്റാക്സിയിലേക്ക് വ്യാപിക്കുന്നതിൽ നിന്ന് അടിവസ്ത്ര വൈകല്യങ്ങൾ തടയാനും കഴിയും;

✔ SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളുടെ തയ്യാറാക്കൽ സാങ്കേതികവിദ്യ അപക്വമാണ്, സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് വില കൂടുതലാണ്, കൂടാതെ കുറച്ച് വിതരണക്കാരും കുറച്ച് വിതരണവും ഉണ്ട്.

ടോറസ് മറ്റുള്ളവരുടെ ഗവേഷണം കാണിക്കുന്നത്, ഉയർന്ന താപനിലയിൽ (1600°C) ഉയർന്ന ഊഷ്മാവിൽ H2 ഉപയോഗിച്ച് SiC അടിവസ്ത്രം കൊത്തിവയ്ക്കുന്നത് അടിവസ്ത്ര പ്രതലത്തിൽ കൂടുതൽ ക്രമീകരിച്ച സ്റ്റെപ്പ് സ്ട്രക്ചർ ഉണ്ടാക്കുമെന്നും, അതുവഴി നേരിട്ട് ഉള്ളതിനേക്കാൾ ഉയർന്ന നിലവാരമുള്ള AlN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ ഫിലിം ലഭിക്കും. യഥാർത്ഥ അടിവസ്ത്ര ഉപരിതലത്തിൽ വളരുന്നു. സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിൻ്റെ മുൻകൂർ സംസ്‌കരണത്തിന് GaN എപ്പിടാക്‌സിയൽ പാളിയുടെ ഉപരിതല രൂപഘടനയും ക്രിസ്റ്റൽ ഗുണനിലവാരവും ഗണ്യമായി മെച്ചപ്പെടുത്താൻ കഴിയുമെന്ന് Xieയുടെയും സംഘത്തിൻ്റെയും ഗവേഷണം കാണിക്കുന്നു. സ്മിത്ത് et al. സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ്/ബഫർ ലെയറിൽ നിന്ന് ഉത്ഭവിക്കുന്ന ത്രെഡിംഗ് ഡിസ്‌ലോക്കേഷനുകളും ബഫർ ലെയർ/എപിറ്റാക്‌സിയൽ ലെയർ ഇൻ്റർഫേസുകളും അടിവസ്ത്രത്തിൻ്റെ പരന്നതയുമായി ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നുവെന്ന് കണ്ടെത്തി [5].

വ്യത്യസ്‌ത പ്രതല സംസ്‌കരണ സാഹചര്യങ്ങളിൽ (a) കെമിക്കൽ ക്ലീനിംഗ് (a) 6H-SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിൽ (0001) വളർത്തിയ GaN എപിടാക്‌സിയൽ ലെയർ സാമ്പിളുകളുടെ ചിത്രം 4 TEM രൂപഘടന; (ബി) കെമിക്കൽ ക്ലീനിംഗ് + ഹൈഡ്രജൻ പ്ലാസ്മ ചികിത്സ; (സി) കെമിക്കൽ ക്ലീനിംഗ് + ഹൈഡ്രജൻ പ്ലാസ്മ ചികിത്സ + 1300 ℃ ഹൈഡ്രജൻ ചൂട് ചികിത്സ 30 മിനിറ്റ്

Si ഓൺ GaN എപ്പിറ്റാക്സി

സിലിക്കൺ കാർബൈഡ്, നീലക്കല്ലുകൾ, മറ്റ് അടിവസ്ത്രങ്ങൾ എന്നിവയുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, സിലിക്കൺ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് തയ്യാറാക്കൽ പ്രക്രിയ പക്വതയുള്ളതാണ്, മാത്രമല്ല ഉയർന്ന വിലയുള്ള പ്രകടനത്തോടെ മുതിർന്ന വലിയ വലിപ്പത്തിലുള്ള അടിവസ്ത്രങ്ങൾ സ്ഥിരമായി നൽകാൻ ഇതിന് കഴിയും. അതേ സമയം, താപ ചാലകതയും വൈദ്യുതചാലകതയും നല്ലതാണ്, കൂടാതെ Si ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണ പ്രക്രിയ മുതിർന്നതാണ്. ഭാവിയിൽ ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് GaN ഉപകരണങ്ങളെ Si ഇലക്‌ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങളുമായി സമന്വയിപ്പിക്കാനുള്ള സാധ്യതയും സിലിക്കണിലെ GaN എപ്പിറ്റാക്‌സിയുടെ വളർച്ചയെ വളരെ ആകർഷകമാക്കുന്നു.

എന്നിരുന്നാലും, Si സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റും GaN മെറ്റീരിയലും തമ്മിലുള്ള ലാറ്റിസ് സ്ഥിരാങ്കങ്ങളിലെ വലിയ വ്യത്യാസം കാരണം, Si സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിലെ GaN-ൻ്റെ വൈവിധ്യമാർന്ന എപ്പിറ്റാക്‌സി ഒരു സാധാരണ വലിയ പൊരുത്തക്കേട് എപ്പിറ്റാക്‌സിയാണ്, മാത്രമല്ല ഇതിന് നിരവധി പ്രശ്‌നങ്ങളും നേരിടേണ്ടതുണ്ട്:

✔ ഉപരിതല ഇൻ്റർഫേസ് ഊർജ്ജ പ്രശ്നം. ഒരു Si അടിവസ്ത്രത്തിൽ GaN വളരുമ്പോൾ, ഉയർന്ന സാന്ദ്രതയുള്ള GaN ൻ്റെ ന്യൂക്ലിയേഷനും വളർച്ചയ്ക്കും അനുയോജ്യമല്ലാത്ത ഒരു രൂപരഹിതമായ സിലിക്കൺ നൈട്രൈഡ് പാളി രൂപപ്പെടുത്തുന്നതിന് Si അടിവസ്ത്രത്തിൻ്റെ ഉപരിതലം ആദ്യം നൈട്രൈഡ് ചെയ്യും. കൂടാതെ, Si ഉപരിതലം ആദ്യം Ga-യുമായി ബന്ധപ്പെടും, ഇത് Si അടിവസ്ത്രത്തിൻ്റെ ഉപരിതലത്തെ നശിപ്പിക്കും. ഉയർന്ന ഊഷ്മാവിൽ, Si ഉപരിതലത്തിൻ്റെ വിഘടനം കറുത്ത സിലിക്കൺ പാടുകൾ രൂപപ്പെടുത്തുന്നതിന് GaN എപിടാക്സിയൽ പാളിയിലേക്ക് വ്യാപിക്കും.

✔ GaN, Si എന്നിവയ്ക്കിടയിലുള്ള ലാറ്റിസ് സ്ഥിരമായ പൊരുത്തക്കേട് വലുതാണ് (~ 17%), ഇത് ഉയർന്ന സാന്ദ്രതയുള്ള ത്രെഡിംഗ് ഡിസ്ലോക്കേഷനുകളുടെ രൂപീകരണത്തിലേക്ക് നയിക്കുകയും എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളിയുടെ ഗുണനിലവാരം ഗണ്യമായി കുറയ്ക്കുകയും ചെയ്യും;

✔ Si യുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, GaN-ന് ഒരു വലിയ താപ വികാസ ഗുണകമുണ്ട് (GaN-ൻ്റെ താപ വികാസ ഗുണകം ഏകദേശം 5.6×10-6K-1 ആണ്, Si യുടെ താപ വികാസ ഗുണകം ഏകദേശം 2.6×10-6K-1 ആണ്), GaN-ൽ വിള്ളലുകൾ ഉണ്ടാകാം. ഊഷ്മാവിൽ എപ്പിറ്റാക്സിയൽ താപനില തണുപ്പിക്കുന്ന സമയത്ത് എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളി;

✔ Si ഉയർന്ന ഊഷ്മാവിൽ NH3 യുമായി പ്രതിപ്രവർത്തിച്ച് പോളിക്രിസ്റ്റലിൻ SiNx രൂപപ്പെടുന്നു. AlN-ന് പോളിക്രിസ്റ്റലിൻ SiNx-ൽ മുൻഗണനാ കേന്ദ്രീകൃത ന്യൂക്ലിയസ് രൂപപ്പെടുത്താൻ കഴിയില്ല, ഇത് പിന്നീട് വളർന്ന GaN പാളിയുടെ ക്രമരഹിതമായ ഓറിയൻ്റേഷനിലേക്കും ഉയർന്ന അളവിലുള്ള വൈകല്യങ്ങളിലേക്കും നയിക്കുന്നു, ഇത് GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ ലെയറിൻ്റെ മോശം ക്രിസ്റ്റൽ ഗുണനിലവാരത്തിന് കാരണമാകുന്നു, കൂടാതെ ഒറ്റ-ക്രിസ്റ്റലിൻ രൂപപ്പെടുത്തുന്നതിലെ ബുദ്ധിമുട്ട് പോലും. GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളി [6].

വലിയ ലാറ്റിസ് പൊരുത്തക്കേടിൻ്റെ പ്രശ്നം പരിഹരിക്കുന്നതിനായി, ഗവേഷകർ Si സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിൽ ബഫർ ലെയറുകളായി AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, SiC എന്നിവ അവതരിപ്പിക്കാൻ ശ്രമിച്ചു. പോളിക്രിസ്റ്റലിൻ SiNx ഉണ്ടാകുന്നത് ഒഴിവാക്കാനും GaN/AlN/Si (111) മെറ്റീരിയലുകളുടെ ക്രിസ്റ്റൽ ഗുണമേന്മയിൽ അതിൻ്റെ പ്രതികൂല ഫലങ്ങൾ കുറയ്ക്കാനും, AlN ബഫർ ലെയറിൻ്റെ എപ്പിറ്റാക്സിയൽ വളർച്ചയ്ക്ക് മുമ്പ് ഒരു നിശ്ചിത സമയത്തേക്ക് TMAl അവതരിപ്പിക്കേണ്ടതുണ്ട്. SiNx രൂപപ്പെടുന്നതിലേക്ക് തുറന്നിരിക്കുന്ന Si ഉപരിതലവുമായി പ്രതിപ്രവർത്തിക്കുന്നതിൽ നിന്ന് NH3 തടയുന്നതിന്. കൂടാതെ, എപ്പിറ്റാക്സിയൽ ലെയറിൻ്റെ ഗുണനിലവാരം മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിന് പാറ്റേൺ ചെയ്ത സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് സാങ്കേതികവിദ്യ പോലുള്ള എപ്പിടാക്‌സിയൽ സാങ്കേതികവിദ്യകൾ ഉപയോഗിക്കാം. ഈ സാങ്കേതികവിദ്യകളുടെ വികസനം എപ്പിറ്റാക്സിയൽ ഇൻ്റർഫേസിൽ SiNx-ൻ്റെ രൂപീകരണം തടയുന്നതിനും GaN എപിടാക്സിയൽ ലെയറിൻ്റെ ദ്വിമാന വളർച്ചയെ പ്രോത്സാഹിപ്പിക്കുന്നതിനും എപ്പിടാക്സിയൽ ലെയറിൻ്റെ വളർച്ചാ നിലവാരം മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിനും സഹായിക്കുന്നു. കൂടാതെ, സിലിക്കൺ അടിവസ്ത്രത്തിലെ GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളിയിലെ വിള്ളലുകൾ ഒഴിവാക്കാൻ താപ വികാസ ഗുണകങ്ങളിലെ വ്യത്യാസം മൂലമുണ്ടാകുന്ന ടെൻസൈൽ സമ്മർദ്ദം നികത്താൻ ഒരു AlN ബഫർ ലെയർ അവതരിപ്പിക്കുന്നു. ക്രോസ്റ്റിൻ്റെ ഗവേഷണം കാണിക്കുന്നത് AlN ബഫർ ലെയറിൻ്റെ കനവും സ്‌ട്രെയിനിൻ്റെ കുറവും തമ്മിൽ നല്ല ബന്ധമുണ്ടെന്ന്. ബഫർ ലെയർ കനം 12nm എത്തുമ്പോൾ, 6μm-ൽ കൂടുതൽ കട്ടിയുള്ള ഒരു എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളി എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളി പൊട്ടാതെ ഉചിതമായ വളർച്ചാ പദ്ധതിയിലൂടെ സിലിക്കൺ അടിവസ്ത്രത്തിൽ വളർത്താം.

ഗവേഷകരുടെ ദീർഘകാല ശ്രമങ്ങൾക്ക് ശേഷം, സിലിക്കൺ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിൽ വളരുന്ന GaN എപ്പിടാക്‌സിയൽ പാളികളുടെ ഗുണനിലവാരം ഗണ്യമായി മെച്ചപ്പെടുത്തിയിട്ടുണ്ട്, കൂടാതെ ഫീൽഡ് ഇഫക്റ്റ് ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ, ഷോട്ട്കി ബാരിയർ അൾട്രാവയലറ്റ് ഡിറ്റക്ടറുകൾ, ബ്ലൂ-ഗ്രീൻ എൽഇഡികൾ, അൾട്രാവയലറ്റ് ലേസർ എന്നിവ പോലുള്ള ഉപകരണങ്ങൾ ഗണ്യമായ പുരോഗതി കൈവരിച്ചു.

ചുരുക്കത്തിൽ, സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ എല്ലാം വൈവിധ്യമാർന്ന എപ്പിറ്റാക്‌സി ആയതിനാൽ, അവയെല്ലാം ലാറ്റിസ് പൊരുത്തക്കേട്, വ്യത്യസ്ത അളവിലുള്ള താപ വികാസ ഗുണകങ്ങളിലെ വലിയ വ്യത്യാസങ്ങൾ എന്നിവ പോലുള്ള പൊതുവായ പ്രശ്‌നങ്ങൾ അഭിമുഖീകരിക്കുന്നു. സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ പക്വതയാൽ ഏകതാനമായ എപ്പിറ്റാക്സിയൽ GaN സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ പരിമിതപ്പെടുത്തിയിരിക്കുന്നു, കൂടാതെ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ ഇതുവരെ വൻതോതിൽ ഉൽപ്പാദിപ്പിച്ചിട്ടില്ല. ഉൽപ്പാദനച്ചെലവ് ഉയർന്നതാണ്, അടിവസ്ത്രത്തിൻ്റെ വലുപ്പം ചെറുതാണ്, കൂടാതെ അടിവസ്ത്രത്തിൻ്റെ ഗുണനിലവാരം അനുയോജ്യമല്ല. പുതിയ GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളുടെ വികസനവും എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ ഗുണനിലവാരം മെച്ചപ്പെടുത്തലും ഇപ്പോഴും GaN എപ്പിടാക്‌സിയൽ വ്യവസായത്തിൻ്റെ കൂടുതൽ വികസനത്തെ നിയന്ത്രിക്കുന്ന പ്രധാന ഘടകങ്ങളിലൊന്നാണ്.

IV. GaN എപ്പിറ്റാക്സിക്കുള്ള സാധാരണ രീതികൾ

MOCVD (രാസ നീരാവി നിക്ഷേപം)

GaN സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിലെ ഏകതാനമായ എപ്പിറ്റാക്‌സിയാണ് GaN എപ്പിറ്റാക്‌സിക്കുള്ള ഏറ്റവും മികച്ച ചോയ്‌സ് എന്ന് തോന്നുന്നു. എന്നിരുന്നാലും, രാസ നീരാവി നിക്ഷേപത്തിൻ്റെ മുൻഗാമികൾ ട്രൈമീഥൈൽഗാലിയവും അമോണിയയും വാഹക വാതകം ഹൈഡ്രജനും ആയതിനാൽ, സാധാരണ MOCVD വളർച്ചാ താപനില ഏകദേശം 1000-1100℃ ആണ്, കൂടാതെ MOCVD യുടെ വളർച്ചാ നിരക്ക് മണിക്കൂറിൽ ഏതാനും മൈക്രോൺ ആണ്. ഇതിന് ആറ്റോമിക് തലത്തിൽ കുത്തനെയുള്ള ഇൻ്റർഫേസുകൾ നിർമ്മിക്കാൻ കഴിയും, ഇത് വളരുന്ന ഹെറ്ററോജംഗ്ഷനുകൾ, ക്വാണ്ടം കിണറുകൾ, സൂപ്പർലാറ്റിസുകൾ, മറ്റ് ഘടനകൾ എന്നിവയ്ക്ക് വളരെ അനുയോജ്യമാണ്. വ്യാവസായിക ഉൽപ്പാദനത്തിൽ അതിൻ്റെ വേഗത്തിലുള്ള വളർച്ചാ നിരക്ക്, നല്ല ഏകത, വലിയ വിസ്തീർണ്ണത്തിനും മൾട്ടി-പീസ് വളർച്ചയ്ക്കും അനുയോജ്യത എന്നിവ പലപ്പോഴും ഉപയോഗിക്കുന്നു.
MBE (തന്മാത്രാ ബീം എപ്പിറ്റാക്സി)
തന്മാത്രാ ബീം എപ്പിറ്റാക്സിയിൽ, Ga ഒരു മൂലക സ്രോതസ്സ് ഉപയോഗിക്കുന്നു, കൂടാതെ RF പ്ലാസ്മ വഴി നൈട്രജനിൽ നിന്ന് സജീവമായ നൈട്രജൻ ലഭിക്കുന്നു. MOCVD രീതിയുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, MBE വളർച്ചാ താപനില ഏകദേശം 350-400℃ കുറവാണ്. കുറഞ്ഞ വളർച്ചാ ഊഷ്മാവ് ഉയർന്ന താപനില അന്തരീക്ഷം മൂലമുണ്ടാകുന്ന ചില മലിനീകരണം ഒഴിവാക്കും. MBE സിസ്റ്റം അൾട്രാ-ഹൈ വാക്വമിന് കീഴിലാണ് പ്രവർത്തിക്കുന്നത്, ഇത് കൂടുതൽ ഇൻ-സിറ്റു ഡിറ്റക്ഷൻ രീതികൾ സംയോജിപ്പിക്കാൻ അനുവദിക്കുന്നു. അതേ സമയം, അതിൻ്റെ വളർച്ചാ നിരക്കും ഉൽപാദന ശേഷിയും MOCVD യുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്താൻ കഴിയില്ല, കൂടാതെ ഇത് ശാസ്ത്രീയ ഗവേഷണങ്ങളിൽ കൂടുതൽ ഉപയോഗിക്കുന്നു [7].

ചിത്രം 5 (a) Eiko-MBE സ്കീമാറ്റിക് (b) MBE പ്രധാന പ്രതികരണ ചേംബർ സ്കീമാറ്റിക്

HVPE രീതി (ഹൈഡ്രൈഡ് വേപ്പർ ഫേസ് എപ്പിറ്റാക്സി)
ഹൈഡ്രൈഡ് വേപ്പർ ഫേസ് എപ്പിറ്റാക്സി രീതിയുടെ മുൻഗാമികൾ GaCl3, NH3 എന്നിവയാണ്. Detchprohm et al. ഒരു നീലക്കല്ലിൻ്റെ ഉപരിതലത്തിൽ നൂറുകണക്കിന് മൈക്രോൺ കട്ടിയുള്ള ഒരു GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളി വളർത്താൻ ഈ രീതി ഉപയോഗിച്ചു. അവരുടെ പരീക്ഷണത്തിൽ, സഫയർ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിനും എപിടാക്‌സിയൽ പാളിക്കും ഇടയിൽ ഒരു ബഫർ ലെയറായി ZnO യുടെ ഒരു പാളി വളർത്തി, കൂടാതെ എപ്പിടാക്‌സിയൽ പാളി അടിവസ്ത്ര ഉപരിതലത്തിൽ നിന്ന് തൊലി കളയുകയും ചെയ്തു. MOCVD, MBE എന്നിവയുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, HVPE രീതിയുടെ പ്രധാന സവിശേഷത അതിൻ്റെ ഉയർന്ന വളർച്ചാ നിരക്കാണ്, ഇത് കട്ടിയുള്ള പാളികളുടെയും ബൾക്ക് മെറ്റീരിയലുകളുടെയും ഉത്പാദനത്തിന് അനുയോജ്യമാണ്. എന്നിരുന്നാലും, എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളിയുടെ കനം 20μm കവിയുമ്പോൾ, ഈ രീതി ഉപയോഗിച്ച് ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്ന എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളി വിള്ളലുകൾക്ക് സാധ്യതയുണ്ട്.
ഈ രീതിയെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള പാറ്റേൺ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് സാങ്കേതികവിദ്യ അകിര യുഎസ്‌യുഐ അവതരിപ്പിച്ചു. MOCVD രീതി ഉപയോഗിച്ച് നീലക്കല്ലിൻ്റെ അടിത്തട്ടിൽ അവർ ആദ്യം 1-1.5μm കട്ടിയുള്ള GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളി വളർത്തി. എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളിയിൽ താഴ്ന്ന താപനിലയിൽ വളരുന്ന 20nm കട്ടിയുള്ള GaN ബഫർ പാളിയും ഉയർന്ന താപനിലയിൽ വളരുന്ന ഒരു GaN പാളിയും അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു. തുടർന്ന്, 430℃-ൽ, എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളിയുടെ ഉപരിതലത്തിൽ SiO2 ൻ്റെ ഒരു പാളി പൂശുകയും ഫോട്ടോലിത്തോഗ്രാഫി ഉപയോഗിച്ച് SiO2 ഫിലിമിൽ വിൻഡോ വരകൾ നിർമ്മിക്കുകയും ചെയ്തു. സ്ട്രൈപ്പ് സ്പെയ്സിംഗ് 7μm ആയിരുന്നു, മാസ്ക് വീതി 1μm മുതൽ 4μm വരെയാണ്. ഈ മെച്ചപ്പെടുത്തലിനുശേഷം, അവർക്ക് 2 ഇഞ്ച് വ്യാസമുള്ള നീലക്കല്ലിൻ്റെ അടിവസ്ത്രത്തിൽ ഒരു GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളി ലഭിച്ചു, അത് വിള്ളലുകളില്ലാത്തതും കനം പതിനായിരമോ നൂറുകണക്കിന് മൈക്രോണുകളോ ആയി വർദ്ധിച്ചപ്പോഴും കണ്ണാടി പോലെ മിനുസമാർന്നതുമാണ്. പരമ്പരാഗത HVPE രീതിയുടെ 109-1010cm-2-ൽ നിന്ന് 6×107cm-2 ആയി വൈകല്യ സാന്ദ്രത കുറഞ്ഞു. വളർച്ചാ നിരക്ക് 75μm/h കവിയുമ്പോൾ സാമ്പിൾ ഉപരിതലം പരുക്കനാകുമെന്നും അവർ പരീക്ഷണത്തിൽ ചൂണ്ടിക്കാട്ടി[8].

ചിത്രം 6 ഗ്രാഫിക്കൽ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് സ്‌കീമാറ്റിക്

V. സംഗ്രഹവും ഔട്ട്‌ലുക്കും

2014-ൽ ബ്ലൂ ലൈറ്റ് എൽഇഡി ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിനുള്ള നൊബേൽ സമ്മാനം നേടിയപ്പോൾ, ഉപഭോക്തൃ ഇലക്ട്രോണിക്സ് മേഖലയിൽ അതിവേഗ ചാർജിംഗ് ആപ്ലിക്കേഷനുകളുടെ പൊതുജനങ്ങളുടെ ഫീൽഡിൽ പ്രവേശിച്ചപ്പോൾ GaN മെറ്റീരിയലുകൾ ഉയർന്നുവരാൻ തുടങ്ങി. വാസ്തവത്തിൽ, മിക്ക ആളുകൾക്കും കാണാൻ കഴിയാത്ത പവർ ആംപ്ലിഫയറുകളിലെയും 5G ബേസ് സ്റ്റേഷനുകളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന RF ഉപകരണങ്ങളിലെയും ആപ്ലിക്കേഷനുകളും നിശബ്ദമായി ഉയർന്നുവന്നിട്ടുണ്ട്. സമീപ വർഷങ്ങളിൽ, GaN അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള ഓട്ടോമോട്ടീവ്-ഗ്രേഡ് പവർ ഉപകരണങ്ങളുടെ മുന്നേറ്റം GaN മെറ്റീരിയൽ ആപ്ലിക്കേഷൻ മാർക്കറ്റിനായി പുതിയ വളർച്ചാ പോയിൻ്റുകൾ തുറക്കുമെന്ന് പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു.
വൻതോതിലുള്ള വിപണി ആവശ്യം തീർച്ചയായും GaN-മായി ബന്ധപ്പെട്ട വ്യവസായങ്ങളുടെയും സാങ്കേതികവിദ്യകളുടെയും വികസനത്തെ പ്രോത്സാഹിപ്പിക്കും. GaN-മായി ബന്ധപ്പെട്ട വ്യാവസായിക ശൃംഖലയുടെ മെച്യൂരിറ്റിയും മെച്ചപ്പെടുത്തലും കൊണ്ട്, നിലവിലെ GaN എപ്പിടാക്സിയൽ സാങ്കേതികവിദ്യ നേരിടുന്ന പ്രശ്നങ്ങൾ ക്രമേണ മെച്ചപ്പെടുകയോ മറികടക്കുകയോ ചെയ്യും. ഭാവിയിൽ, ആളുകൾ തീർച്ചയായും കൂടുതൽ പുതിയ എപ്പിറ്റാക്സിയൽ സാങ്കേതികവിദ്യകളും കൂടുതൽ മികച്ച സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് ഓപ്ഷനുകളും വികസിപ്പിക്കും. അപ്പോഴേക്കും, ആപ്ലിക്കേഷൻ സാഹചര്യങ്ങളുടെ സ്വഭാവസവിശേഷതകൾക്കനുസരിച്ച് വ്യത്യസ്ത ആപ്ലിക്കേഷൻ സാഹചര്യങ്ങൾക്കായി ഏറ്റവും അനുയോജ്യമായ ബാഹ്യ ഗവേഷണ സാങ്കേതികവിദ്യയും സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റും തിരഞ്ഞെടുക്കാനും ഏറ്റവും മത്സരാധിഷ്ഠിത ഇഷ്‌ടാനുസൃത ഉൽപ്പന്നങ്ങൾ നിർമ്മിക്കാനും ആളുകൾക്ക് കഴിയും.