1. Гурав дахь үеийн хагас дамжуулагч
Эхний үеийн хагас дамжуулагч технологийг Si, Ge зэрэг хагас дамжуулагч материал дээр үндэслэн боловсруулсан. Энэ нь транзистор, нэгдсэн хэлхээний технологийг хөгжүүлэх материаллаг үндэс юм. Эхний үеийн хагас дамжуулагч материалууд нь 20-р зуунд электрон үйлдвэрлэлийн үндэс суурийг тавьсан бөгөөд нэгдсэн хэлхээний технологийн үндсэн материал юм.
Хоёр дахь үеийн хагас дамжуулагч материалд голчлон галлийн арсенид, индий фосфид, галли фосфид, индий арсенид, хөнгөн цагаан арсенид болон тэдгээрийн гурвалсан нэгдлүүд орно. Хоёр дахь үеийн хагас дамжуулагч материалууд нь оптоэлектроник мэдээллийн салбарын үндэс суурь болдог. Үүний үндсэн дээр гэрэлтүүлэг, дэлгэц, лазер, фотоволтайк зэрэг холбогдох үйлдвэрүүд хөгжсөн. Эдгээрийг орчин үеийн мэдээллийн технологи, оптоэлектроник дэлгэцийн үйлдвэрлэлд өргөнөөр ашигладаг.
Гурав дахь үеийн хагас дамжуулагч материалын төлөөллийн материалд галлийн нитрид, цахиурын карбид орно. Өргөн зурвасын завсар, электроны ханалтын шилжилтийн хурд, дулаан дамжуулалт өндөр, задралын талбайн хүч чадал ихтэй тул өндөр эрчим хүчний нягтрал, өндөр давтамж, алдагдал багатай электрон төхөөрөмжүүдийг бэлтгэхэд тохиромжтой материал юм. Тэдгээрийн дотроос цахиурын карбидын цахилгаан төхөөрөмжүүд нь эрчим хүчний өндөр нягтрал, бага эрчим хүч зарцуулалт, жижиг хэмжээтэй зэрэг давуу талтай бөгөөд шинэ эрчим хүчний тээврийн хэрэгсэл, фотоволтайк, төмөр замын тээвэр, том өгөгдөл болон бусад салбарт өргөн хэрэглээний хэтийн төлөвтэй байдаг. Галийн нитридын RF төхөөрөмжүүд нь өндөр давтамж, өндөр хүч, өргөн зурвасын өргөн, бага эрчим хүч зарцуулалт, жижиг хэмжээтэй давуу талтай бөгөөд 5G харилцаа холбоо, интернетийн зүйлс, цэргийн радар болон бусад салбарт өргөн хэрэглээний хэтийн төлөвтэй байдаг. Үүнээс гадна галлийн нитрид дээр суурилсан цахилгаан төхөөрөмжийг нам хүчдэлийн салбарт өргөнөөр ашиглаж ирсэн. Нэмж дурдахад сүүлийн жилүүдэд шинээр гарч ирж буй галлийн оксидын материалууд нь одоо байгаа SiC болон GaN технологитой техникийн нэмэлт болж, нам давтамж, өндөр хүчдэлийн салбарт ашиглах боломжит төлөвтэй байна.
Хоёр дахь үеийн хагас дамжуулагч материалтай харьцуулахад гурав дахь үеийн хагас дамжуулагч материал нь илүү өргөн зурвасын өргөнтэй байдаг (эхний үеийн хагас дамжуулагч материалын ердийн материал болох Si-ийн зурвасын өргөн нь 1.1eВ орчим, GaAs-ийн зурвасын өргөн нь ердийн зүйл юм. Хоёр дахь үеийн хагас дамжуулагч материалын материал нь ойролцоогоор 1.42eV, GaN зурвасын өргөн нь ердийн материал юм. Гурав дахь үеийн хагас дамжуулагч материал нь 2.3eV-ээс дээш), илүү хүчтэй цацрагийн эсэргүүцэл, цахилгаан талбайн задралд илүү хүчтэй эсэргүүцэл, өндөр температурт тэсвэртэй. Илүү өргөн зурвасын өргөнтэй гурав дахь үеийн хагас дамжуулагч материалууд нь цацрагт тэсвэртэй, өндөр давтамжтай, өндөр хүчин чадалтай, өндөр нягтралтай электрон төхөөрөмж үйлдвэрлэхэд тохиромжтой. Тэдний богино долгионы радио давтамжийн төхөөрөмж, LED, лазер, цахилгаан төхөөрөмж болон бусад салбарт хэрэглэгдэхүүн нь олны анхаарлыг татаж, хөдөлгөөнт холбоо, ухаалаг сүлжээ, төмөр замын транзит, шинэ эрчим хүчний тээврийн хэрэгсэл, өргөн хэрэглээний цахилгаан хэрэгсэл, хэт ягаан туяа, цэнхэр зэрэг салбарт өргөн хөгжлийн хэтийн төлөвийг харуулсан. -ногоон гэрлийн төхөөрөмжүүд [1].
Зургийн эх сурвалж: CASA, Zheshang Securities Research Institute
Зураг 1 GaN чадлын төхөөрөмжийн цагийн хуваарь ба прогноз
II GaN материалын бүтэц, шинж чанар
GaN нь шууд зурвасын хагас дамжуулагч юм. Өрөөний температурт вуртцит бүтцийн зурвасын өргөн нь ойролцоогоор 3.26eV байна. GaN материалууд нь вуртцит бүтэц, сфалерит бүтэц, чулуулгийн давсны бүтэц гэсэн гурван үндсэн талст бүтэцтэй. Тэдгээрийн дотроос вуртцит бүтэц нь хамгийн тогтвортой болор бүтэц юм. Зураг 2 нь GaN-ийн зургаан өнцөгт вурцит бүтцийн диаграмм юм. GaN материалын wurtzite бүтэц нь зургаан өнцөгт нягт савласан бүтцэд хамаарна. Нэгж эс бүр 6 N атом, 6 Га атом зэрэг 12 атомтай. Ga (N) атом бүр нь хамгийн ойрын 4 N (Ga) атомтай холбоо үүсгэж, [0001] чиглэлийн [2] дагуу ABABAB... дарааллаар овоолсон байна.
Зураг 2 Wurtzite бүтэц GaN болор эсийн диаграмм
III GaN эпитаксид өргөн хэрэглэгддэг субстратууд
GaN субстрат дээрх нэгэн төрлийн эпитакси нь GaN эпитаксийн хувьд хамгийн сайн сонголт юм шиг санагддаг. Гэсэн хэдий ч GaN-ийн их бондын энергийн улмаас температур 2500 ° C хайлах цэгт хүрэхэд түүний задралын даралт нь 4.5 ГПа орчим байдаг. Задрах даралт нь энэ даралтаас бага байвал GaN хайлдаггүй, харин шууд задардаг. Энэ нь Czochralski арга гэх мэт боловсорч гүйцсэн субстрат бэлтгэх технологийг GaN нэг талст субстрат бэлтгэхэд тохиромжгүй болгож, GaN субстратыг бөөнөөр нь үйлдвэрлэхэд хэцүү, өртөг өндөртэй болгодог. Тиймээс GaN эпитаксиаль өсөлтөд түгээмэл хэрэглэгддэг субстратууд нь голчлон Si, SiC, индранил гэх мэт [3].
График 3 GaN ба өргөн хэрэглэгддэг субстратын материалын параметрүүд
Индранил дээрх GaN эпитакси
Сапфир нь химийн тогтвортой шинж чанартай, хямд, том хэмжээний үйлдвэрлэлийн өндөр төлөвшилтэй. Тиймээс энэ нь хагас дамжуулагч төхөөрөмжийн инженерчлэлд хамгийн эртний бөгөөд хамгийн өргөн хэрэглэгддэг субстрат материалуудын нэг болжээ. GaN эпитакси хийхэд түгээмэл хэрэглэгддэг субстратын нэг болох индранил субстратын хувьд шийдвэрлэх шаардлагатай гол асуудлууд нь:
✔ Индранил (Al2O3) ба GaN (ойролцоогоор 15%) хоёрын хоорондох торны том үл нийцэх байдлаас шалтгаалан эпитаксиаль давхарга ба субстрат хоорондын интерфэйс дэх согогийн нягтрал маш өндөр байна. Сөрөг нөлөөг багасгахын тулд эпитаксийн процесс эхлэхээс өмнө субстратыг нарийн төвөгтэй урьдчилан эмчлэх шаардлагатай. GaN эпитаксийг индранил субстрат дээр ургуулахын өмнө эхлээд субстратын гадаргууг бохирдуулагч бодис, өнгөлгөөний үлдэгдэл гэмтэл гэх мэтийг сайтар цэвэрлэж, шат, шаталсан гадаргуугийн бүтцийг бий болгох шаардлагатай. Дараа нь эпитаксиаль давхаргын чийгшүүлэх шинж чанарыг өөрчлөхийн тулд субстратын гадаргууг азотжуулна. Эцэст нь, нимгэн AlN буфер давхаргыг (ихэвчлэн 10-100 нм зузаантай) субстратын гадаргуу дээр байрлуулж, эцсийн эпитаксиаль өсөлтөд бэлтгэхийн тулд бага температурт бэхлэх шаардлагатай. Гэсэн хэдий ч индранил субстрат дээр ургасан GaN эпитаксиаль хальсан дахь мултрах нягт нь гомоэпитаксиаль хальснаас өндөр хэвээр байна (цахиурын гомоэпитаксиаль хальс эсвэл галлийн арсений гомоэпитаксиаль хальсан дахь үндсэндээ тэг нүүлгэн шилжүүлэлтийн нягттай харьцуулахад ойролцоогоор 1010 см-2, эсвэл 10-2 см-ийн хооронд). 2). Гэмтлийн өндөр нягтрал нь зөөвөрлөгчийн хөдөлгөөнийг бууруулж, улмаар цөөнхийн тээвэрлэгчийн ашиглалтын хугацааг богиносгож, дулаан дамжуулалтыг бууруулдаг бөгөөд энэ нь бүгд төхөөрөмжийн гүйцэтгэлийг бууруулдаг [4];
✔ Индранил чулууны дулааны тэлэлтийн коэффициент нь GaN-ээс их байдаг тул тунадасжилтын температураас тасалгааны температур хүртэл хөргөх явцад эпитаксиаль давхаргад хоёр тэнхлэгт шахалтын хүчдэл үүснэ. Зузаан эпитаксиаль хальсны хувьд энэ стресс нь хальс эсвэл бүр субстратын хагарал үүсгэдэг;
✔ Бусад субстраттай харьцуулахад индранил субстратын дулаан дамжилтын илтгэлцүүр бага (100℃-д ойролцоогоор 0.25W*cm-1*K-1), дулаан ялгаруулах чадвар муу;
✔ Дамжуулах чанар муу учраас индранил субстрат нь бусад хагас дамжуулагч төхөөрөмжтэй нэгдэх, хэрэглэхэд тохиромжгүй.
Хэдийгээр индранил субстрат дээр ургасан GaN эпитаксиаль давхаргын согогийн нягтрал өндөр байгаа ч энэ нь GaN-д суурилсан цэнхэр-ногоон LED-ийн оптоэлектроник үзүүлэлтийг төдийлөн бууруулдаггүй тул индранил субстратууд нь GaN-д суурилсан LED-д түгээмэл хэрэглэгддэг субстрат хэвээр байна.
Лазер эсвэл бусад өндөр нягтралтай цахилгаан төхөөрөмжүүд гэх мэт GaN төхөөрөмжүүдийн илүү шинэ хэрэглээг хөгжүүлснээр индранил субстратын төрөлхийн согогууд нь тэдний хэрэглээнд улам бүр хязгаарлалт болж байна. Нэмж дурдахад, SiC субстратыг өсгөх технологийг хөгжүүлж, зардлыг бууруулж, Si субстрат дээр GaN эпитаксиал технологийн боловсорч гүйцсэнээр индранил субстрат дээр GaN эпитаксиал давхаргыг ургуулах талаар илүү их судалгаа хийснээр аажмаар хөргөх хандлага ажиглагдаж байна.
SiC дээрх GaN эпитакси
Индранилтай харьцуулахад SiC субстратууд (4H- ба 6H-талстууд) нь GaN эпитаксиаль давхаргууд (3.1%, [0001] чиглэсэн эпитаксиаль хальстай тэнцэх) жижиг торны үл нийцэл, илүү өндөр дулаан дамжуулалттай (ойролцоогоор 3.8W*cm-1*K) байна. -1) гэх мэт. Үүнээс гадна SiC субстратын дамжуулалт нь цахилгаан контактыг мөн зөвшөөрдөг төхөөрөмжийн бүтцийг хялбарчлахад тусалдаг субстратын ар талд хийх. Эдгээр давуу талууд байгаа нь цахиурын карбидын субстрат дээрх GaN эпитакси дээр ажиллахад улам олон судлаачдыг татсаар байна.
Гэсэн хэдий ч, SiC субстрат дээр шууд ажиллах нь GaN хучуур эдийг ургуулахгүйн тулд дараахь сул талуудтай тулгардаг.
✔ SiC субстратын гадаргуугийн барзгар байдал нь индранил субстратаас хамаагүй өндөр (индранил барзгар 0.1 нм RMS, SiC барзгар 1 нм RMS), SiC субстрат нь өндөр хатуулагтай, боловсруулалт муутай байдаг ба энэхүү барзгар байдал, өнгөлгөөний үлдэгдэл гэмтэл нь мөн адил тэгш бус байдлын нэг юм. GaN epilayers-ийн согогийн эх үүсвэр.
✔ SiC субстратуудын шураг мултрах нягт өндөр (мултралын нягтрал 103-104см-2), шурагны мултрал нь GaN epilayer руу тархаж, төхөөрөмжийн ажиллагааг бууруулж болзошгүй;
✔ Субстратын гадаргуу дээрх атомын зохион байгуулалт нь GaN epilayer-д овоолсон хагарал (BSFs) үүсэхийг өдөөдөг. SiC субстрат дээрх эпитаксиаль GaN-ийн хувьд субстрат дээрх хэд хэдэн атомын зохион байгуулалтын дараалал байж болох бөгөөд үүний үр дүнд түүн дээрх эпитаксиаль GaN давхаргын анхны атомын овоолгын дараалал зөрчилддөг бөгөөд энэ нь давхаргын гэмтэлд өртөмтгий байдаг. Овоолсон гэмтэл (SFs) нь с тэнхлэгийн дагуу суурилуулсан цахилгаан талбайнуудыг нэвтрүүлж, онгоц доторх тээвэрлэгчийг салгах төхөөрөмж алдагдах зэрэг асуудалд хүргэдэг;
✔ SiC субстратын дулааны тэлэлтийн коэффициент нь AlN ба GaN-ээс бага бөгөөд энэ нь хөргөх явцад эпитаксиаль давхарга ба субстратын хооронд дулааны стресс хуримтлагдах шалтгаан болдог. Уолтерейт, Брэнд нар судалгааны үр дүнд үндэслэн нимгэн, уялдаатай нягтралтай AlN цөмийн давхаргууд дээр GaN эпитаксиаль давхаргыг ургуулах замаар энэ асуудлыг хөнгөвчлөх эсвэл шийдэж болно гэж таамаглаж байсан;
✔ Га атомын чийгшүүлэх чадвар муутай асуудал. GaN эпитаксиаль давхаргыг SiC гадаргуу дээр шууд ургуулах үед хоёр атомын хооронд чийгшүүлэх чадвар муу тул GaN нь субстратын гадаргуу дээр 3 хэмжээст арлын өсөлтөд өртөмтгий байдаг. Буферийн давхаргыг нэвтрүүлэх нь GaN эпитакс дахь эпитаксийн материалын чанарыг сайжруулахад хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг шийдэл юм. AlN эсвэл AlxGa1-xN буфер давхаргыг нэвтрүүлэх нь SiC гадаргуугийн чийгшүүлэх чадварыг үр дүнтэй сайжруулж, GaN эпитаксиаль давхаргыг хоёр хэмжээст болгон өсгөх боломжтой. Нэмж дурдахад энэ нь стрессийг зохицуулж, субстратын согогийг GaN эпитаксид хүргэхээс сэргийлж чаддаг;
✔ SiC субстрат бэлтгэх технологи нь төлөвшөөгүй, субстратын өртөг өндөр, нийлүүлэгч цөөн, нийлүүлэлт бага.
Торрес нар хийсэн судалгаагаар эпитакси хийхээс өмнө өндөр температурт (1600 ° C) SiC субстратыг H2-ээр сийлбэрлэх нь субстратын гадаргуу дээр илүү эмх цэгцтэй шаталсан бүтцийг бий болгож, улмаар AlN-ийн эпитаксиаль хальсыг шууд авахаас илүү өндөр чанартай болгодог болохыг харуулж байна. анхны субстратын гадаргуу дээр ургасан. Си болон түүний багийн судалгаагаар цахиурын карбидын субстратыг сийлбэрлэх нь GaN эпитаксиаль давхаргын гадаргуугийн морфологи, талст чанарыг мэдэгдэхүйц сайжруулж чадна гэдгийг харуулж байна. Смит нар. субстрат/буфер давхарга ба буфер давхарга/эпитаксиаль давхаргын интерфейсээс үүссэн урсгалын мултрал нь субстратын тэгш байдалтай холбоотой болохыг олж тогтоосон [5].
Зураг 4 Гадаргуугийн өөр өөр нөхцөлд 6H-SiC субстрат (0001) дээр ургуулсан GaN эпитаксиаль давхаргын дээжийн TEM морфологи (a) химийн цэвэрлэгээ; (б) химийн цэвэрлэгээ + устөрөгчийн плазмын боловсруулалт; (в) химийн цэвэрлэгээ + устөрөгчийн плазмын боловсруулалт + 1300 ℃ устөрөгчийн дулааны боловсруулалт 30 минутын турш
Si дээрх GaN эпитакси
Цахиурын карбид, индранил болон бусад субстратуудтай харьцуулахад цахиурын субстрат бэлтгэх процесс нь боловсорч гүйцсэн бөгөөд өндөр өртөгтэй, боловсорч гүйцсэн том хэмжээтэй субстратуудыг тогтвортой хангаж чаддаг. Үүний зэрэгцээ дулаан дамжуулалт ба цахилгаан дамжуулах чанар сайн, Si электрон төхөөрөмжийн процесс нь боловсорч гүйцсэн. Ирээдүйд оптоэлектроник GaN төхөөрөмжийг Si электрон төхөөрөмжтэй төгс нэгтгэх боломж нь цахиур дээрх GaN эпитаксийн өсөлтийг маш сонирхолтой болгож байна.
Гэсэн хэдий ч Si субстрат ба GaN материалын хоорондох торны тогтмолуудын ялгаа их байдаг тул Si субстрат дээрх GaN-ийн гетероген эпитакси нь ердийн том үл нийцэх эпитакси бөгөөд хэд хэдэн асуудалтай тулгарах шаардлагатай:
✔ Гадаргуугийн интерфейсийн эрчим хүчний асуудал. Si субстрат дээр GaN ургах үед Si субстратын гадаргуу нь эхлээд нитрижлэгдэн аморф цахиурын нитридын давхарга үүсгэдэг бөгөөд энэ нь өндөр нягтралтай GaN-ийн бөөмжилт, өсөлтөд тохиромжгүй болно. Үүнээс гадна Si гадаргуу нь эхлээд Ga-тай холбогдох бөгөөд энэ нь Si субстратын гадаргууг зэврүүлнэ. Өндөр температурт Si гадаргуугийн задрал нь GaN эпитаксиаль давхаргад тархаж хар цахиур толбо үүсгэдэг.
✔ GaN ба Si-ийн хоорондох торны тогтмол үл нийцэх байдал нь их (~17%) бөгөөд энэ нь өндөр нягтралтай утаснуудын мултрал үүсэхэд хүргэж, эпитаксиаль давхаргын чанарыг эрс бууруулдаг;
✔ Si-тай харьцуулахад GaN нь илүү том дулааны тэлэлтийн коэффициенттэй (GaN-ийн дулааны тэлэлтийн коэффициент нь ойролцоогоор 5.6×10-6K-1, Si-ийн дулааны тэлэлтийн коэффициент нь ойролцоогоор 2.6×10-6K-1), GaN-д хагарал үүсч болзошгүй. эпитаксийн температурыг тасалгааны температурт хөргөх үед эпитаксийн давхарга;
✔ Si нь өндөр температурт NH3-тай урвалд орж поликристал SiNx үүсгэдэг. AlN нь поликристалл SiNx дээр давуу чиг баримжаатай цөм үүсгэж чадахгүй бөгөөд энэ нь дараа нь ургасан GaN давхаргын чиг баримжаа алдагдах, олон тооны согог үүсгэдэг бөгөөд үүний үр дүнд GaN эпитаксиаль давхаргын талст чанар муу, бүр нэг талст бүрхэвч үүсэхэд хүндрэл учруулдаг. GaN эпитаксиаль давхарга [6].
Том торны үл нийцэх асуудлыг шийдэхийн тулд судлаачид AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, SiC зэрэг материалыг Si субстрат дээр буфер давхарга болгон нэвтрүүлэхийг оролдсон. Polikristal SiNx үүсэхээс сэргийлж, GaN/AlN/Si (111) материалын талст чанарт үзүүлэх сөрөг нөлөөллийг бууруулахын тулд TMAl-ийг ихэвчлэн AlN буферийн давхаргын эпитаксиаль өсөлтөөс өмнө тодорхой хугацаанд нэвтрүүлэх шаардлагатай байдаг. NH3 нь ил гарсан Si гадаргуутай урвалд орж SiNx үүсгэхээс сэргийлнэ. Үүнээс гадна эпитаксийн давхаргын чанарыг сайжруулахын тулд хээтэй субстратын технологи гэх мэт эпитаксийн технологийг ашиглаж болно. Эдгээр технологийн хөгжил нь эпитаксиаль интерфэйс дээр SiNx үүсэхийг саатуулж, GaN эпитаксиаль давхаргын хоёр хэмжээст өсөлтийг дэмжиж, эпитаксиаль давхаргын өсөлтийн чанарыг сайжруулахад тусалдаг. Түүнчлэн цахиурын субстрат дээрх GaN эпитаксиаль давхаргад ан цав үүсэхээс зайлсхийхийн тулд дулааны тэлэлтийн коэффициентүүдийн зөрүүгээс үүссэн суналтын стрессийг нөхөх зорилгоор AlN буфер давхаргыг нэвтрүүлсэн. Krost-ийн судалгаагаар AlN буферийн давхаргын зузаан ба омог буурах хооронд эерэг хамаарал байгааг харуулж байна. Буфер давхаргын зузаан 12 нм хүрэх үед 6μм-ээс их зузаантай эпитаксиаль давхаргыг силикон субстрат дээр эпитаксиаль давхаргын хагаралгүйгээр зохих өсөлтийн схемээр ургуулж болно.
Судлаачдын урт хугацааны хүчин чармайлтын үр дүнд цахиурын субстрат дээр ургасан GaN эпитаксиаль давхаргын чанар мэдэгдэхүйц сайжирч, хээрийн эффектийн транзистор, Шотткигийн саадтай хэт ягаан туяа мэдрэгч, цэнхэр ногоон LED, хэт ягаан туяа зэрэг төхөөрөмжүүд ихээхэн ахиц дэвшил гаргасан.
Дүгнэж хэлэхэд, түгээмэл хэрэглэгддэг GaN эпитаксиаль субстратууд нь бүгд нэг төрлийн бус эпитакси байдаг тул тэдгээр нь торны үл нийцэх байдал, дулааны тэлэлтийн коэффициентүүдийн янз бүрийн түвшинд их хэмжээний ялгаа зэрэг нийтлэг асуудалтай тулгардаг. Нэг төрлийн эпитаксиаль GaN субстрат нь технологийн төлөвшлөөр хязгаарлагддаг бөгөөд субстратуудыг олноор нь үйлдвэрлэж амжаагүй байна. Үйлдвэрлэлийн өртөг өндөр, субстратын хэмжээ бага, субстратын чанар нь тийм ч тохиромжтой биш юм. Шинэ GaN эпитаксиаль субстратыг хөгжүүлэх, эпитаксиал чанарыг сайжруулах нь GaN эпитаксиал үйлдвэрлэлийн цаашдын хөгжлийг хязгаарлах чухал хүчин зүйлүүдийн нэг хэвээр байна.
IV. GaN эпитаксийн нийтлэг аргууд
MOCVD (химийн уурын хуримтлал)
GaN субстрат дээрх нэгэн төрлийн эпитакси нь GaN эпитаксийн хувьд хамгийн сайн сонголт юм шиг санагддаг. Гэсэн хэдий ч химийн уурын хуримтлалын урьдал бодисууд нь триметилгаллиум ба аммиак, зөөвөрлөгч хий нь устөрөгч байдаг тул MOCVD-ийн өсөлтийн ердийн температур нь ойролцоогоор 1000-1100 ℃, MOCVD-ийн өсөлтийн хурд нь цагт хэдэн микрон байдаг. Энэ нь атомын түвшинд эгц интерфэйсүүдийг үүсгэж чаддаг бөгөөд энэ нь гетерогцолцон, квант худаг, супер тор болон бусад бүтцийг ургуулахад маш тохиромжтой. Түүний хурдацтай өсөлтийн хурд, сайн жигд байдал, том талбай болон олон хэсэгтэй өсөлтөд тохиромжтой зэрэг нь ихэвчлэн үйлдвэрлэлийн үйлдвэрлэлд ашиглагддаг.
MBE (молекулын цацрагийн эпитакси)
Молекулын цацрагийн эпитаксид Ga нь элементийн эх үүсвэрийг ашигладаг бөгөөд идэвхтэй азотыг RF-ийн плазмаар дамжуулан азотоос гаргаж авдаг. MOCVD аргатай харьцуулахад MBE өсөлтийн температур ойролцоогоор 350-400℃ бага байна. Өсөлтийн доод температур нь өндөр температурын орчны улмаас үүсч болзошгүй зарим бохирдлоос зайлсхийх боломжтой. MBE систем нь хэт өндөр вакуум орчинд ажилладаг бөгөөд энэ нь газар дээр нь илрүүлэх илүү олон аргуудыг нэгтгэх боломжийг олгодог. Үүний зэрэгцээ түүний өсөлтийн хурд, үйлдвэрлэлийн хүчин чадлыг MOCVD-тай харьцуулах боломжгүй бөгөөд үүнийг шинжлэх ухааны судалгаанд илүү ашигладаг [7].
Зураг 5 (a) Eiko-MBE схем (б) MBE үндсэн урвалын камерын бүдүүвч
HVPE арга (гидридын уурын фазын эпитакси)
Гидридийн уурын фазын эпитаксийн аргын урьдал бодисууд нь GaCl3 ба NH3 юм. Detchprohm et al. индранил субстратын гадаргуу дээр хэдэн зуун микрон зузаантай GaN эпитаксиаль давхаргыг ургуулахын тулд энэ аргыг ашигласан. Тэдний туршилтаар ZnO давхаргыг индранил субстрат ба эпитаксиаль давхаргын хооронд буфер давхарга болгон ургуулж, эпитаксиаль давхаргыг субстратын гадаргуугаас хуулж авсан. MOCVD ба MBE-тэй харьцуулахад HVPE аргын гол онцлог нь зузаан давхарга, задгай материал үйлдвэрлэхэд тохиромжтой өсөлтийн хурд юм. Гэсэн хэдий ч эпитаксиаль давхаргын зузаан нь 20мкм-ээс хэтэрсэн тохиолдолд энэ аргаар үүссэн эпитаксиаль давхарга нь хагарал үүсэх хандлагатай байдаг.
Akira USUI нь энэ аргад суурилсан хээтэй субстратын технологийг нэвтрүүлсэн. Тэд эхлээд MOCVD аргыг ашиглан индранил субстрат дээр 1-1.5 μм зузаантай нимгэн GaN эпитаксиаль давхаргыг ургуулсан. Эпитаксиаль давхарга нь бага температурт ургасан 20 нм зузаантай GaN буфер давхарга, өндөр температурт ургасан GaN давхаргаас бүрддэг. Дараа нь 430 ℃ температурт эпитаксиаль давхаргын гадаргуу дээр SiO2 давхаргыг бүрж, SiO2 хальсан дээр фотолитографийн аргаар цонхны судал хийсэн. Судал хоорондын зай 7μм, маскны өргөн нь 1μm-ээс 4μm хооронд хэлбэлзэж байв. Энэхүү сайжруулалтын дараа тэд 2 инчийн диаметртэй индранил субстрат дээр зузаан нь хэдэн арван, бүр хэдэн зуун микрон хүртэл нэмэгдсэн ч толин тусгал шиг гөлгөр, хагаралгүй, GaN эпитаксиаль давхаргыг олж авсан. Согогийн нягтыг уламжлалт HVPE аргын 109-1010см-2-аас 6х107см-2 болгож бууруулсан. Тэд мөн туршилтын явцад өсөлтийн хурд 75μm/цаг-аас хэтрэх үед дээжийн гадаргуу барзгар болно гэж онцолсон байна[8].
Зураг 6 График субстратын бүдүүвч
V. Дүгнэлт ба хэтийн төлөв
2014 онд цэнхэр гэрлийн LED нь физикийн салбарт Нобелийн шагнал хүртэж, хэрэглээний электроникийн салбарт хурдан цэнэглэх хэрэглээний салбарт олон нийтэд нэвтэрснээр GaN материалууд гарч эхэлсэн. Үнэн хэрэгтээ ихэнх хүмүүсийн харж чадахгүй байгаа 5G суурь станцуудад ашиглагддаг цахилгаан өсгөгч болон RF төхөөрөмжүүдийн програмууд ч чимээгүйхэн гарч ирсэн. Сүүлийн жилүүдэд GaN-д суурилсан автомашины зэрэглэлийн цахилгаан төхөөрөмжүүдийн нээлт нь GaN материалын хэрэглээний зах зээлд өсөлтийн шинэ цэгүүдийг нээх төлөвтэй байна.
Зах зээлийн асар их эрэлт хэрэгцээ нь GaN-тэй холбоотой үйлдвэрлэл, технологийн хөгжлийг дэмжих нь дамжиггүй. GaN-тэй холбоотой аж үйлдвэрийн гинжин хэлхээний төлөвшил, сайжруулалтаар одоогийн GaN эпитаксиаль технологид тулгарч буй бэрхшээлүүд эцэстээ сайжирч, даван туулах болно. Ирээдүйд хүмүүс илүү шинэ эпитаксиаль технологи, илүү сайн субстратын сонголтыг хөгжүүлэх нь гарцаагүй. Тэр үед хүмүүс хэрэглээний хувилбаруудын онцлогт тохируулан өөр өөр хувилбарт хэрэглэхэд хамгийн тохиромжтой гадны судалгааны технологи, субстратыг сонгож, хамгийн өрсөлдөх чадвартай захиалгат бүтээгдэхүүн үйлдвэрлэх боломжтой болно.
Шуудангийн цаг: 2024 оны 6-р сарын 28