1. तिसऱ्या पिढीतील अर्धसंवाहक
पहिल्या पिढीतील सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञान Si आणि Ge सारख्या सेमीकंडक्टर सामग्रीवर आधारित विकसित केले गेले. ट्रान्झिस्टर आणि एकात्मिक सर्किट तंत्रज्ञानाच्या विकासासाठी हा भौतिक आधार आहे. पहिल्या पिढीतील सेमीकंडक्टर सामग्रीने 20 व्या शतकात इलेक्ट्रॉनिक उद्योगाचा पाया घातला आणि एकात्मिक सर्किट तंत्रज्ञानासाठी मूलभूत साहित्य आहे.
दुस-या पिढीतील अर्धसंवाहक पदार्थांमध्ये प्रामुख्याने गॅलियम आर्सेनाइड, इंडियम फॉस्फाइड, गॅलियम फॉस्फाइड, इंडियम आर्सेनाइड, ॲल्युमिनियम आर्सेनाइड आणि त्यांच्या तिरंगी संयुगे यांचा समावेश होतो. दुसऱ्या पिढीतील अर्धसंवाहक साहित्य ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक माहिती उद्योगाचा पाया आहे. या आधारावर, प्रकाश, डिस्प्ले, लेसर आणि फोटोव्होल्टाइक्स यांसारखे संबंधित उद्योग विकसित केले गेले आहेत. ते समकालीन माहिती तंत्रज्ञान आणि ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक डिस्प्ले उद्योगांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात.
तृतीय-पिढीतील अर्धसंवाहक सामग्रीच्या प्रतिनिधी सामग्रीमध्ये गॅलियम नायट्राइड आणि सिलिकॉन कार्बाइड यांचा समावेश होतो. त्यांच्या विस्तृत बँड गॅपमुळे, उच्च इलेक्ट्रॉन संपृक्तता प्रवाह वेग, उच्च थर्मल चालकता आणि उच्च ब्रेकडाउन फील्ड सामर्थ्य, ते उच्च-शक्ती घनता, उच्च-वारंवारता आणि कमी-तोटा इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे तयार करण्यासाठी आदर्श साहित्य आहेत. त्यापैकी, सिलिकॉन कार्बाइड पॉवर डिव्हाइसेसमध्ये उच्च ऊर्जा घनता, कमी ऊर्जा वापर आणि लहान आकाराचे फायदे आहेत आणि नवीन ऊर्जा वाहने, फोटोव्होल्टाइक्स, रेल्वे वाहतूक, मोठा डेटा आणि इतर क्षेत्रांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर अनुप्रयोगाची शक्यता आहे. Gallium nitride RF उपकरणांमध्ये उच्च वारंवारता, उच्च उर्जा, रुंद बँडविड्थ, कमी उर्जा वापर आणि लहान आकाराचे फायदे आहेत आणि 5G संप्रेषणे, इंटरनेट ऑफ थिंग्ज, मिलिटरी रडार आणि इतर क्षेत्रांमध्ये विस्तृत अनुप्रयोग संभावना आहेत. याव्यतिरिक्त, कमी-व्होल्टेज क्षेत्रात गॅलियम नायट्राइड-आधारित उर्जा उपकरणे मोठ्या प्रमाणावर वापरली गेली आहेत. याव्यतिरिक्त, अलिकडच्या वर्षांत, उदयोन्मुख गॅलियम ऑक्साईड सामग्री विद्यमान SiC आणि GaN तंत्रज्ञानासह तांत्रिक पूरकता तयार करेल आणि कमी-फ्रिक्वेंसी आणि उच्च-व्होल्टेज फील्डमध्ये संभाव्य अनुप्रयोगाची शक्यता आहे.
दुसऱ्या पिढीतील अर्धसंवाहक साहित्याच्या तुलनेत, तिसऱ्या पिढीतील सेमीकंडक्टर सामग्रीची बँडगॅप रुंदी अधिक असते (Si ची बँडगॅप रुंदी, पहिल्या पिढीतील सेमीकंडक्टर सामग्रीची एक विशिष्ट सामग्री, सुमारे 1.1eV आहे, GaAs ची बँडगॅप रुंदी, एक सामान्य दुस-या पिढीतील सेमीकंडक्टर मटेरियलची सामग्री, सुमारे 1.42eV आहे, आणि GaN ची बँडगॅप रुंदी, तृतीय-पिढीतील सेमीकंडक्टर सामग्रीची एक विशिष्ट सामग्री, 2.3eV च्या वर आहे), मजबूत किरणोत्सर्ग प्रतिरोध, विद्युत क्षेत्राच्या बिघाडासाठी मजबूत प्रतिकार, आणि उच्च तापमान प्रतिकार. विस्तीर्ण बँडगॅप रुंदीसह तृतीय-पिढीतील अर्धसंवाहक सामग्री विशेषतः रेडिएशन-प्रतिरोधक, उच्च-वारंवारता, उच्च-शक्ती आणि उच्च-एकीकरण-घनता असलेल्या इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांच्या उत्पादनासाठी योग्य आहेत. मायक्रोवेव्ह रेडिओ फ्रिक्वेन्सी उपकरणे, LEDs, लेझर, उर्जा उपकरणे आणि इतर क्षेत्रातील त्यांच्या अनुप्रयोगांनी बरेच लक्ष वेधून घेतले आहे आणि त्यांनी मोबाइल संप्रेषण, स्मार्ट ग्रिड्स, रेल्वे ट्रान्झिट, नवीन ऊर्जा वाहने, ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स आणि अल्ट्राव्हायोलेट आणि ब्लूमध्ये व्यापक विकासाची शक्यता दर्शविली आहे. -हिरवा प्रकाश साधने [१].
प्रतिमा स्रोत: CASA, Zheshang Securities Research Institute
आकृती 1 GaN पॉवर डिव्हाइस वेळ स्केल आणि अंदाज
II GaN साहित्य रचना आणि वैशिष्ट्ये
GaN हा थेट बँडगॅप सेमीकंडक्टर आहे. खोलीच्या तपमानावर wurtzite संरचनेची बँडगॅप रुंदी सुमारे 3.26eV आहे. GaN मटेरियलमध्ये तीन मुख्य स्फटिक रचना असतात, म्हणजे वुर्टझाइट रचना, स्फॅलेराइट रचना आणि रॉक सॉल्ट रचना. त्यापैकी, wurtzite रचना सर्वात स्थिर क्रिस्टल संरचना आहे. आकृती 2 हे GaN च्या षटकोनी वुर्टझाइट संरचनेचे आकृती आहे. GaN सामग्रीची wurtzite रचना हेक्सागोनल क्लोज-पॅक स्ट्रक्चरशी संबंधित आहे. प्रत्येक युनिट सेलमध्ये 6 N अणू आणि 6 Ga अणूंसह 12 अणू असतात. प्रत्येक Ga (N) अणू 4 जवळच्या N (Ga) अणूंसोबत एक बंध तयार करतो आणि ABABAB च्या क्रमाने स्टॅक केलेला असतो... [0001] दिशा [2] बाजूने.
आकृती 2 Wurtzite संरचना GaN क्रिस्टल सेल आकृती
III सामान्यतः GaN epitaxy साठी वापरलेले सबस्ट्रेट्स
असे दिसते की GaN सब्सट्रेट्सवरील एकसंध एपिटॅक्सी हा GaN एपिटॅक्सीसाठी सर्वोत्तम पर्याय आहे. तथापि, GaN च्या मोठ्या बाँड ऊर्जेमुळे, जेव्हा तापमान 2500℃ च्या वितळण्याच्या बिंदूवर पोहोचते, तेव्हा त्याचा संबंधित विघटन दाब सुमारे 4.5GPa असतो. जेव्हा विघटन दाब या दाबापेक्षा कमी असतो, तेव्हा GaN वितळत नाही तर थेट विघटित होते. हे GaN सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेट्स तयार करण्यासाठी Czochralski पद्धत सारखे परिपक्व सब्सट्रेट तयार करण्याचे तंत्रज्ञान अनुपयुक्त बनवते, ज्यामुळे GaN सब्सट्रेट मोठ्या प्रमाणात उत्पादन करणे कठीण आणि महाग होते. म्हणून, सामान्यतः GaN एपिटॅक्सियल ग्रोथमध्ये वापरले जाणारे सब्सट्रेट्स प्रामुख्याने Si, SiC, नीलम इ. [३] आहेत.
चार्ट 3 GaN आणि सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या सब्सट्रेट सामग्रीचे मापदंड
नीलम वर GaN epitaxy
नीलममध्ये स्थिर रासायनिक गुणधर्म आहेत, स्वस्त आहेत आणि मोठ्या प्रमाणात उत्पादन उद्योगाची उच्च परिपक्वता आहे. त्यामुळे, सेमीकंडक्टर उपकरण अभियांत्रिकीमध्ये हे सर्वात जुने आणि सर्वाधिक वापरले जाणारे सब्सट्रेट मटेरियल बनले आहे. GaN epitaxy साठी सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या सब्सट्रेट्सपैकी एक म्हणून, नीलम सब्सट्रेट्ससाठी ज्या मुख्य समस्यांचे निराकरण करणे आवश्यक आहे ते आहेतः
✔ नीलम (Al2O3) आणि GaN (सुमारे 15%) मधील मोठ्या जाळीच्या विसंगतीमुळे, एपिटॅक्सियल लेयर आणि सब्सट्रेट यांच्यातील इंटरफेसमध्ये दोष घनता खूप जास्त आहे. त्याचे प्रतिकूल परिणाम कमी करण्यासाठी, एपिटॅक्सी प्रक्रिया सुरू होण्यापूर्वी सब्सट्रेटला जटिल प्रीट्रीटमेंट करणे आवश्यक आहे. नीलम सब्सट्रेट्सवर GaN एपिटॅक्सी वाढण्यापूर्वी, दूषित घटक काढून टाकण्यासाठी, पॉलिशिंगचे अवशिष्ट नुकसान इ. आणि पायऱ्या आणि स्टेप पृष्ठभाग संरचना तयार करण्यासाठी सब्सट्रेट पृष्ठभाग प्रथम काटेकोरपणे साफ करणे आवश्यक आहे. त्यानंतर, एपिटॅक्सियल लेयरचे ओले गुणधर्म बदलण्यासाठी सब्सट्रेट पृष्ठभाग नायट्राइड केले जाते. शेवटी, एक पातळ AlN बफर थर (सामान्यत: 10-100nm जाडीचा) थर पृष्ठभागावर जमा करणे आवश्यक आहे आणि अंतिम एपिटॅक्सियल वाढीची तयारी करण्यासाठी कमी तापमानात ऍनील करणे आवश्यक आहे. तरीही, नीलमच्या थरांवर उगवलेल्या GaN एपिटॅक्सियल फिल्म्समधील विस्थापन घनता अजूनही होमोएपिटॅक्सियल फिल्म्सपेक्षा जास्त आहे (सुमारे 1010 सेमी-2, सिलिकॉन होमोएपिटॅक्सियल फिल्म्समध्ये अनिवार्यपणे शून्य विस्थापन घनतेच्या तुलनेत किंवा गॅलियम आर्सेनाइड homoepitaxial फिल्म्स 01 आणि 2-01 सेमी, 2). उच्च दोष घनता वाहक गतिशीलता कमी करते, ज्यामुळे अल्पसंख्याक वाहकांचे आयुष्य कमी होते आणि थर्मल चालकता कमी होते, या सर्वांमुळे डिव्हाइसची कार्यक्षमता कमी होते [४];
✔ नीलमणीचे थर्मल विस्तार गुणांक GaN पेक्षा जास्त आहे, त्यामुळे डिपॉझिशन तापमानापासून खोलीच्या तापमानापर्यंत थंड होण्याच्या प्रक्रियेदरम्यान एपिटॅक्सियल लेयरमध्ये द्विअक्षीय संकुचित ताण निर्माण होईल. जाड एपिटॅक्सियल फिल्म्ससाठी, या ताणामुळे फिल्म किंवा अगदी सब्सट्रेट क्रॅक होऊ शकते;
✔ इतर सब्सट्रेट्सच्या तुलनेत, नीलम सब्सट्रेट्सची थर्मल चालकता कमी आहे (सुमारे 0.25W*cm-1*K-1 100℃ वर), आणि उष्णता नष्ट करण्याची कार्यक्षमता खराब आहे;
✔ त्याच्या खराब चालकतेमुळे, नीलम सब्सट्रेट्स इतर सेमीकंडक्टर उपकरणांसह त्यांचे एकत्रीकरण आणि वापरासाठी अनुकूल नाहीत.
नीलमच्या सब्सट्रेट्सवर उगवलेल्या GaN एपिटॅक्सियल लेयर्सची दोष घनता जास्त असली तरी, यामुळे GaN-आधारित निळ्या-हिरव्या LEDs च्या ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक कार्यक्षमतेत लक्षणीय घट झाल्याचे दिसत नाही, म्हणून नीलम सब्सट्रेट्स अजूनही सामान्यतः GaN-आधारित LEDs साठी वापरल्या जाणाऱ्या सब्सट्रेट्स आहेत.
लेसर किंवा इतर उच्च-घनता उर्जा उपकरणांसारख्या GaN उपकरणांच्या अधिक नवीन अनुप्रयोगांच्या विकासासह, नीलम सब्सट्रेट्सचे अंतर्निहित दोष त्यांच्या अनुप्रयोगावर वाढत्या प्रमाणात मर्यादा बनले आहेत. याव्यतिरिक्त, SiC सब्सट्रेट ग्रोथ टेक्नॉलॉजीच्या विकासासह, खर्चात कपात आणि Si सब्सट्रेट्सवरील GaN एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञानाची परिपक्वता, नीलम सब्सट्रेट्सवरील वाढत्या GaN एपिटॅक्सियल लेयरवरील अधिक संशोधनाने हळूहळू थंड होण्याचा ट्रेंड दर्शविला आहे.
SiC वर GaN एपिटॅक्सी
नीलमणीच्या तुलनेत, SiC सबस्ट्रेट्स (4H- आणि 6H-क्रिस्टल्स) मध्ये GaN एपिटॅक्सियल लेयर्स (3.1%, [0001] ओरिएंटेड एपिटॅक्सियल फिल्म्सच्या समतुल्य), उच्च थर्मल चालकता (सुमारे 3.8W*cm-1*K) सह लहान जाळी जुळतात. -1), इ. याशिवाय, SiC सब्सट्रेट्सची चालकता सब्सट्रेटच्या मागील बाजूस विद्युत संपर्क बनविण्यास देखील अनुमती देते, जे डिव्हाइस संरचना सुलभ करण्यास मदत करते. या फायद्यांच्या अस्तित्वामुळे अधिकाधिक संशोधकांना सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट्सवरील GaN एपिटॅक्सीवर काम करण्यास आकर्षित केले आहे.
तथापि, वाढत्या GaN एपिलेअर्स टाळण्यासाठी SiC सब्सट्रेट्सवर थेट काम करताना खालील गोष्टींसह अनेक गैरसोयींचा सामना करावा लागतो:
✔ SiC सब्सट्रेट्सच्या पृष्ठभागाचा खडबडीतपणा नीलमच्या सब्सट्रेट्सपेक्षा खूप जास्त आहे (सॅफायर रफनेस 0.1nm RMS, SiC रफनेस 1nm RMS), SiC सब्सट्रेट्समध्ये उच्च कडकपणा आणि खराब प्रक्रिया कार्यक्षमता आहे आणि हे खडबडीत आणि अवशिष्ट पॉलिशिंग नुकसान देखील एक आहे. GaN एपिलेयर्समधील दोषांचे स्रोत.
✔ SiC सब्सट्रेट्सची स्क्रू डिस्लोकेशन डेन्सिटी जास्त आहे (डिस्लोकेशन डेन्सिटी 103-104cm-2), स्क्रू डिस्लोकेशन्स GaN एपिलेयरमध्ये पसरू शकतात आणि डिव्हाइसची कार्यक्षमता कमी करू शकतात;
✔ सब्सट्रेट पृष्ठभागावरील अणू व्यवस्थेमुळे GaN एपिलेयरमध्ये स्टॅकिंग फॉल्ट्स (BSFs) तयार होतात. SiC सब्सट्रेट्सवरील एपिटॅक्सियल GaN साठी, सब्सट्रेटवर अनेक संभाव्य अणु व्यवस्था ऑर्डर आहेत, परिणामी त्यावर एपिटॅक्सियल GaN लेयरचा विसंगत प्रारंभिक अणू स्टॅकिंग ऑर्डर होतो, ज्यामुळे स्टॅकिंग फॉल्ट्स होण्याची शक्यता असते. स्टॅकिंग फॉल्ट्स (SFs) सी-अक्षाच्या बाजूने अंगभूत इलेक्ट्रिक फील्डचा परिचय देतात, ज्यामुळे विमानातील वाहक विभक्त उपकरणांच्या गळतीसारख्या समस्या उद्भवतात;
✔ SiC सब्सट्रेटचा थर्मल विस्तार गुणांक AlN आणि GaN पेक्षा लहान आहे, ज्यामुळे शीतकरण प्रक्रियेदरम्यान एपिटॅक्सियल लेयर आणि सब्सट्रेट दरम्यान थर्मल ताण जमा होतो. वॉल्टेरिट आणि ब्रँड यांनी त्यांच्या संशोधन परिणामांवर आधारित भाकीत केले आहे की पातळ, सुसंगतपणे ताणलेल्या AlN न्यूक्लिएशन स्तरांवर GaN एपिटॅक्सियल स्तर वाढवून ही समस्या कमी केली जाऊ शकते किंवा सोडवली जाऊ शकते;
✔ गा अणूंच्या खराब ओलेपणाची समस्या. GaN एपिटॅक्सियल थर थेट SiC पृष्ठभागावर वाढवताना, दोन अणूंमधील खराब ओलेपणामुळे, GaN थर पृष्ठभागावर 3D बेटाच्या वाढीस प्रवण असतो. GaN epitaxy मधील एपिटॅक्सियल सामग्रीची गुणवत्ता सुधारण्यासाठी बफर लेयर सादर करणे हा सर्वात सामान्यपणे वापरला जाणारा उपाय आहे. AlN किंवा AlxGa1-xN बफर लेयर सादर केल्याने SiC पृष्ठभागाची ओलेपणा प्रभावीपणे सुधारू शकतो आणि GaN एपिटॅक्सियल लेयर दोन आयामांमध्ये वाढू शकतो. याव्यतिरिक्त, ते तणावाचे नियमन देखील करू शकते आणि सब्सट्रेट दोषांना GaN epitaxy पर्यंत वाढवण्यापासून प्रतिबंधित करू शकते;
✔ SiC सब्सट्रेट्स तयार करण्याचे तंत्रज्ञान अपरिपक्व आहे, सब्सट्रेटची किंमत जास्त आहे, आणि थोडे पुरवठादार आणि कमी पुरवठा आहे.
टोरेस एट अल.च्या संशोधनातून असे दिसून आले आहे की उच्च तापमानात (१६०० डिग्री सेल्सिअस) एसआयसी सब्सट्रेटला उच्च तापमानात (१६०० डिग्री सेल्सिअस) एपीटॅक्सीपूर्वी खोदल्याने सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावर अधिक क्रमबद्ध स्टेप स्ट्रक्चर तयार होऊ शकते, ज्यामुळे थेट पेक्षा उच्च दर्जाची AlN एपिटॅक्सियल फिल्म मिळते. मूळ थर पृष्ठभाग वर घेतले. झी आणि त्याच्या टीमच्या संशोधनातून असे देखील दिसून आले आहे की सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेटचे नक्षीकाम प्रीट्रीटमेंट केल्याने पृष्ठभाग आकारविज्ञान आणि GAN एपिटॅक्सियल लेयरची क्रिस्टल गुणवत्ता लक्षणीयरीत्या सुधारू शकते. स्मिथ आणि इतर. सब्सट्रेट/बफर लेयर आणि बफर लेयर/एपिटॅक्सियल लेयर इंटरफेसमधून उद्भवणारे थ्रेडिंग डिस्लोकेशन हे सब्सट्रेटच्या सपाटपणाशी संबंधित आहेत असे आढळले [५].
आकृती 4 6H-SiC सब्सट्रेट (0001) वर वेगवेगळ्या पृष्ठभागाच्या उपचारांच्या परिस्थितीत उगवलेल्या GaN एपिटॅक्सियल लेयर नमुन्यांचे TEM मॉर्फोलॉजी (a) रासायनिक साफसफाई; (b) रासायनिक स्वच्छता + हायड्रोजन प्लाझ्मा उपचार; (c) रासायनिक स्वच्छता + हायड्रोजन प्लाझ्मा उपचार + 1300℃ हायड्रोजन उष्णता उपचार 30 मिनिटांसाठी
Si वर GaN epitaxy
सिलिकॉन कार्बाइड, नीलम आणि इतर सब्सट्रेट्सच्या तुलनेत, सिलिकॉन सब्सट्रेट तयार करण्याची प्रक्रिया परिपक्व आहे आणि ती उच्च किमतीच्या कार्यक्षमतेसह स्थिरपणे प्रौढ मोठ्या आकाराचे सब्सट्रेट प्रदान करू शकते. त्याच वेळी, थर्मल चालकता आणि विद्युत चालकता चांगली आहे आणि Si इलेक्ट्रॉनिक उपकरण प्रक्रिया परिपक्व आहे. भविष्यात Si इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांसह ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक GaN उपकरणे पूर्णपणे एकत्रित करण्याची शक्यता देखील सिलिकॉनवरील GaN एपिटॅक्सीची वाढ अतिशय आकर्षक बनवते.
तथापि, Si सब्सट्रेट आणि GaN मटेरिअलमधील जाळीच्या स्थिरांकांमध्ये मोठ्या फरकामुळे, Si सब्सट्रेटवरील GaN चे विषम एपिटॅक्सी ही एक सामान्य मोठी न जुळणारी एपिटॅक्सी आहे आणि त्याला अनेक समस्यांना तोंड द्यावे लागते:
✔ पृष्ठभाग इंटरफेस ऊर्जा समस्या. जेव्हा GaN Si सब्सट्रेटवर वाढतो, तेव्हा Si सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावर प्रथम नायट्राइड केले जाते ज्यामुळे एक आकारहीन सिलिकॉन नायट्राइड थर तयार होतो जो उच्च-घनता असलेल्या GaN च्या न्यूक्लिएशन आणि वाढीसाठी अनुकूल नसतो. याव्यतिरिक्त, Si पृष्ठभाग प्रथम Ga शी संपर्क साधेल, जे Si सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावर कोरडे होईल. उच्च तापमानात, Si पृष्ठभागाचे विघटन GaN एपिटॅक्सियल लेयरमध्ये पसरून काळे सिलिकॉन स्पॉट्स तयार करतात.
✔ GaN आणि Si मधील जाळीचा स्थिर विसंगती मोठा आहे (~17%), ज्यामुळे उच्च-घनता थ्रेडिंग विघटन तयार होईल आणि एपिटॅक्सियल लेयरची गुणवत्ता लक्षणीयरीत्या कमी होईल;
✔ Si च्या तुलनेत, GaN मध्ये थर्मल विस्तार गुणांक मोठा आहे (GaN चे थर्मल विस्तार गुणांक सुमारे 5.6×10-6K-1 आहे, Si चे थर्मल विस्तार गुणांक सुमारे 2.6×10-6K-1 आहे), आणि GaN मध्ये क्रॅक निर्माण होऊ शकतात. एपिटॅक्सियल तपमान ते खोलीच्या तापमानाला थंड करताना एपिटॅक्सियल लेयर;
✔ Si उच्च तापमानावर NH3 शी प्रतिक्रिया देऊन पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx तयार करते. पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx वर AlN प्राधान्य देणारे केंद्रक बनवू शकत नाही, ज्यामुळे नंतर वाढलेल्या GaN लेयरचे विस्कळीत अभिमुखता आणि मोठ्या संख्येने दोष निर्माण होतात, परिणामी GaN एपिटॅक्सियल लेयरची खराब क्रिस्टल गुणवत्ता आणि एकल-क्रिस्टलाइन तयार करण्यात अडचण येते. GaN एपिटॅक्सियल लेयर [6].
मोठ्या जाळीच्या विसंगतीच्या समस्येचे निराकरण करण्यासाठी, संशोधकांनी Si substrates वर बफर स्तर म्हणून AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO आणि SiC सारखी सामग्री सादर करण्याचा प्रयत्न केला आहे. पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx ची निर्मिती टाळण्यासाठी आणि GaN/AlN/Si (111) सामग्रीच्या क्रिस्टल गुणवत्तेवर होणारे दुष्परिणाम कमी करण्यासाठी, TML सहसा AlN बफर लेयरच्या एपिटॅक्सियल वाढीपूर्वी ठराविक कालावधीसाठी सादर करणे आवश्यक असते. NH3 ला SiNx तयार होण्यासाठी उघडलेल्या Si पृष्ठभागावर प्रतिक्रिया देण्यापासून रोखण्यासाठी. याव्यतिरिक्त, एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञान जसे की नमुनायुक्त सब्सट्रेट तंत्रज्ञानाचा वापर एपिटॅक्सियल लेयरची गुणवत्ता सुधारण्यासाठी केला जाऊ शकतो. या तंत्रज्ञानाच्या विकासामुळे एपिटॅक्सियल इंटरफेसवर SiNx ची निर्मिती रोखण्यात मदत होते, GaN एपिटॅक्सियल लेयरच्या द्विमितीय वाढीस प्रोत्साहन मिळते आणि एपिटॅक्सियल लेयरच्या वाढीची गुणवत्ता सुधारते. याव्यतिरिक्त, सिलिकॉन सब्सट्रेटवरील GaN एपिटॅक्सियल लेयरमधील क्रॅक टाळण्यासाठी थर्मल विस्तार गुणांकातील फरकामुळे निर्माण झालेल्या तणावाची भरपाई करण्यासाठी एक AlN बफर स्तर सादर केला जातो. क्रॉस्टच्या संशोधनातून असे दिसून आले आहे की AlN बफर लेयरची जाडी आणि ताण कमी होणे यांच्यात सकारात्मक संबंध आहे. जेव्हा बफर लेयरची जाडी 12nm पर्यंत पोहोचते, तेव्हा 6μm पेक्षा जाडीचा एपिटॅक्सियल लेयर सिलिकॉन सब्सट्रेटवर एपिटॅक्सियल लेयर क्रॅक न करता योग्य वाढ योजनेद्वारे वाढू शकतो.
संशोधकांच्या दीर्घकालीन प्रयत्नांनंतर, सिलिकॉन सब्सट्रेट्सवर उगवलेल्या GaN एपिटॅक्सियल लेयर्सच्या गुणवत्तेत लक्षणीय सुधारणा झाली आहे आणि फील्ड इफेक्ट ट्रान्झिस्टर, स्कॉटकी बॅरियर अल्ट्राव्हायोलेट डिटेक्टर, ब्लू-ग्रीन LEDs आणि अल्ट्राव्हायोलेट लेझर यांसारख्या उपकरणांनी लक्षणीय प्रगती केली आहे.
सारांश, सामान्यतः वापरले जाणारे GaN एपिटॅक्सियल सब्सट्रेट्स हे सर्व विषम एपिटॅक्सी असल्याने, त्या सर्वांना सामान्य समस्यांचा सामना करावा लागतो जसे की जाळीचे जुळत नसणे आणि थर्मल विस्तार गुणांकांमध्ये भिन्न प्रमाणात फरक. एकसंध एपिटॅक्सियल GaN सब्सट्रेट्स तंत्रज्ञानाच्या परिपक्वतेमुळे मर्यादित आहेत आणि सब्सट्रेट्स अद्याप मोठ्या प्रमाणात उत्पादित झालेले नाहीत. उत्पादन खर्च जास्त आहे, सब्सट्रेटचा आकार लहान आहे आणि सब्सट्रेटची गुणवत्ता आदर्श नाही. नवीन GaN एपिटॅक्सियल सब्सट्रेट्सचा विकास आणि एपिटॅक्सियल गुणवत्तेत सुधारणा हे अजूनही GaN एपिटॅक्सियल उद्योगाच्या पुढील विकासास प्रतिबंधित करणारे महत्त्वाचे घटक आहेत.
IV. GaN epitaxy साठी सामान्य पद्धती
MOCVD (रासायनिक बाष्प जमा)
असे दिसते की GaN सब्सट्रेट्सवरील एकसंध एपिटॅक्सी हा GaN एपिटॅक्सीसाठी सर्वोत्तम पर्याय आहे. तथापि, रासायनिक वाफ साठण्याचे पूर्ववर्ती ट्रायमिथिलगॅलियम आणि अमोनिया असल्याने आणि वाहक वायू हायड्रोजन असल्याने, सामान्य MOCVD वाढीचे तापमान सुमारे 1000-1100℃ आहे आणि MOCVD चा वाढीचा दर तासाला काही मायक्रॉन आहे. हे अणू स्तरावर उंच इंटरफेस तयार करू शकते, जे वाढत्या हेटरोजंक्शन्स, क्वांटम विहिरी, सुपरलॅटिसेस आणि इतर संरचनांसाठी अतिशय योग्य आहे. त्याचा जलद वाढीचा दर, चांगली एकसमानता आणि मोठ्या-क्षेत्रासाठी आणि बहु-पीस वाढीसाठी उपयुक्तता यांचा उपयोग औद्योगिक उत्पादनात केला जातो.
MBE (मॉलिक्युलर बीम एपिटॅक्सी)
आण्विक बीम एपिटॅक्सीमध्ये, Ga हा एक मूलभूत स्रोत वापरतो आणि सक्रिय नायट्रोजन नायट्रोजनपासून RF प्लाझ्माद्वारे मिळवला जातो. MOCVD पद्धतीच्या तुलनेत, MBE वाढीचे तापमान सुमारे 350-400℃ कमी आहे. कमी वाढीचे तापमान उच्च तापमान वातावरणामुळे होणारे काही प्रदूषण टाळू शकते. MBE प्रणाली अल्ट्रा-हाय व्हॅक्यूम अंतर्गत कार्य करते, जी त्यास अधिक इन-सीटू शोध पद्धती एकत्रित करण्यास अनुमती देते. त्याच वेळी, त्याच्या वाढीचा दर आणि उत्पादन क्षमता MOCVD शी तुलना केली जाऊ शकत नाही, आणि वैज्ञानिक संशोधनात त्याचा अधिक वापर केला जातो [7].
आकृती 5 (a) Eiko-MBE योजनाबद्ध (b) MBE मुख्य प्रतिक्रिया कक्ष योजनाबद्ध
HVPE पद्धत (हायड्राइड व्हेपर फेज एपिटॅक्सी)
हायड्राइड व्हेपर फेज एपिटॅक्सी पद्धतीचे पूर्ववर्ती GaCl3 आणि NH3 आहेत. Detchprohm et al. ही पद्धत नीलमच्या थराच्या पृष्ठभागावर शेकडो मायक्रॉन जाडीचा GaN एपिटॅक्सियल थर वाढवण्यासाठी वापरली. त्यांच्या प्रयोगात, ZnO चा एक थर नीलम सब्सट्रेट आणि एपिटॅक्सियल लेयर दरम्यान बफर लेयर म्हणून वाढवला गेला आणि एपिटॅक्सियल लेयर सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावरून सोलून काढला गेला. MOCVD आणि MBE च्या तुलनेत, HVPE पद्धतीचे मुख्य वैशिष्ट्य म्हणजे त्याचा उच्च वाढ दर, जो जाड थर आणि मोठ्या प्रमाणात सामग्रीच्या उत्पादनासाठी योग्य आहे. तथापि, जेव्हा एपिटॅक्सियल लेयरची जाडी 20μm पेक्षा जास्त असते, तेव्हा या पद्धतीद्वारे तयार केलेल्या एपिटॅक्सियल लेयरला क्रॅक होण्याची शक्यता असते.
अकिरा USUI ने या पद्धतीवर आधारित नमुनायुक्त सब्सट्रेट तंत्रज्ञान सादर केले. त्यांनी प्रथम MOCVD पद्धतीचा वापर करून नीलम सब्सट्रेटवर पातळ 1-1.5μm जाडीचा GaN एपिटॅक्सियल थर वाढवला. एपिटॅक्सियल लेयरमध्ये कमी तापमानाच्या परिस्थितीत वाढलेला 20nm जाडीचा GaN बफर लेयर आणि उच्च तापमानाच्या परिस्थितीत वाढलेला GaN थर असतो. नंतर, 430℃ वर, एपिटॅक्सियल लेयरच्या पृष्ठभागावर SiO2 चा एक थर लावला गेला आणि फोटोलिथोग्राफीद्वारे SiO2 फिल्मवर खिडकीचे पट्टे बनवले गेले. पट्टीचे अंतर 7μm होते आणि मुखवटाची रुंदी 1μm ते 4μm पर्यंत होती. या सुधारणेनंतर, त्यांनी 2-इंच व्यासाच्या नीलमणी सब्सट्रेटवर एक GaN एपिटॅक्सियल लेयर मिळवला जो क्रॅक-फ्री आणि मिररसारखा गुळगुळीत होता, जरी त्याची जाडी दहापट किंवा शेकडो मायक्रॉनपर्यंत वाढली तरीही. दोष घनता पारंपारिक HVPE पद्धतीच्या 109-1010cm-2 वरून 6×107cm-2 पर्यंत कमी करण्यात आली. त्यांनी प्रयोगात असेही निदर्शनास आणले की जेव्हा वाढीचा दर 75μm/h पेक्षा जास्त असेल तेव्हा नमुना पृष्ठभाग खडबडीत होईल[8].
आकृती 6 ग्राफिकल सब्सट्रेट योजनाबद्ध
व्ही. सारांश आणि आउटलुक
2014 मध्ये जेव्हा ब्लू लाइट LED ने भौतिकशास्त्रातील नोबेल पारितोषिक जिंकले तेव्हा GaN साहित्य उदयास येऊ लागले आणि ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स क्षेत्रातील जलद चार्जिंग ऍप्लिकेशन्सच्या सार्वजनिक क्षेत्रात प्रवेश केला. खरं तर, 5G बेस स्टेशनमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या पॉवर ॲम्प्लिफायर्स आणि RF डिव्हाइसेसमधील ॲप्लिकेशन्स जे बहुतेक लोक पाहू शकत नाहीत ते देखील शांतपणे उदयास आले आहेत. अलिकडच्या वर्षांत, GaN-आधारित ऑटोमोटिव्ह-ग्रेड पॉवर डिव्हाइसेसच्या प्रगतीमुळे GaN मटेरियल ॲप्लिकेशन मार्केटसाठी नवीन वाढीचे बिंदू उघडण्याची अपेक्षा आहे.
बाजारातील प्रचंड मागणीमुळे निश्चितपणे GaN-संबंधित उद्योग आणि तंत्रज्ञानाच्या विकासाला चालना मिळेल. GaN-संबंधित औद्योगिक साखळीची परिपक्वता आणि सुधारणेसह, सध्याच्या GaN एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञानासमोरील समस्या सुधारल्या जातील किंवा त्यावर मात केली जाईल. भविष्यात, लोक निश्चितपणे अधिक नवीन एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञान आणि अधिक उत्कृष्ट सब्सट्रेट पर्याय विकसित करतील. तोपर्यंत, लोक अनुप्रयोग परिस्थितीच्या वैशिष्ट्यांनुसार सर्वात योग्य बाह्य संशोधन तंत्रज्ञान आणि विविध अनुप्रयोग परिस्थितींसाठी सब्सट्रेट निवडण्यास सक्षम असतील आणि सर्वात स्पर्धात्मक सानुकूलित उत्पादने तयार करू शकतील.
पोस्ट वेळ: जून-28-2024