तेस्रो-पुस्ता अर्धचालक GaN र सम्बन्धित epitaxial प्रविधि संक्षिप्त परिचय

1. तेस्रो पुस्ताको अर्धचालक

पहिलो पुस्ताको सेमीकन्डक्टर टेक्नोलोजी Si र Ge जस्ता सेमीकन्डक्टर सामग्रीहरूमा आधारित विकसित गरिएको थियो। यो ट्रान्जिस्टर र एकीकृत सर्किट प्रविधि को विकास को लागि भौतिक आधार हो। पहिलो पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीले २० औं शताब्दीमा इलेक्ट्रोनिक उद्योगको जग बसाल्यो र एकीकृत सर्किट प्रविधिका लागि आधारभूत सामग्रीहरू हुन्।

दोस्रो पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीहरूमा मुख्यतया ग्यालियम आर्सेनाइड, इन्डियम फस्फाइड, ग्यालियम फस्फाइड, इन्डियम आर्सेनाइड, एल्युमिनियम आर्सेनाइड र तिनीहरूका त्रिगुट यौगिकहरू समावेश छन्। दोस्रो पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीहरू ओप्टोइलेक्ट्रोनिक सूचना उद्योगको जग हुन्। यस आधारमा, प्रकाश, डिस्प्ले, लेजर, र फोटोभोल्टिक्स जस्ता सम्बन्धित उद्योगहरू विकसित भएका छन्। तिनीहरू व्यापक रूपमा समकालीन सूचना प्रविधि र ओप्टोइलेक्ट्रोनिक प्रदर्शन उद्योगहरूमा प्रयोग गरिन्छ।

तेस्रो पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीको प्रतिनिधि सामग्रीमा ग्यालियम नाइट्राइड र सिलिकन कार्बाइड समावेश छन्। तिनीहरूको फराकिलो ब्यान्ड ग्याप, उच्च इलेक्ट्रोन संतृप्ति बहाव वेग, उच्च थर्मल चालकता, र उच्च ब्रेकडाउन फिल्ड बलको कारण, तिनीहरू उच्च-शक्ति घनत्व, उच्च-फ्रिक्वेन्सी, र कम-हानि इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरू तयार गर्नका लागि आदर्श सामग्री हुन्। ती मध्ये, सिलिकन कार्बाइड पावर यन्त्रहरूमा उच्च ऊर्जा घनत्व, कम ऊर्जा खपत, र सानो आकारको फाइदाहरू छन्, र नयाँ ऊर्जा सवारी साधनहरू, फोटोभोल्टिक्स, रेल यातायात, ठूलो डाटा, र अन्य क्षेत्रहरूमा व्यापक अनुप्रयोग सम्भावनाहरू छन्। Gallium nitride RF यन्त्रहरूमा उच्च आवृत्ति, उच्च शक्ति, चौडा ब्यान्डविथ, कम पावर खपत र सानो आकारको फाइदाहरू छन्, र 5G संचार, इन्टरनेट अफ थिंग्स, सैन्य रडार र अन्य क्षेत्रहरूमा व्यापक अनुप्रयोग सम्भावनाहरू छन्। थप रूपमा, ग्यालियम नाइट्राइड-आधारित पावर उपकरणहरू कम-भोल्टेज क्षेत्रमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिएको छ। थप रूपमा, हालैका वर्षहरूमा, उदीयमान ग्यालियम अक्साइड सामग्रीहरूले अवस्थित SiC र GaN प्रविधिहरूसँग प्राविधिक पूरक बन्ने अपेक्षा गरिएको छ, र कम-फ्रिक्वेन्सी र उच्च-भोल्टेज क्षेत्रहरूमा सम्भावित अनुप्रयोग सम्भावनाहरू छन्।

दोस्रो पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीसँग तुलना गर्दा, तेस्रो पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीको ब्यान्डग्याप चौडाइ फराकिलो हुन्छ (Si को ब्यान्डग्याप चौडाइ, पहिलो पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीको एक विशिष्ट सामग्री, लगभग 1.1eV, GaAs को ब्यान्डग्याप चौडाइ, एक सामान्य दोस्रो पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीको सामग्री, बारे हो 1.42eV, र GaN को ब्यान्डग्याप चौडाइ, तेस्रो-पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीको एक विशिष्ट सामग्री, 2.3eV भन्दा माथि छ), बलियो विकिरण प्रतिरोध, विद्युतीय क्षेत्र ब्रेकडाउनको लागि बलियो प्रतिरोध, र उच्च तापक्रम प्रतिरोध। फराकिलो ब्यान्डग्याप चौडाइ भएको तेस्रो-पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीहरू विकिरण-प्रतिरोधी, उच्च-फ्रिक्वेन्सी, उच्च-शक्ति र उच्च-एकीकरण-घनत्व इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरूको उत्पादनको लागि विशेष रूपमा उपयुक्त छन्। माइक्रोवेभ रेडियो फ्रिक्वेन्सी उपकरणहरू, LEDs, लेजरहरू, पावर उपकरणहरू र अन्य क्षेत्रहरूमा तिनीहरूको अनुप्रयोगहरूले धेरै ध्यान आकर्षित गरेको छ, र तिनीहरूले मोबाइल संचार, स्मार्ट ग्रिडहरू, रेल ट्रान्जिट, नयाँ ऊर्जा सवारी साधनहरू, उपभोक्ता इलेक्ट्रोनिक्स, र पराबैंगनी र निलोमा व्यापक विकास सम्भावनाहरू देखाएका छन्। -हरियो बत्ती उपकरणहरू [१]।

छवि स्रोत: CASA, Zheshang प्रतिभूति अनुसन्धान संस्थान

चित्र 1 GaN पावर उपकरण समय मापन र पूर्वानुमान

II GaN सामग्री संरचना र विशेषताहरू

GaN एक प्रत्यक्ष bandgap अर्धचालक छ। कोठाको तापमानमा wurtzite संरचनाको ब्यान्डग्याप चौडाइ लगभग 3.26eV छ। GaN सामग्रीमा तीन मुख्य क्रिस्टल संरचनाहरू छन्, अर्थात् wurtzite संरचना, sphalerite संरचना र चट्टान नुन संरचना। तिनीहरू मध्ये, wurtzite संरचना सबैभन्दा स्थिर क्रिस्टल संरचना हो। चित्र 2 GaN को हेक्सागोनल wurtzite संरचना को एक रेखाचित्र हो। GaN सामग्रीको wurtzite संरचना हेक्सागोनल क्लोज-प्याक संरचनासँग सम्बन्धित छ। प्रत्येक एकाइ कक्षमा 12 परमाणुहरू छन्, जसमा 6 N परमाणुहरू र 6 Ga परमाणुहरू छन्। प्रत्येक Ga (N) परमाणुले 4 निकटतम N (Ga) परमाणुहरूसँग बन्धन बनाउँछ र ABABAB को क्रममा स्ट्याक गरिएको छ ... [0001] दिशा [२] सँगसँगै।

चित्र 2 Wurtzite संरचना GaN क्रिस्टल सेल रेखाचित्र

III GaN epitaxy को लागि सामान्यतया प्रयोग हुने सब्सट्रेट्स

यस्तो देखिन्छ कि GaN सब्सट्रेटहरूमा समरूप एपिटेक्सी GaN एपिटाक्सीको लागि उत्तम विकल्प हो। यद्यपि, GaN को ठूलो बन्ड ऊर्जाको कारण, जब तापमान 2500℃ को पिघलने बिन्दुमा पुग्छ, यसको सम्बन्धित विघटन दबाव लगभग 4.5GPa हुन्छ। जब विघटन दबाब यो दबाव भन्दा कम हुन्छ, GaN पग्लिदैन तर सीधा विघटन हुन्छ। यसले परिपक्व सब्सट्रेट तयारी प्रविधिहरू जस्तै Czochralski विधि GaN एकल क्रिस्टल सब्सट्रेटहरूको तयारीको लागि अनुपयुक्त बनाउँछ, GaN सब्सट्रेटहरूलाई ठूलो मात्रामा उत्पादन गर्न गाह्रो र महँगो बनाउँछ। तसर्थ, सामान्यतया GaN epitaxial वृद्धिमा प्रयोग हुने सब्सट्रेटहरू मुख्य रूपमा Si, SiC, नीलमणि, आदि हुन्। [३]।

चार्ट 3 GaN र सामान्यतया प्रयोग हुने सब्सट्रेट सामग्रीहरूको प्यारामिटरहरू

नीलमणिमा GaN एपिटेक्सी

नीलमणिमा स्थिर रासायनिक गुणहरू छन्, सस्तो छ, र ठूलो मात्रामा उत्पादन उद्योगको उच्च परिपक्वता छ। तसर्थ, यो अर्धचालक उपकरण ईन्जिनियरिङ् मा प्रारम्भिक र सबै भन्दा व्यापक रूपमा प्रयोग सब्सट्रेट सामग्री मध्ये एक भएको छ। GaN epitaxy को लागि सामान्यतया प्रयोग हुने सब्सट्रेटहरू मध्ये एकको रूपमा, नीलमणि सब्सट्रेटहरूको लागि समाधान गर्न आवश्यक पर्ने मुख्य समस्याहरू हुन्:

✔ नीलमणि (Al2O3) र GaN (लगभग 15%) बीचको ठूलो जाली बेमेलको कारण, एपिटेक्सियल तह र सब्सट्रेट बीचको इन्टरफेसमा दोष घनत्व धेरै उच्च छ। यसको प्रतिकूल प्रभावहरू कम गर्नको लागि, सब्सट्रेटलाई एपिटेक्सी प्रक्रिया सुरु हुनु अघि जटिल पूर्व-उपचारको अधीनमा हुनुपर्छ। नीलमणि सब्सट्रेटहरूमा GaN epitaxy बढाउनु अघि, सब्सट्रेट सतहलाई दूषित पदार्थहरू हटाउन, अवशिष्ट पालिश गर्ने क्षति, आदि, र चरणहरू र चरणहरू सतह संरचनाहरू उत्पादन गर्नको लागि कडा रूपमा सफा गर्नुपर्छ। त्यसपछि, सब्सट्रेट सतहलाई एपिटाक्सियल तहको भिजाउने गुणहरू परिवर्तन गर्न नाइट्राइड गरिन्छ। अन्तमा, पातलो AlN बफर तह (सामान्यतया 10-100nm बाक्लो) सब्सट्रेट सतहमा जम्मा गर्न आवश्यक छ र अन्तिम एपिटेक्सियल वृद्धिको लागि तयारी गर्न कम तापक्रममा एनेल गर्न आवश्यक छ। तैपनि, नीलमणि सब्सट्रेटहरूमा बढेको GaN एपिटेक्सियल फिल्महरूमा विस्थापन घनत्व अझै पनि होमोएपिटेक्सियल फिल्महरू भन्दा बढी छ (लगभग 1010 सेमी-2, सिलिकन होमोपिटेक्सियल फिल्महरूमा अनिवार्य रूपमा शून्य विस्थापन घनत्वको तुलनामा वा ग्यालियम आर्सेनाइड होमोएपिटाक्सियल फिल्महरू 01 र 02 सेमी बीचको २)। उच्च दोष घनत्वले वाहक गतिशीलतालाई कम गर्छ, यसैले अल्पसंख्यक क्यारियरको जीवनकाल छोटो पार्छ र थर्मल चालकता घटाउँछ, यी सबैले उपकरणको प्रदर्शनलाई कम गर्नेछ [४];

✔ नीलमणिको थर्मल विस्तार गुणांक GaN भन्दा ठूलो छ, त्यसैले डिपोजिसन तापमानबाट कोठाको तापक्रममा चिसो हुने प्रक्रियामा एपिटेक्सियल तहमा द्विअक्षीय कम्प्रेसिभ तनाव उत्पन्न हुनेछ। बाक्लो एपिटेक्सियल फिल्महरूको लागि, यो तनावले फिल्म वा सब्सट्रेटको क्र्याक हुन सक्छ;

✔ अन्य सब्सट्रेटहरूसँग तुलना गर्दा, नीलमणि सब्सट्रेटहरूको थर्मल चालकता कम छ (लगभग 0.25W*cm-1*K-1 100℃ मा), र गर्मी अपव्यय प्रदर्शन खराब छ;

✔ यसको कमजोर चालकताको कारण, नीलमणि सब्सट्रेटहरू तिनीहरूको एकीकरण र अन्य अर्धचालक उपकरणहरूसँग प्रयोग गर्न अनुकूल छैनन्।

यद्यपि नीलमणि सब्सट्रेटहरूमा बढेको GaN एपिटेक्सियल तहहरूको दोष घनत्व उच्च छ, यसले GaN-आधारित नीलो-हरियो LEDs को अप्टोइलेक्ट्रोनिक कार्यसम्पादनलाई उल्लेखनीय रूपमा कम गरेको देखिँदैन, त्यसैले नीलमणि सब्सट्रेटहरू अझै पनि GaN-आधारित LEDs को लागि सामान्यतया प्रयोग गरिएका सब्सट्रेटहरू हुन्।

लेजरहरू वा अन्य उच्च-घनत्व शक्ति यन्त्रहरू जस्ता GaN उपकरणहरूको थप नयाँ अनुप्रयोगहरूको विकासको साथ, नीलमणि सब्सट्रेटहरूको अन्तर्निहित दोषहरू तिनीहरूको अनुप्रयोगमा बढ्दो रूपमा सीमित भएको छ। थप रूपमा, SiC सब्सट्रेट ग्रोथ टेक्नोलोजीको विकासको साथ, लागत घटाउने र Si सब्सट्रेटहरूमा GaN epitaxial टेक्नोलोजीको परिपक्वता, नीलमणि सब्सट्रेटहरूमा बढ्दो GaN epitaxial तहहरूमा थप अनुसन्धानले बिस्तारै चिसो प्रवृत्ति देखाएको छ।

SiC मा GaN एपिटेक्सी

नीलमणिसँग तुलना गर्दा, SiC सब्सट्रेटहरू (4H- र 6H-क्रिस्टलहरू) मा GaN epitaxial तहहरू (3.1%, [0001] उन्मुख एपिटेक्सियल फिल्महरूको बराबर), उच्च थर्मल चालकता (लगभग 3.8W*cm-1*K) सँग सानो जाली मिल्दैन। -1), आदि। साथै, SiC सब्सट्रेटहरूको चालकता पनि अनुमति दिन्छ सब्सट्रेटको पछाडि बनाइने विद्युतीय सम्पर्कहरू, जसले उपकरण संरचनालाई सरल बनाउन मद्दत गर्दछ। यी फाइदाहरूको अस्तित्वले सिलिकन कार्बाइड सब्सट्रेटहरूमा GaN एपिटेक्सीमा काम गर्न थप अनुसन्धानकर्ताहरूलाई आकर्षित गरेको छ।

यद्यपि, बढ्दो GaN एपिलेयरहरूबाट बच्नको लागि SiC सब्सट्रेटहरूमा सीधै काम गर्दा निम्न सहित बेफाइदाहरूको शृङ्खलाको सामना गर्दछ:

✔ SiC सब्सट्रेटको सतहको खुरदुरापन नीलमणि सब्सट्रेटको तुलनामा धेरै बढी हुन्छ (सफायर रफनेस 0.1nm RMS, SiC रफनेस 1nm RMS), SiC सब्सट्रेटहरूमा उच्च कठोरता र खराब प्रशोधन कार्यसम्पादन हुन्छ, र यो नरमपन र अवशिष्ट पालिशिंग क्षति पनि एक हो। GaN एपिलेयरहरूमा दोषहरूको स्रोत।

✔ SiC सब्सट्रेटहरूको स्क्रू विस्थापन घनत्व उच्च छ (अवस्थापन घनत्व 103-104cm-2), स्क्रू विस्थापनले GaN एपिलेयरमा प्रचार गर्न सक्छ र उपकरणको कार्यसम्पादन घटाउन सक्छ;

✔ सब्सट्रेट सतहमा परमाणु व्यवस्थाले GaN एपिलेयरमा स्ट्याकिंग गल्तीहरू (BSFs) को गठनलाई प्रेरित गर्छ। SiC सब्सट्रेटहरूमा epitaxial GaN को लागि, सब्सट्रेटमा बहुविध सम्भावित आणविक व्यवस्था आदेशहरू छन्, जसको परिणामस्वरूप यसमा epitaxial GaN तहको असंगत प्रारम्भिक आणविक स्ट्याकिङ अर्डर हुन्छ, जुन स्ट्याकिंग गल्तीहरूको खतरा हुन्छ। स्ट्याकिङ फल्ट्स (SFs) ले c-axis को साथमा बिल्ट-इन बिजुली क्षेत्रहरू परिचय गराउँछ, जसले इन-प्लेन क्यारियर सेपरेसन यन्त्रहरूको चुहावट जस्ता समस्याहरू निम्त्याउँछ;

✔ SiC सब्सट्रेटको थर्मल विस्तार गुणांक AlN र GaN को भन्दा सानो छ, जसले शीतलन प्रक्रियाको क्रममा एपिटेक्सियल तह र सब्सट्रेट बीच थर्मल तनाव संचयको कारण बनाउँछ। Waltereit र ब्रान्डले तिनीहरूको अनुसन्धान नतिजाहरूको आधारमा भविष्यवाणी गरे कि यो समस्या पातलो, सुसंगत रूपमा तनावपूर्ण AlN न्यूक्लिएशन तहहरूमा GaN एपिटेक्सियल तहहरू बढाएर समाधान गर्न सकिन्छ;

✔ Ga परमाणुहरूको कमजोर भिजेको समस्या। GaN एपिटेक्सियल तहहरू सिधै SiC सतहमा बढ्दा, दुई परमाणुहरू बीचको कमजोर भिज्ने क्षमताको कारणले, GaN सब्सट्रेट सतहमा 3D टापुको वृद्धिको लागि प्रवण हुन्छ। GaN epitaxy मा epitaxial सामाग्री को गुणस्तर सुधार गर्न को लागी एक बफर लेयर को परिचय सबै भन्दा साधारण प्रयोग को समाधान हो। AlN वा AlxGa1-xN बफर लेयरको परिचयले प्रभावकारी रूपमा SiC सतहको ओसिलोपन सुधार गर्न सक्छ र GaN epitaxial तहलाई दुई आयामहरूमा बढ्न सक्छ। थप रूपमा, यसले तनावलाई विनियमित गर्न र सब्सट्रेट दोषहरूलाई GaN epitaxy मा विस्तार हुनबाट रोक्न सक्छ;

✔ SiC सब्सट्रेटहरूको तयारी प्रविधि अपरिपक्व छ, सब्सट्रेट लागत उच्च छ, र त्यहाँ थोरै आपूर्तिकर्ता र थोरै आपूर्ति छन्।

Torres et al. को अनुसन्धानले देखाउँछ कि उच्च तापक्रम (1600°C) मा SiC सब्सट्रेटलाई H2 को साथमा epitaxy गर्नु अघि सब्सट्रेट सतहमा थप क्रमबद्ध चरण संरचना उत्पादन गर्न सक्छ, जसले गर्दा यो प्रत्यक्ष रूपमा भन्दा उच्च गुणस्तरको AlN epitaxial फिल्म प्राप्त गर्दछ। मूल सब्सट्रेट सतहमा हुर्कियो। Xie र उनको टोलीको अनुसन्धानले यो पनि देखाउँछ कि सिलिकन कार्बाइड सब्सट्रेटको नक्काशी प्रिट्रीटमेन्टले GaN एपिटेक्सियल तहको सतह आकार र क्रिस्टल गुणस्तरमा उल्लेखनीय सुधार गर्न सक्छ। स्मिथ र अन्य। सब्सट्रेट/बफर लेयर र बफर लेयर/एपिटेक्सियल लेयर इन्टरफेसहरूबाट उत्पन्न हुने थ्रेडिङ डिसलोकेशनहरू सब्सट्रेटको सपाटतासँग सम्बन्धित छन् भनेर फेला पारियो [5]।

चित्र 4 विभिन्न सतह उपचार अवस्था (a) रासायनिक सफाई अन्तर्गत 6H-SiC सब्सट्रेट (0001) मा बढेको GaN epitaxial लेयर नमूनाहरूको TEM आकारविज्ञान; (b) रासायनिक सफाई + हाइड्रोजन प्लाज्मा उपचार; (c) रासायनिक सफाई + हाइड्रोजन प्लाज्मा उपचार + 1300℃ हाइड्रोजन ताप उपचार 30 मिनेटको लागि

Si मा GaN एपिटेक्सी

सिलिकन कार्बाइड, नीलमणि र अन्य सब्सट्रेटहरूको तुलनामा, सिलिकन सब्सट्रेट तयारी प्रक्रिया परिपक्व छ, र यसले स्थिर रूपमा उच्च लागत प्रदर्शनको साथ परिपक्व ठूलो आकारको सब्सट्रेटहरू प्रदान गर्न सक्छ। एकै समयमा, थर्मल चालकता र विद्युत चालकता राम्रो छ, र Si इलेक्ट्रोनिक उपकरण प्रक्रिया परिपक्व छ। भविष्यमा Si इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरूसँग अप्टोइलेक्ट्रोनिक GaN उपकरणहरू पूर्ण रूपमा एकीकृत गर्ने सम्भावनाले पनि सिलिकनमा GaN epitaxy को वृद्धिलाई धेरै आकर्षक बनाउँछ।

यद्यपि, Si सब्सट्रेट र GaN सामग्री बीचको जाली स्थिरतामा ठूलो भिन्नताको कारण, Si सब्सट्रेटमा GaN को विषम एपिटेक्सी एक विशिष्ट ठूलो बेमेल एपिटेक्सी हो, र यसले समस्याहरूको श्रृंखलाको सामना गर्न पनि आवश्यक छ:

✔ सतह इन्टरफेस ऊर्जा समस्या। जब GaN Si सब्सट्रेटमा बढ्छ, Si सब्सट्रेटको सतहलाई पहिले नाइट्राइड गरी अनाकार सिलिकन नाइट्राइड तह बनाइन्छ जुन उच्च घनत्व GaN को न्यूक्लियसन र वृद्धिको लागि अनुकूल हुँदैन। थप रूपमा, Si सतहले पहिले Ga सँग सम्पर्क गर्नेछ, जसले Si सब्सट्रेटको सतहलाई क्षरण गर्नेछ। उच्च तापक्रममा, Si सतहको विघटनले कालो सिलिकन धब्बाहरू बनाउन GaN एपिटेक्सियल तहमा फैलिनेछ।

✔ GaN र Si बीचको जाली स्थिर बेमेल ठूलो छ (~ 17%), जसले उच्च-घनत्व थ्रेडिङ विस्थापनको गठनमा नेतृत्व गर्नेछ र एपिटेक्सियल तहको गुणस्तरलाई उल्लेखनीय रूपमा कम गर्नेछ;

✔ Si सँग तुलना गर्दा, GaN सँग ठूलो थर्मल विस्तार गुणांक छ (GaN को थर्मल विस्तार गुणांक लगभग 5.6×10-6K-1 छ, Si को थर्मल विस्तार गुणांक लगभग 2.6×10-6K-1 छ), र GaN मा दरार उत्पन्न हुन सक्छ। epitaxial तह कोठामा epitaxial तापमान को चिसो समयमा तापमान;

✔ Si ले उच्च तापक्रममा NH3 सँग प्रतिक्रिया गरेर Polycrystalline SiNx बनाउँछ। AlN ले Polycrystalline SiNx मा प्राथमिकता उन्मुख न्यूक्लियस बनाउन सक्दैन, जसले पछि बढेको GaN तहको अव्यवस्थित अभिमुखीकरण र उच्च संख्यामा दोषहरू निम्त्याउँछ, परिणामस्वरूप GaN epitaxial तहको खराब क्रिस्टल गुणस्तर, र एकल-क्रिस्टलाइन बनाउन पनि कठिनाइ हुन्छ। GaN epitaxial तह [6]।

ठूलो जाली बेमेलको समस्या समाधान गर्न, शोधकर्ताहरूले Si substrates मा बफर तह रूपमा AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, र SiC जस्ता सामग्रीहरू परिचय गराउने प्रयास गरेका छन्। Polycrystalline SiNx को गठनबाट बच्नको लागि र GaN/AlN/Si (111) सामग्रीको क्रिस्टल गुणस्तरमा यसको प्रतिकूल प्रभावहरू कम गर्न, TML सामान्यतया AlN बफर तहको एपिटेक्सियल वृद्धि हुनु अघि निश्चित समयको लागि पेश गर्न आवश्यक हुन्छ। NH3 लाई SiNx बनाउनको लागि खुला Si सतहसँग प्रतिक्रिया गर्नबाट रोक्न। थप रूपमा, epitaxial प्रविधिहरू जस्तै ढाँचायुक्त सब्सट्रेट टेक्नोलोजीहरू एपिटेक्सियल तहको गुणस्तर सुधार गर्न प्रयोग गर्न सकिन्छ। यी प्रविधिहरूको विकासले एपिटेक्सियल इन्टरफेसमा SiNx को गठनलाई रोक्न, GaN एपिटेक्सियल तहको दुई-आयामी वृद्धिलाई बढावा दिन र एपिटेक्सियल तहको वृद्धि गुणस्तर सुधार गर्न मद्दत गर्दछ। थप रूपमा, एक AlN बफर तह सिलिकन सब्सट्रेटमा GaN epitaxial तहमा दरारहरूबाट बच्नको लागि थर्मल विस्तार गुणांकहरूमा भिन्नताको कारणले गर्दा तन्य तनावको लागि क्षतिपूर्ति गर्न पेश गरिएको छ। क्रोस्टको अनुसन्धानले AlN बफर तहको मोटाई र तनावमा कमीको बीचमा सकारात्मक सम्बन्ध रहेको देखाउँछ। जब बफर तह मोटाई 12nm पुग्छ, 6μm भन्दा बाक्लो एपिटेक्सियल तहलाई सिलिकन सब्सट्रेटमा एपिटेक्सियल लेयर क्र्याकिंग बिना उपयुक्त वृद्धि योजना मार्फत बढ्न सकिन्छ।

शोधकर्ताहरूले लामो-समयको प्रयास पछि, सिलिकन सब्सट्रेटहरूमा बढेको GaN एपिटेक्सियल तहहरूको गुणस्तरमा उल्लेखनीय सुधार भएको छ, र फिल्ड इफेक्ट ट्रान्जिस्टरहरू, Schottky ब्यारियर पराबैंगनी डिटेक्टरहरू, नीलो-हरियो LEDs र पराबैंगनी लेजरहरू जस्ता यन्त्रहरूले महत्त्वपूर्ण प्रगति गरेका छन्।

संक्षेपमा, सामान्यतया प्रयोग हुने GaN एपिटेक्सियल सब्सट्रेटहरू सबै विषम एपिटेक्सी हुन्, तिनीहरू सबैले सामान्य समस्याहरू जस्तै ल्याटिस बेमेल र थर्मल विस्तार गुणांकहरूमा फरक डिग्रीहरूमा ठूलो भिन्नताहरू सामना गर्छन्। समरूप एपिटेक्सियल GaN सब्सट्रेटहरू टेक्नोलोजीको परिपक्वताद्वारा सीमित छन्, र सब्सट्रेटहरू अझै ठूलो मात्रामा उत्पादन भएका छैनन्। उत्पादन लागत उच्च छ, सब्सट्रेट आकार सानो छ, र सब्सट्रेट गुणस्तर आदर्श छैन। नयाँ GaN epitaxial substrates को विकास र epitaxial गुणस्तर को सुधार अझै पनि GaN epitaxial उद्योग को थप विकास प्रतिबन्धित एक महत्वपूर्ण कारक हो।

IV। GaN epitaxy को लागि सामान्य विधिहरू

MOCVD (रासायनिक वाष्प निक्षेप)

यस्तो देखिन्छ कि GaN सब्सट्रेटहरूमा समरूप एपिटेक्सी GaN एपिटाक्सीको लागि उत्तम विकल्प हो। यद्यपि, रासायनिक वाष्प निक्षेपको अग्रदूतहरू ट्राइमेथाइलगैलियम र अमोनिया हुनाले, र क्यारियर ग्याँस हाइड्रोजन हो, विशिष्ट MOCVD वृद्धि तापमान लगभग 1000-1100℃ छ, र MOCVD को वृद्धि दर प्रति घण्टा लगभग केहि माइक्रोन छ। यसले आणविक स्तरमा ठाडो इन्टरफेसहरू उत्पादन गर्न सक्छ, जुन बढ्दो हेटेरोजंक्शनहरू, क्वान्टम कुवाहरू, सुपरल्याटिसहरू र अन्य संरचनाहरूको लागि धेरै उपयुक्त छ। यसको द्रुत वृद्धि दर, राम्रो एकरूपता, र ठूलो-क्षेत्र र बहु-टुक्रा वृद्धिको लागि उपयुक्तता प्रायः औद्योगिक उत्पादनमा प्रयोग गरिन्छ।
MBE (आणविक बीम एपिटेक्सी)
आणविक बीम एपिटेक्सीमा, Ga ले मौलिक स्रोत प्रयोग गर्दछ, र सक्रिय नाइट्रोजन नाइट्रोजनबाट आरएफ प्लाज्मा मार्फत प्राप्त गरिन्छ। MOCVD विधिको तुलनामा, MBE वृद्धि तापमान लगभग 350-400 ℃ कम छ। कम वृद्धि तापमानले उच्च तापक्रम वातावरणको कारण हुन सक्ने निश्चित प्रदूषणबाट बच्न सक्छ। MBE प्रणाली अल्ट्रा-उच्च भ्याकुम अन्तर्गत काम गर्दछ, जसले यसलाई थप इन-सिटु पत्ता लगाउने विधिहरू एकीकृत गर्न अनुमति दिन्छ। एकै समयमा, यसको वृद्धि दर र उत्पादन क्षमता MOCVD सँग तुलना गर्न सकिँदैन, र यो वैज्ञानिक अनुसन्धानमा अधिक प्रयोग गरिन्छ [7]।

चित्र 5 (a) Eiko-MBE योजनाबद्ध (b) MBE मुख्य प्रतिक्रिया कक्ष योजनाबद्ध

HVPE विधि (हाइड्राइड वाष्प चरण एपिटेक्सी)

हाइड्राइड वाष्प चरण एपिटेक्सी विधिका पूर्ववर्तीहरू GaCl3 र NH3 हुन्। Detchprohm et al। नीलमणि सब्सट्रेटको सतहमा सयौं माइक्रोन बाक्लो GaN एपिटेक्सियल तह बढाउन यो विधि प्रयोग गरियो। तिनीहरूको प्रयोगमा, ZnO को एक तह नीलमणि सब्सट्रेट र एपिटेक्सियल तहको बीचमा बफर तहको रूपमा बढाइएको थियो, र एपिटेक्सियल तहलाई सब्सट्रेट सतहबाट बाहिर निकालिएको थियो। MOCVD र MBE सँग तुलना गर्दा, HVPE विधिको मुख्य विशेषता यसको उच्च वृद्धि दर हो, जुन मोटो तह र बल्क सामग्रीको उत्पादनको लागि उपयुक्त छ। यद्यपि, जब एपिटेक्सियल तहको मोटाई 20μm भन्दा बढी हुन्छ, यो विधिद्वारा उत्पादित एपिटेक्सियल तहमा दरार आउने सम्भावना हुन्छ।
Akira USUI ले यस विधिमा आधारित ढाँचायुक्त सब्सट्रेट टेक्नोलोजी प्रस्तुत गर्‍यो। तिनीहरूले पहिले MOCVD विधि प्रयोग गरेर नीलमणि सब्सट्रेटमा पातलो 1-1.5μm बाक्लो GaN एपिटेक्सियल तह बढाए। एपिटेक्सियल लेयरमा कम तापक्रम अवस्थाहरूमा बढेको 20nm बाक्लो GaN बफर तह र उच्च तापक्रम अवस्थाहरूमा बढेको GaN तह समावेश हुन्छ। त्यसपछि, 430 ℃ मा, SiO2 को एक तह एपिटेक्सियल तहको सतहमा प्लेट गरिएको थियो, र फोटोलिथोग्राफी द्वारा SiO2 फिल्ममा विन्डो स्ट्रिपहरू बनाइयो। स्ट्रिप स्पेसिङ 7μm थियो र मास्क चौडाइ 1μm देखि 4μm सम्म थियो। यस सुधार पछि, तिनीहरूले 2-इन्च व्यास नीलमणि सब्सट्रेटमा GaN epitaxial तह प्राप्त गरे जुन क्र्याक-रहित र मिररको रूपमा चिल्लो थियो जब मोटाई दसौं वा सयौं माइक्रोनसम्म बढ्यो। दोष घनत्व परम्परागत HVPE विधिको 109-1010cm-2 बाट लगभग 6×107cm-2 मा घटाइएको थियो। तिनीहरूले प्रयोगमा पनि औंल्याए कि जब वृद्धि दर 75μm/h नाघ्यो, नमूना सतह नराम्रो हुनेछ [8]।

चित्र 6 ग्राफिकल सब्सट्रेट योजनाबद्ध

V. सारांश र आउटलुक

2014 मा नीलो बत्ती एलईडीले भौतिकशास्त्रमा नोबेल पुरस्कार जित्दा GaN सामग्रीहरू देखा पर्न थाले, र उपभोक्ता इलेक्ट्रोनिक्स क्षेत्रमा छिटो चार्ज गर्ने अनुप्रयोगहरूको सार्वजनिक क्षेत्रमा प्रवेश गर्यो। वास्तवमा, 5G बेस स्टेशनहरूमा प्रयोग हुने पावर एम्पलीफायरहरू र RF उपकरणहरूमा धेरैजसो मानिसहरूले देख्न नसक्ने अनुप्रयोगहरू पनि चुपचाप देखा परेका छन्। हालका वर्षहरूमा, GaN-आधारित अटोमोटिभ-ग्रेड पावर उपकरणहरूको सफलताले GaN सामग्री अनुप्रयोग बजारको लागि नयाँ वृद्धि बिन्दुहरू खोल्ने अपेक्षा गरिएको छ।
बजारको ठूलो मागले पक्कै पनि GaN-सम्बन्धित उद्योग र प्रविधिहरूको विकासलाई बढावा दिनेछ। GaN-सम्बन्धित औद्योगिक श्रृंखलाको परिपक्वता र सुधार संग, वर्तमान GaN epitaxial प्रविधिले सामना गर्ने समस्याहरू अन्ततः सुधार वा परास्त हुनेछन्। भविष्यमा, मानिसहरूले निश्चित रूपमा थप नयाँ एपिटेक्सियल प्रविधिहरू र थप उत्कृष्ट सब्सट्रेट विकल्पहरू विकास गर्नेछन्। त्यतिन्जेलसम्म, मानिसहरूले अनुप्रयोग परिदृश्यहरूको विशेषताहरू अनुसार विभिन्न अनुप्रयोग परिदृश्यहरूको लागि सबैभन्दा उपयुक्त बाह्य अनुसन्धान प्रविधि र सब्सट्रेट छनौट गर्न सक्षम हुनेछन्, र सबैभन्दा प्रतिस्पर्धी अनुकूलित उत्पादनहरू उत्पादन गर्न सक्नेछन्।