1. තුන්වන පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක
පළමු පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක තාක්ෂණය Si සහ Ge වැනි අර්ධ සන්නායක ද්රව්ය මත පදනම්ව සංවර්ධනය කරන ලදී. එය ට්රාන්සිස්ටර සහ ඒකාබද්ධ පරිපථ තාක්ෂණය සංවර්ධනය සඳහා ද්රව්යමය පදනම වේ. පළමු පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක ද්රව්ය 20 වන ශතවර්ෂයේ ඉලෙක්ට්රොනික කර්මාන්තය සඳහා අඩිතාලම දැමූ අතර ඒකාබද්ධ පරිපථ තාක්ෂණය සඳහා මූලික ද්රව්ය වේ.
දෙවන පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක ද්‍රව්‍යවලට ප්රධාන වශයෙන් ගැලියම් ආසනයිඩ්, ඉන්ඩියම් පොස්පයිඩ්, ගැලියම් පොස්පයිඩ්, ඉන්ඩියම් ආසනයිඩ්, ඇලුමිනියම් ආසනයිඩ් සහ ඒවායේ ත්‍රිත්ව සංයෝග ඇතුළත් වේ. දෙවන පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක ද්රව්ය දෘෂ්ටි ඉලෙක්ට්රොනික තොරතුරු කර්මාන්තයේ පදනම වේ. මෙම පදනම මත ආලෝකකරණය, සංදර්ශකය, ලේසර් සහ ප්‍රකාශ වෝල්ටීයතාව වැනි ආශ්‍රිත කර්මාන්ත සංවර්ධනය කර ඇත. ඒවා සමකාලීන තොරතුරු තාක්ෂණය සහ දෘශ්‍ය ඉලෙක්ට්රොනික සංදර්ශක කර්මාන්තවල බහුලව භාවිතා වේ.
තෙවන පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක ද්රව්යවල නියෝජිත ද්‍රව්‍යවලට ගැලියම් නයිට්රයිඩ් සහ සිලිකන් කාබයිඩ් ඇතුළත් වේ. ඒවායේ පුළුල් කලාප පරතරය, ඉහළ ඉලෙක්ට්‍රෝන සන්තෘප්ත ප්ලාවිත ප්‍රවේගය, ඉහළ තාප සන්නායකතාවය සහ ඉහළ බිඳවැටීමේ ක්ෂේත්‍ර ශක්තිය හේතුවෙන් ඒවා අධි බල ඝණත්වය, අධි-සංඛ්‍යාත සහ අඩු පාඩු ඉලෙක්ට්රොනික උපාංග සකස් කිරීම සඳහා කදිම ද්රව්ය වේ. ඒවා අතර, සිලිකන් කාබයිඩ් බල උපාංගවලට ඉහළ ශක්ති ඝනත්වය, අඩු බලශක්ති පරිභෝජනය සහ කුඩා ප්රමාණයේ වාසි ඇති අතර නව බලශක්ති වාහන, ප්‍රකාශ වෝල්ටීයතා, දුම්රිය ප්‍රවාහනය, විශාල දත්ත සහ වෙනත් ක්ෂේත්‍රවල පුළුල් යෙදුම් අපේක්ෂාවන් ඇත. Gallium nitride RF උපාංගවලට ඉහළ සංඛ්‍යාත, ඉහළ බලය, පුළුල් කලාප පළල, අඩු බල පරිභෝජනය සහ කුඩා ප්රමාණයේ වාසි ඇති අතර 5G සන්නිවේදන, දේවල් අන්තර්ජාලය, හමුදා රේඩාර් සහ වෙනත් ක්ෂේත්‍රවල පුළුල් යෙදුම් අපේක්ෂාවන් ඇත. මීට අමතරව, අඩු වෝල්ටීයතා ක්ෂේත්රයේ ගැලියම් නයිට්රයිඩ් මත පදනම් වූ බල උපාංග බහුලව භාවිතා වී ඇත. මීට අමතරව, මෑත වසරවලදී, නැගී එන ගැලියම් ඔක්සයිඩ් ද්රව්ය දැනට පවතින SiC සහ GaN තාක්ෂණයන් සමඟ තාක්ෂණික අනුපූරකතාවයක් ඇති කිරීමට අපේක්ෂා කරන අතර අඩු සංඛ්‍යාත සහ අධි වෝල්ටීයතා ක්ෂේත්‍රවල විභව යෙදුම් අපේක්ෂාවන් ඇත.
දෙවන පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක ද්රව්ය හා සසඳන විට, තුන්වන පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක ද්‍රව්‍යවලට පුළුල් කලාප පළලක් ඇත (පළමු පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක ද්‍රව්‍යයේ සාමාන්‍ය ද්‍රව්‍යයක් වන Si හි කලාප ගැප් පළල 1.1eV පමණ වේ, සාමාන්‍ය GaAs වල කලාප පරතරය පළල වේ. දෙවන පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක ද්‍රව්‍යයේ ද්රව්ය, 1.42eV පමණ වන අතර, තුන්වන පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක ද්‍රව්‍යයේ සාමාන්‍ය ද්‍රව්‍යයක් වන GaN හි bandgap පළල 2.3eV ට වැඩි වේ), ප්‍රබල විකිරණ ප්රතිරෝධය, විද්යුත් ක්ෂේත්‍ර බිඳවැටීමට ප්‍රබල ප්රතිරෝධය සහ ඉහළ උෂ්ණත්ව ප්රතිරෝධය. විකිරණ-ප්‍රතිරෝධී, අධි-සංඛ්‍යාත, අධි-බල සහ අධි-ඒකාබද්ධ-ඝනත්ව ඉලෙක්ට්රොනික උපාංග නිෂ්පාදනය සඳහා පුළුල් කලාප පරතරයක් සහිත තෙවන පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක ද්රව්ය විශේෂයෙන් සුදුසු වේ. මයික්‍රෝවේව් රේඩියෝ සංඛ්‍යාත උපාංග, LED, ලේසර්, බල උපාංග සහ අනෙකුත් ක්ෂේත්‍රවල ඔවුන්ගේ යෙදුම් බොහෝ අවධානයට ලක්ව ඇති අතර, ඔවුන් ජංගම සන්නිවේදන, ස්මාර්ට් ජාල, දුම්රිය සංක්‍රමණය, නව බලශක්ති වාහන, පාරිභෝගික ඉලෙක්ට්රොනික උපකරණ සහ පාරජම්බුල සහ නිල් යන ක්ෂේත්‍රවල පුළුල් සංවර්ධන අපේක්ෂාවන් පෙන්වා ඇත. - හරිත ආලෝක උපාංග [1].
රූප මූලාශ්‍රය: CASA, Zheshang සුරැකුම්පත් පර්යේෂණ ආයතනය
රූපය 1 GaN බල උපාංග කාල පරිමාණය සහ අනාවැකි
II GaN ද්රව්ය ව්යුහය සහ ලක්ෂණ
GaN යනු සෘජු කලාප ගැප් අර්ධ සන්නායකයකි. කාමර උෂ්ණත්වයේ දී wurtzite ව්‍යුහයේ bandgap පළල 3.26eV පමණ වේ. GaN ද්‍රව්‍යවලට ප්රධාන ස්ඵටික ව්‍යුහ තුනක් ඇත, එනම් wurtzite ව්යුහය, sphalerite ව්යුහය සහ පාෂාණ ලුණු ව්යුහය. ඒවා අතර, wurtzite ව්යුහය වඩාත් ස්ථායී ස්ඵටික ව්යුහය වේ. රූප සටහන 2 යනු GaN හි ෂඩාස්‍රාකාර wurtzite ව්‍යුහයේ රූප සටහනකි. GaN ද්‍රව්‍යයේ wurtzite ව්යුහය ෂඩාස්‍රාකාර සමීප ඇසුරුම් ව්‍යුහයකට අයත් වේ. සෑම ඒකක සෛලයකටම N පරමාණු 6ක් සහ Ga පරමාණු 6ක් ඇතුළුව පරමාණු 12ක් ඇත. සෑම Ga (N) පරමාණුවක්ම ආසන්නතම N (Ga) පරමාණු 4 සමඟ බන්ධනයක් සාදන අතර ABABAB අනුපිළිවෙලට ... [0001] දිශාව ඔස්සේ [2] ගොඩගැසී ඇත.
රූපය 2 Wurtzite ව්යුහය GaN ස්ඵටික සෛල රූප සටහන
III GaN epitaxy සඳහා බහුලව භාවිතා වන උපස්ථර
GaN උපස්ථර මත සමජාතීය epitaxy GaN epitaxy සඳහා හොඳම තේරීම බව පෙනේ. කෙසේ වෙතත්, GaN හි විශාල බන්ධන ශක්තිය හේතුවෙන්, උෂ්ණත්වය 2500℃ ද්රවාංකය කරා ළඟා වන විට, එහි අනුරූප වියෝජන පීඩනය 4.5GPa පමණ වේ. මෙම පීඩනයට වඩා වියෝජන පීඩනය අඩු වූ විට, GaN දිය නොවන නමුත් සෘජුවම දිරාපත් වේ. මෙමගින් GaN තනි ස්ඵටික උපස්ථර සකස් කිරීම සඳහා Czochralski ක්රමය වැනි පරිණත උපස්ථර සකස් කිරීමේ තාක්ෂණයන් නුසුදුසු වන අතර, GaN උපස්ථර විශාල වශයෙන් නිෂ්පාදනය කිරීමට අපහසු වන අතර මිල අධික වේ. එබැවින්, GaN epitaxial වර්ධනයේදී බහුලව භාවිතා වන උපස්ථර වන්නේ ප්රධාන වශයෙන් Si, SiC, sapphire යනාදියයි [3].
ප්රස්ථාර 3 GaN සහ බහුලව භාවිතා වන උපස්ථර ද්රව්යවල පරාමිතීන්
නිල් මැණික් මත GaN epitaxy
Sapphire සතුව ස්ථායී රසායනික ගුණ ඇත, ලාභදායී වන අතර මහා පරිමාණ නිෂ්පාදන කර්මාන්තයේ ඉහළ පරිණතභාවයක් ඇත. එබැවින්, එය අර්ධ සන්නායක උපාංග ඉංජිනේරු විද්‍යාවේ මුල්ම සහ බහුලව භාවිතා වන උපස්ථර ද්‍රව්‍යයක් බවට පත්ව ඇත. GaN epitaxy සඳහා බහුලව භාවිතා වන උපස්ථරයක් ලෙස, නිල් මැණික් උපස්ථර සඳහා විසඳිය යුතු ප්රධාන ගැටළු වනුයේ:
✔ නිල් මැණික් (Al2O3) සහ GaN (15% පමණ) අතර විශාල දැලිස් නොගැලපීම හේතුවෙන්, epitaxial ස්ථරය සහ උපස්ථරය අතර අතුරු මුහුණතේ දෝෂ ඝනත්වය ඉතා ඉහළය. එහි අහිතකර බලපෑම් අඩු කිරීම සඳහා, epitaxy ක්රියාවලිය ආරම්භ වීමට පෙර උපස්ථරය සංකීර්ණ පූර්ව ප්රතිකාරයකට ලක් කළ යුතුය. නිල් මැණික් උපස්ථර මත GaN epitaxy වර්ධනය කිරීමට පෙර, දූෂක, අවශේෂ ඔප දැමීමේ හානි ආදිය ඉවත් කිරීමට සහ පියවර සහ පියවර මතුපිට ව්‍යුහයන් නිෂ්පාදනය කිරීමට උපස්ථර මතුපිට ප්‍රථමයෙන් දැඩි ලෙස පිරිසිදු කළ යුතුය. එවිට, epitaxial ස්ථරයේ තෙත් කිරීමේ ගුණ වෙනස් කිරීම සඳහා උපස්ථර මතුපිට නයිට්රයිඩ කරනු ලැබේ. අවසාන වශයෙන්, තුනී AlN බෆර තට්ටුවක් (සාමාන්‍යයෙන් 10-100nm ඝනකම) උපස්ථර මතුපිට තැන්පත් කළ යුතු අතර අවසාන epitaxial වර්ධනය සඳහා සූදානම් වීම සඳහා අඩු උෂ්ණත්වයකදී ඇනීල් කළ යුතුය. එසේ වුවද, නිල් මැණික් උපස්ථර මත වැඩෙන GaN epitaxial චිත්‍රපටවල විස්ථාපන ඝණත්වය තවමත් homoepitaxial චිත්‍රපටවලට වඩා වැඩිය (1010cm-2 පමණ, සිලිකන් homoepitaxial චිත්‍රපටවල හෝ gallium arsenide homoepitaxial චිත්‍රපටවල සාරභූත ශුන්‍ය විස්ථාපනය ඝනත්වය හා සසඳන විට 2) ඉහළ දෝෂ ඝනත්වය වාහක සංචලනය අඩු කරයි, එමගින් සුළුතර වාහක ආයු කාලය කෙටි කිරීම සහ තාප සන්නායකතාවය අඩු කරයි, මේ සියල්ල උපාංග කාර්ය සාධනය අඩු කරයි [4];
✔ නිල් මැණික්වල තාප ප්රසාරණ සංගුණකය GaN වලට වඩා වැඩි බැවින් තැන්පත් උෂ්ණත්වයේ සිට කාමර උෂ්ණත්වය දක්වා සිසිලනය කිරීමේ ක්‍රියාවලියේදී epitaxial ස්ථරයේ biaxial සම්පීඩ්‍යතා ආතතිය ජනනය වේ. ඝනකම ඇති epitaxial පටල සඳහා, මෙම ආතතිය චිත්රපටයේ හෝ උපස්ථරයේ පවා ඉරිතැලීමට හේතු විය හැක;
✔ අනෙකුත් උපස්ථර සමඟ සසඳන විට, නිල් මැණික් උපස්ථරවල තාප සන්නායකතාවය අඩුය (100℃ දී 0.25W*cm-1*K-1 පමණ), සහ තාපය විසුරුවා හැරීමේ කාර්ය සාධනය දුර්වලය;
✔ එහි දුර්වල සන්නායකතාවය හේතුවෙන් නිල් මැණික් උපස්ථර අනෙකුත් අර්ධ සන්නායක උපාංග සමඟ ඒකාබද්ධ කිරීමට සහ යෙදීමට හිතකර නොවේ.
නිල් මැණික් උපස්ථර මත වැඩෙන GaN epitaxial ස්ථර වල දෝෂ ඝනත්වය ඉහළ වුවද, එය GaN මත පදනම් වූ නිල්-කොළ LED වල දෘශ්‍ය ඉලෙක්ට්රොනික ක්‍රියාකාරිත්වය සැලකිය යුතු ලෙස අඩු කරන බවක් නොපෙනේ, එබැවින් නිල් මැණික් උපස්ථර තවමත් GaN මත පදනම් වූ LED සඳහා බහුලව භාවිතා වන උපස්ථර වේ.
ලේසර් හෝ වෙනත් අධි-ඝනත්ව බල උපාංග වැනි GaN උපාංගවල නව යෙදුම් වැඩි දියුණු කිරීමත් සමඟ, නිල් මැණික් උපස්ථරවල ආවේනික දෝෂ වැඩි වැඩියෙන් ඒවායේ යෙදුමේ සීමාවක් බවට පත්ව ඇත. මීට අමතරව, SiC උපස්ථර වර්ධන තාක්ෂණය, පිරිවැය අඩු කිරීම සහ Si උපස්ථර මත GaN epitaxial තාක්ෂණය පරිණත වීමත් සමඟ, නිල් මැණික් උපස්ථර මත වැඩෙන GaN epitaxial ස්ථර පිළිබඳ වැඩිදුර පර්යේෂණ ක්‍රමයෙන් සිසිලන ප්‍රවණතාවක් පෙන්නුම් කර ඇත.
SiC මත GaN epitaxy
නිල් මැණික් හා සසඳන විට, SiC උපස්ථර (4H- සහ 6H-ස්ඵටික) GaN epitaxial ස්ථර සමග කුඩා දැලිස් නොගැලපීමක් ඇත (3.1%, [0001] දිශානුගත epitaxial පටල වලට සමාන), ඉහළ තාප සන්නායකතාව (3.8W*cm-1*K පමණ -1), ආදිය. මීට අමතරව, SiC උපස්ථරවල සන්නායකතාවය උපස්ථරයේ පිටුපස විද්යුත් සම්බන්ධතා ඇති කිරීමට ඉඩ සලසයි, එය උපාංග ව්යුහය සරල කිරීමට උපකාරී වේ. මෙම වාසි වල පැවැත්ම සිලිකන් කාබයිඩ් උපස්ථර මත GaN epitaxy මත වැඩ කිරීමට වැඩි වැඩියෙන් පර්යේෂකයන් ආකර්ෂණය කර ඇත.
කෙසේ වෙතත්, වර්ධනය වන GaN එපිලේයර් වළක්වා ගැනීම සඳහා SiC උපස්ථර මත කෙලින්ම වැඩ කිරීම පහත සඳහන් දෑ ඇතුළුව අවාසි මාලාවකට ද මුහුණ දෙයි:
✔ SiC උපස්ථරවල පෘෂ්ඨීය රළුබව නිල් මැණික් උපස්ථරවලට වඩා බෙහෙවින් වැඩිය (නිල් මැණික් රළුබව 0.1nm RMS, SiC රළුබව 1nm RMS), SiC උපස්ථරවල ඉහළ දෘඪතාව සහ දුර්වල සැකසුම් කාර්ය සාධනය ඇති අතර, මෙම රළුබව සහ අවශේෂ ඔප දැමීමේ හානිය ද එකකි. GaN එපිලේයර් වල දෝෂ වල මූලාශ්‍ර.
✔ SiC උපස්ථරවල ඉස්කුරුප්පු විස්ථාපනය ඝනත්වය ඉහළයි (විස්ථාපන ඝනත්වය 103-104cm-2), ඉස්කුරුප්පු විස්ථාපනය GaN epilayer වෙත ප්‍රචාරණය විය හැකි අතර උපාංග ක්‍රියාකාරිත්වය අඩු කරයි;
✔ උපස්ථර පෘෂ්ඨයේ ඇති පරමාණුක සැකැස්ම GaN epilayer හි ගොඩගැසීමේ දෝෂ (BSF) සෑදීමට හේතු වේ. SiC උපස්ථර මත epitaxial GaN සඳහා, උපස්ථරය මත බහුවිධ පරමාණුක සැකැස්මේ ඇණවුම් ඇත, එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස එය මත ඇති epitaxial GaN ස්ථරයේ අනනුකූල ආරම්භක පරමාණුක ස්ටැකිං අනුපිළිවෙලක් ඇති වන අතර එය දෝෂ ගොඩගැසීමට ඉඩ ඇත. Stacking faults (SFs) c-axis ඔස්සේ බිල්ට් විද්යුත් ක්ෂේත්‍ර හඳුන්වා දෙයි, ගුවන් යානය තුළ වාහක වෙන් කිරීමේ උපාංග කාන්දු වීම වැනි ගැටළු වලට මග පාදයි;
✔ SiC උපස්ථරයේ තාප ප්රසාරණ සංගුණකය AlN සහ GaN වලට වඩා කුඩා වන අතර, සිසිලන ක්‍රියාවලියේදී epitaxial ස්ථරය සහ උපස්ථරය අතර තාප ආතති සමුච්චය වීමට හේතු වේ. Waltereit සහ Brand ඔවුන්ගේ පර්යේෂණ ප්‍රතිඵල මත පදනම්ව පුරෝකථනය කර ඇත්තේ තුනී, සුසංයෝගීව වික්‍රියා කරන ලද AlN න්‍යෂ්ටික ස්ථර මත GaN epitaxial ස්ථර වර්ධනය කිරීමෙන් මෙම ගැටලුව සමනය කර හෝ විසඳාගත හැකි බවයි;
✔ Ga පරමාණු වල දුර්වල තෙත් බව පිළිබඳ ගැටළුව. SiC පෘෂ්ඨය මත GaN epitaxial ස්ථර සෘජුවම වැඩෙන විට, පරමාණු දෙක අතර දුර්වල තෙත් බව හේතුවෙන්, GaN උපස්ථර මතුපිට 3D දූපත් වර්ධනයට ගොදුරු වේ. GaN epitaxy හි ඇති epitaxial ද්රව්යවල ගුණාත්මක භාවය වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා බහුලව භාවිතා වන විසඳුම වන්නේ බෆර් ස්ථරයක් හඳුන්වා දීමයි. AlN හෝ AlxGa1-xN බෆර ස්ථරයක් හඳුන්වා දීමෙන් SiC පෘෂ්ඨයේ තෙත් බව ඵලදායී ලෙස වැඩිදියුණු කළ හැකි අතර GaN epitaxial ස්ථරය මාන දෙකකින් වර්ධනය විය හැක. ඊට අමතරව, එය ආතතිය නියාමනය කළ හැකි අතර උපස්ථර දෝෂ GaN epitaxy දක්වා පැතිරීම වැළැක්විය හැකිය;
✔ SiC උපස්ථර සකස් කිරීමේ තාක්ෂණය නොමේරූ ය, උපස්ථර පිරිවැය ඉහළ ය, සහ සැපයුම්කරුවන් ස්වල්පයක් සහ කුඩා සැපයුමක් ඇත.
Torres et al.ගේ පර්යේෂණයෙන් පෙන්නුම් කරන්නේ එපිටැක්සි වලට පෙර SiC උපස්ථරය H2 සමඟ ඉහළ උෂ්ණත්වයකදී (1600°C) කැටයම් කිරීමෙන් උපස්ථර මතුපිට වඩාත් ඇණවුම් කළ පියවර ව්‍යුහයක් නිපදවිය හැකි අතර එමඟින් එය සෘජුව පවතින විට වඩා උසස් තත්ත්වයේ AlN epitaxial පටලයක් ලබා ගත හැකි බවයි. මුල් උපස්ථර මතුපිට වර්ධනය වේ. Xie සහ ඔහුගේ කණ්ඩායමේ පර්යේෂණවලින් පෙන්නුම් කරන්නේ සිලිකන් කාබයිඩ් උපස්ථරය පෙර සැකසීමෙන් GaN epitaxial ස්ථරයේ මතුපිට රූප විද්‍යාව සහ ස්ඵටික ගුණය සැලකිය යුතු ලෙස වැඩිදියුණු කළ හැකි බවයි. ස්මිත් සහ අල්. උපස්ථරය/බෆර් ස්තරය සහ බෆර ස්තරය/පිටාක්සීය ස්ථර අතුරුමුහුණත් වලින් ආරම්භ වන නූල් විස්ථාපනය උපස්ථරයේ සමතලාතාවයට සම්බන්ධ බව සොයා ගන්නා ලදී [5].
රූප සටහන 4 විවිධ පෘෂ්ඨීය ප්රතිකාර තත්ත්ව යටතේ (අ) රසායනික පිරිසිදු කිරීම යටතේ 6H-SiC උපස්ථරය (0001) මත වගා කරන ලද GaN epitaxial ස්ථර සාම්පලවල TEM රූප විද්‍යාව; (ආ) රසායනික පිරිසිදු කිරීම + හයිඩ්රජන් ප්ලාස්මා ප්රතිකාර; (ඇ) රසායනික පිරිසිදු කිරීම + හයිඩ්රජන් ප්ලාස්මා ප්රතිකාර + 1300℃ හයිඩ්රජන් තාප පිරියම් කිරීම විනාඩි 30ක් සඳහා
Si මත GaN epitaxy
සිලිකන් කාබයිඩ්, නිල් මැණික් සහ අනෙකුත් උපස්ථර සමඟ සසඳන විට, සිලිකන් උපස්ථර සකස් කිරීමේ ක්රියාවලිය පරිණත වන අතර, ඉහළ පිරිවැය කාර්ය සාධනයක් සහිත පරිණත විශාල ප්රමාණයේ උපස්ථර ස්ථාවර ලෙස සැපයිය හැකිය. ඒ අතරම, තාප සන්නායකතාවය සහ විද්යුත් සන්නායකතාවය යහපත් වන අතර, Si ඉලෙක්ට්රොනික උපාංග ක්රියාවලිය පරිණත වේ. අනාගතයේදී Si ඉලෙක්ට්රොනික උපාංග සමඟ optoelectronic GaN උපාංග පරිපූර්ණ ලෙස ඒකාබද්ධ කිරීමේ හැකියාව සිලිකන් මත GaN epitaxy වර්ධනය ඉතා ආකර්ශනීය කරයි.
කෙසේ වෙතත්, Si උපස්ථරය සහ GaN ද්රව්ය අතර දැලිස් නියතයේ විශාල වෙනස නිසා, Si උපස්ථරය මත GaN හි විෂමජාතීය epitaxy සාමාන්‍ය විශාල නොගැලපීම epitaxy වන අතර, එය ගැටළු මාලාවකටද මුහුණ දිය යුතුය:
✔ මතුපිට අතුරු මුහුණත බලශක්ති ගැටළුව. Si උපස්ථරයක් මත GaN වැඩෙන විට, Si උපස්ථරයේ මතුපිට ප්‍රථමයෙන් නයිට්රයිඩ කර ඉහළ ඝනත්ව GaN හි න්‍යෂ්ටියට සහ වර්ධනයට හිතකර නොවන අස්ඵටික සිලිකන් නයිට්රයිඩ් ස්ථරයක් සාදයි. ඊට අමතරව, Si මතුපිට ප්‍රථමයෙන් Ga හා සම්බන්ධ වන අතර, එය Si උපස්ථරයේ මතුපිට විඛාදනයට ලක් කරයි. ඉහළ උෂ්ණත්වවලදී, Si පෘෂ්ඨයේ වියෝජනය කළු සිලිකන් ලප සෑදීමට GaN epitaxial ස්ථරයට විහිදේ.
✔ GaN සහ Si අතර දැලිස් නියත නොගැලපීම විශාල වේ (~ 17%), එය ඉහළ ඝනත්ව නූල් විස්ථාපනය සෑදීමට හේතු වන අතර එපිටාක්සියල් ස්ථරයේ ගුණාත්මක භාවය සැලකිය යුතු ලෙස අඩු කරයි;
✔ Si හා සසඳන විට, GaN හි විශාල තාප ප්රසාරණ සංගුණකයක් ඇත (GaN හි තාප ප්රසාරණ සංගුණකය 5.6×10-6K-1 පමණ වේ, Si හි තාප ප්රසාරණ සංගුණකය 2.6×10-6K-1 පමණ වේ), සහ GaN හි ඉරිතැලීම් ඇති විය හැක. epitaxial උෂ්ණත්වයේ උෂ්ණත්වයේ උෂ්ණත්වයේ සිසිලනය අතරතුර epitaxial ස්ථරය;
✔ බහු ස්ඵටික SiNx සෑදීමට Si ඉහළ උෂ්ණත්වවලදී NH3 සමඟ ප්රතික්රියා කරයි. AlN හට බහු ස්ඵටික SiNx මත මනාප දිශානුගත න්‍යෂ්ටියක් සෑදිය නොහැක, එය පසුව වර්ධනය වූ GaN ස්ථරයේ අක්‍රමික දිශානතියකට සහ ඉහළ දෝෂ සංඛ්‍යාවකට මග පාදයි, එහි ප්‍රතිඵලයක් ලෙස GaN epitaxial ස්ථරයේ දුර්වල ස්ඵටික ගුණාත්මක භාවය සහ තනි-ස්ඵටිකයක් සෑදීමේ දුෂ්කරතාව පවා ඇති වේ. GaN epitaxial ස්ථරය [6].
විශාල දැලිස් නොගැලපීම පිළිබඳ ගැටළුව විසඳීම සඳහා, පර්යේෂකයන් Si උපස්ථර මත බෆර ස්ථර ලෙස AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO සහ SiC වැනි ද්රව්ය හඳුන්වා දීමට උත්සාහ කර ඇත. බහු ස්ඵටිකරූපී SiNx සෑදීම වැළැක්වීම සඳහා සහ GaN/AlN/Si (111) ද්රව්යවල ස්ඵටික ගුණයට එහි අහිතකර බලපෑම් අවම කිරීම සඳහා, AlN බෆර ස්ථරයේ epitaxial වර්ධනයට පෙර TMAl සාමාන්‍යයෙන් නිශ්චිත කාලයක් සඳහා හඳුන්වා දීම අවශ්‍ය වේ. NH3 නිරාවරණ Si මතුපිට සමග ප්රතික්රියා කිරීමෙන් SiNx සෑදීම වැළැක්වීමට. මීට අමතරව, epitaxial ස්ථරයේ ගුණාත්මක භාවය වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා රටා උපස්ථර තාක්ෂණය වැනි epitaxial තාක්ෂණයන් භාවිතා කළ හැක. මෙම තාක්ෂණයන් දියුණු කිරීම epitaxial අතුරුමුහුණතෙහි SiNx ගොඩනැගීමට බාධා කිරීමටත්, GaN epitaxial ස්ථරයේ ද්විමාන වර්ධනය ප්‍රවර්ධනය කිරීමටත්, epitaxial ස්ථරයේ වර්ධන තත්ත්වය වැඩිදියුණු කිරීමටත් උපකාරී වේ. මීට අමතරව, සිලිකන් උපස්ථරය මත GaN epitaxial ස්ථරයේ ඉරිතැලීම් වළක්වා ගැනීම සඳහා තාප ප්රසාරණ සංගුණකවල වෙනස නිසා ඇතිවන ආතන්ය ආතතියට වන්දි ගෙවීම සඳහා AlN බෆර් ස්ථරයක් හඳුන්වා දෙනු ලැබේ. ක්‍රොස්ට්ගේ පර්යේෂණයෙන් පෙන්නුම් කරන්නේ AlN බෆර ස්ථරයේ ඝනකම සහ වික්‍රියා අඩුවීම අතර ධනාත්මක සහසම්බන්ධයක් ඇති බවයි. ස්වාරක්ෂක ස්ථරයේ ඝනකම 12nm දක්වා ළඟා වූ විට, epitaxial ස්ථර ඉරිතැලීමකින් තොරව සුදුසු වර්ධන යෝජනා ක්‍රමයක් හරහා සිලිකන් උපස්ථරයක් මත 6μm ට වඩා ඝනකම ඇති epitaxial ස්ථරයක් වගා කළ හැක.
පර්යේෂකයන්ගේ දිගුකාලීන උත්සාහයෙන් පසුව, සිලිකන් උපස්ථර මත වගා කරන ලද GaN epitaxial ස්ථරවල ගුණාත්මක භාවය සැලකිය යුතු ලෙස වැඩිදියුණු වී ඇති අතර, ක්ෂේත්‍ර ආචරණ ට්රාන්සිස්ටර, Schottky බාධක පාරජම්බුල අනාවරක, නිල්-කොළ LED සහ පාරජම්බුල ලේසර් වැනි උපාංග සැලකිය යුතු ප්‍රගතියක් ලබා ඇත.
සාරාංශයක් ලෙස, පොදුවේ භාවිතා වන GaN epitaxial උපස්ථර සියල්ලම විෂමජාතීය epitaxy වන බැවින්, ඒවා සියල්ලම දැලිස් නොගැලපීම සහ විවිධ මට්ටම් දක්වා තාප ප්රසාරණ සංගුණකවල විශාල වෙනස්කම් වැනි පොදු ගැටළු වලට මුහුණ දෙයි. සමජාතීය epitaxial GaN උපස්ථර තාක්‍ෂණයේ පරිණතභාවයෙන් සීමා වී ඇති අතර උපස්ථර තවමත් මහා පරිමාණයෙන් නිෂ්පාදනය කර නොමැත. නිෂ්පාදන පිරිවැය ඉහළ ය, උපස්ථර ප්‍රමාණය කුඩා වන අතර උපස්ථරයේ ගුණාත්මක භාවය සුදුසු නොවේ. නව GaN epitaxial උපස්ථර සංවර්ධනය කිරීම සහ epitaxial ගුණාත්මක භාවය වැඩිදියුණු කිරීම තවමත් GaN epitaxial කර්මාන්තයේ තවදුරටත් සංවර්ධනය සීමා කරන වැදගත් සාධකවලින් එකකි.
IV. GaN epitaxy සඳහා පොදු ක්රම
MOCVD (රසායනික වාෂ්ප තැන්පත් වීම)
GaN උපස්ථර මත සමජාතීය epitaxy GaN epitaxy සඳහා හොඳම තේරීම බව පෙනේ. කෙසේ වෙතත්, රසායනික වාෂ්ප තැන්පත් වීමේ පූර්වගාමීන් ට්‍රයිමෙතිල්ගාලියම් සහ ඇමෝනියා වන අතර වාහක වායුව හයිඩ්රජන් වන බැවින් සාමාන්‍ය MOCVD වර්ධන උෂ්ණත්වය 1000-1100℃ පමණ වන අතර MOCVD හි වර්ධන වේගය පැයකට මයික්‍රෝන කිහිපයක් පමණ වේ. එය පරමාණුක මට්ටමින් දැඩි අතුරුමුහුණත් නිපදවිය හැකි අතර එය වර්ධනය වන විෂම සන්ධි, ක්වොන්ටම් ළිං, සුපිරි දැලිස් සහ අනෙකුත් ව්‍යුහයන් සඳහා ඉතා යෝග්‍ය වේ. එහි වේගවත් වර්ධන වේගය, හොඳ ඒකාකාරී බව සහ විශාල ප්‍රදේශ සහ බහු-කෑලි වර්ධනය සඳහා යෝග්‍යතාවය කාර්මික නිෂ්පාදනයේදී බොහෝ විට භාවිතා වේ.
MBE (අණුක කදම්භ එපිටැක්සි)
අණුක කදම්භ epitaxy වලදී, Ga මූලද්‍රව්‍ය ප්‍රභවයක් භාවිතා කරන අතර RF ප්ලාස්මා හරහා ක්‍රියාකාරී නයිට්‍රජන් නයිට්‍රජන් වලින් ලබා ගනී. MOCVD ක්රමය හා සසඳන විට, MBE වර්ධන උෂ්ණත්වය 350-400℃ පමණ අඩු වේ. අඩු වර්ධන උෂ්ණත්වය ඉහළ උෂ්ණත්ව පරිසරයන් නිසා ඇති විය හැකි ඇතැම් දූෂණ වළක්වා ගත හැකිය. MBE පද්ධතිය අධි-ඉහළ රික්තකයක් යටතේ ක්‍රියාත්මක වන අතර එමඟින් වඩාත් ස්ථානගත හඳුනාගැනීමේ ක්රම ඒකාබද්ධ කිරීමට ඉඩ සලසයි. ඒ අතරම, එහි වර්ධන වේගය සහ නිෂ්පාදන ධාරිතාව MOCVD සමඟ සැසඳිය නොහැකි අතර එය විද්‍යාත්මක පර්යේෂණවල දී වැඩි වශයෙන් භාවිතා වේ [7].
Figure 5 (a) Eiko-MBE ක්‍රමානුකුල (b) MBE ප්රධාන ප්රතික්රියා කුටීර ක්‍රමානුකුල
HVPE ක්රමය (හයිඩ්‍රයිඩ් වාෂ්ප අදියර epitaxy)
හයිඩ්‍රයිඩ් වාෂ්ප අදියර epitaxy ක්‍රමයේ පූර්වගාමීන් GaCl3 සහ NH3 වේ. Detchprohm et al. නිල් මැණික් උපස්ථරයක මතුපිට මයික්‍රෝන සිය ගණනක් ඝනකම GaN epitaxial ස්ථරයක් වර්ධනය කිරීමට මෙම ක්රමය භාවිතා කරන ලදී. ඔවුන්ගේ අත්හදා බැලීමේදී, නිල් මැණික් උපස්ථරය සහ epitaxial ස්ථරය අතර ZnO ස්ථරයක් ස්වාරක්ෂක ස්ථරයක් ලෙස වගා කරන ලද අතර, උපස්ථර මතුපිටින් epitaxial ස්ථරය ඉවත් කරන ලදී. MOCVD සහ MBE සමඟ සසඳන විට, HVPE ක්‍රමයේ ප්රධාන ලක්ෂණය වන්නේ එහි ඉහළ වර්ධන වේගය වන අතර එය ඝන ස්ථර සහ තොග ද්රව්ය නිෂ්පාදනය සඳහා සුදුසු වේ. කෙසේ වෙතත්, epitaxial ස්ථරයේ ඝනකම 20μm ඉක්මවන විට, මෙම ක්රමය මගින් නිපදවන epitaxial ස්ථරය ඉරිතැලීම් වලට ගොදුරු වේ.
Akira USUI මෙම ක්රමය මත පදනම් වූ රටා උපස්ථර තාක්ෂණය හඳුන්වා දෙන ලදී. ඔවුන් මුලින්ම MOCVD ක්රමය භාවිතයෙන් නිල් මැණික් උපස්ථරයක් මත තුනී 1-1.5μm ඝන GaN epitaxial ස්ථරයක් වර්ධනය කරන ලදී. epitaxial ස්ථරය සමන්විත වූයේ අඩු උෂ්ණත්ව තත්ත්ව යටතේ වගා කරන ලද 20nm ඝන GaN බෆර ස්ථරයකින් සහ ඉහළ උෂ්ණත්ව තත්ත්ව යටතේ වැඩුණු GaN ස්ථරයකිනි. ඉන්පසුව, 430℃ දී, එපිටාක්සියල් ස්ථරයේ මතුපිට SiO2 තට්ටුවක් ආලේප කරන ලද අතර, ඡායාරූප ශිලාලේඛන මගින් SiO2 පටලය මත කවුළු ඉරි සාදන ලදී. තීරු පරතරය 7μm වූ අතර ආවරණ පළල 1μm සිට 4μm දක්වා පරාසයක පවතී. මෙම වැඩිදියුණු කිරීමෙන් පසුව, ඝනකම මයික්‍රෝන සිය ගණනක් දක්වා වැඩි වූ විට පවා ඉරිතැලීම් රහිත සහ කැඩපතක් මෙන් සිනිඳු වූ අඟල් 2 ක විෂ්කම්භයක් සහිත නිල් මැණික් උපස්ථරයක් මත GaN epitaxial ස්ථරයක් ලබා ගත්හ. දෝෂ ඝනත්වය සම්ප්‍රදායික HVPE ක්‍රමයේ 109-1010cm-2 සිට 6×107cm-2 දක්වා අඩු කරන ලදී. වර්ධන වේගය 75μm/h ඉක්මවන විට නියැදි මතුපිට රළු වන බව ද ඔවුන් අත්හදා බැලීමේ දී පෙන්වා දී ඇත[8].
රූපය 6 චිත්රක උපස්ථර ක්රමාංකය
V. සාරාංශය සහ ඉදිරි දැක්ම
GaN ද්රව්ය මතුවීමට පටන් ගත්තේ 2014 දී නිල් ආලෝකය LED එම වසරේ භෞතික විද්‍යාව සඳහා නොබෙල් ත්‍යාගය දිනාගත් විට සහ පාරිභෝගික ඉලෙක්ට්රොනික ක්ෂේත්රයේ වේගවත් ආරෝපණ යෙදුම් පිළිබඳ මහජන ක්ෂේත්‍රයට ඇතුළු වූ විටය. ඇත්ත වශයෙන්ම, බොහෝ දෙනෙකුට නොපෙනෙන බල ඇම්ප්ලිෆයර් සහ 5G පදනම් මධ්‍යස්ථානවල භාවිතා කරන RF උපාංගවල යෙදුම් ද නිහඬව මතු වී ඇත. මෑත වසරවලදී, GaN මත පදනම් වූ මෝටර් රථ ශ්‍රේණියේ බල උපාංගවල ඉදිරි ගමන GaN ද්රව්ය යෙදුම් වෙළඳපොළ සඳහා නව වර්ධන ලක්ෂ්‍යයන් විවෘත කරනු ඇතැයි අපේක්ෂා කෙරේ.
විශාල වෙළඳපල ඉල්ලුම නිසැකවම GaN ආශ්‍රිත කර්මාන්ත සහ තාක්‍ෂණ සංවර්ධනය ප්‍රවර්ධනය කරනු ඇත. GaN ආශ්‍රිත කාර්මික දාමයේ පරිණතභාවය සහ වැඩිදියුණු කිරීමත් සමඟ, වර්තමාන GaN epitaxial තාක්ෂණය මුහුණ දෙන ගැටළු අවසානයේ වැඩිදියුණු වී හෝ ජය ගනු ඇත. අනාගතයේදී, මිනිසුන් නිසැකවම තවත් නව epitaxial තාක්ෂණයන් සහ වඩාත් විශිෂ්ට උපස්ථර විකල්ප සංවර්ධනය කරනු ඇත. ඒ වන විට, යෙදුම් අවස්ථා වල ලක්ෂණ අනුව විවිධ යෙදුම් අවස්ථා සඳහා වඩාත් සුදුසු බාහිර පර්යේෂණ තාක්ෂණය සහ උපස්ථරය තෝරා ගැනීමටත්, වඩාත් තරඟකාරී අභිරුචිකරණය කළ නිෂ්පාදන නිෂ්පාදනය කිරීමටත් මිනිසුන්ට හැකි වනු ඇත.
පසු කාලය: ජූනි-28-2024