மூன்றாம் தலைமுறை குறைக்கடத்தி GaN மற்றும் தொடர்புடைய எபிடாக்சியல் தொழில்நுட்பம் சுருக்கமான அறிமுகம்

1. மூன்றாம் தலைமுறை குறைக்கடத்திகள்

முதல் தலைமுறை குறைக்கடத்தி தொழில்நுட்பம் Si மற்றும் Ge போன்ற குறைக்கடத்தி பொருட்களின் அடிப்படையில் உருவாக்கப்பட்டது. இது டிரான்சிஸ்டர்கள் மற்றும் ஒருங்கிணைந்த சுற்று தொழில்நுட்பத்தின் வளர்ச்சிக்கான பொருள் அடிப்படையாகும். முதல் தலைமுறை குறைக்கடத்தி பொருட்கள் 20 ஆம் நூற்றாண்டில் மின்னணு தொழில்துறைக்கு அடித்தளம் அமைத்தன மற்றும் ஒருங்கிணைந்த மின்சுற்று தொழில்நுட்பத்திற்கான அடிப்படை பொருட்கள் ஆகும்.

இரண்டாம் தலைமுறை குறைக்கடத்தி பொருட்களில் முக்கியமாக காலியம் ஆர்சனைடு, இண்டியம் பாஸ்பைடு, காலியம் பாஸ்பைடு, இண்டியம் ஆர்சனைடு, அலுமினியம் ஆர்சனைடு மற்றும் அவற்றின் மும்முனை சேர்மங்கள் அடங்கும். இரண்டாம் தலைமுறை குறைக்கடத்தி பொருட்கள் ஆப்டோ எலக்ட்ரானிக் தகவல் தொழில்துறையின் அடித்தளமாகும். இந்த அடிப்படையில், விளக்கு, காட்சி, லேசர் மற்றும் ஒளிமின்னழுத்தம் போன்ற தொடர்புடைய தொழில்கள் உருவாக்கப்பட்டுள்ளன. அவை சமகால தகவல் தொழில்நுட்பம் மற்றும் ஆப்டோ எலக்ட்ரானிக் காட்சித் தொழில்களில் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.

மூன்றாம் தலைமுறை குறைக்கடத்தி பொருட்களின் பிரதிநிதி பொருட்களில் காலியம் நைட்ரைடு மற்றும் சிலிக்கான் கார்பைடு ஆகியவை அடங்கும். அவற்றின் பரந்த பேண்ட் இடைவெளி, அதிக எலக்ட்ரான் செறிவூட்டல் சறுக்கல் வேகம், அதிக வெப்ப கடத்துத்திறன் மற்றும் அதிக முறிவு புல வலிமை ஆகியவற்றின் காரணமாக, அவை உயர்-சக்தி அடர்த்தி, அதிக அதிர்வெண் மற்றும் குறைந்த-இழப்பு மின்னணு சாதனங்களைத் தயாரிக்க சிறந்த பொருட்கள். அவற்றில், சிலிக்கான் கார்பைடு சக்தி சாதனங்கள் அதிக ஆற்றல் அடர்த்தி, குறைந்த ஆற்றல் நுகர்வு மற்றும் சிறிய அளவு ஆகியவற்றின் நன்மைகளைக் கொண்டுள்ளன, மேலும் புதிய ஆற்றல் வாகனங்கள், ஒளிமின்னழுத்தங்கள், ரயில் போக்குவரத்து, பெரிய தரவு மற்றும் பிற துறைகளில் பரந்த பயன்பாட்டு வாய்ப்புகள் உள்ளன. கேலியம் நைட்ரைடு RF சாதனங்கள் அதிக அதிர்வெண், அதிக சக்தி, பரந்த அலைவரிசை, குறைந்த மின் நுகர்வு மற்றும் சிறிய அளவு ஆகியவற்றின் நன்மைகளைக் கொண்டுள்ளன, மேலும் 5G தகவல்தொடர்புகள், இன்டர்நெட் ஆஃப் திங்ஸ், இராணுவ ரேடார் மற்றும் பிற துறைகளில் பரந்த பயன்பாட்டு வாய்ப்புகள் உள்ளன. கூடுதலாக, காலியம் நைட்ரைடு அடிப்படையிலான சக்தி சாதனங்கள் குறைந்த மின்னழுத்த துறையில் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. கூடுதலாக, சமீபத்திய ஆண்டுகளில், வளர்ந்து வரும் கேலியம் ஆக்சைடு பொருட்கள் தற்போதுள்ள SiC மற்றும் GaN தொழில்நுட்பங்களுடன் தொழில்நுட்ப நிரப்புத்தன்மையை உருவாக்கும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது, மேலும் குறைந்த அதிர்வெண் மற்றும் உயர் மின்னழுத்த புலங்களில் சாத்தியமான பயன்பாட்டு வாய்ப்புகள் உள்ளன.

இரண்டாம் தலைமுறை குறைக்கடத்தி பொருட்களுடன் ஒப்பிடும்போது, ​​மூன்றாம் தலைமுறை குறைக்கடத்தி பொருட்கள் பரந்த பேண்ட்கேப் அகலத்தைக் கொண்டுள்ளன (Si இன் பேண்ட்கேப் அகலம், முதல் தலைமுறை குறைக்கடத்தி பொருளின் பொதுவான பொருளானது, GaAs இன் பேண்ட்கேப் அகலம் சுமார் 1.1eV ஆகும். இரண்டாம் தலைமுறை குறைக்கடத்தி பொருளின் பொருள், சுமார் 1.42eV, மற்றும் GaN இன் பேண்ட்கேப் அகலம், ஒரு பொதுவான பொருள் மூன்றாம் தலைமுறை குறைக்கடத்தி பொருள், 2.3eV க்கு மேல் உள்ளது), வலுவான கதிர்வீச்சு எதிர்ப்பு, மின்சார புல முறிவுக்கு வலுவான எதிர்ப்பு மற்றும் அதிக வெப்பநிலை எதிர்ப்பு. பரந்த பேண்ட்கேப் அகலம் கொண்ட மூன்றாம் தலைமுறை குறைக்கடத்தி பொருட்கள் குறிப்பாக கதிர்வீச்சு-எதிர்ப்பு, அதிக அதிர்வெண், உயர்-சக்தி மற்றும் உயர்-ஒருங்கிணைப்பு-அடர்த்தி மின்னணு சாதனங்களின் உற்பத்திக்கு ஏற்றது. மைக்ரோவேவ் ரேடியோ அலைவரிசை சாதனங்கள், எல்இடிகள், லேசர்கள், மின் சாதனங்கள் மற்றும் பிற துறைகளில் அவற்றின் பயன்பாடுகள் அதிக கவனத்தை ஈர்த்துள்ளன, மேலும் அவை மொபைல் தகவல்தொடர்புகள், ஸ்மார்ட் கிரிட்கள், ரயில் போக்குவரத்து, புதிய ஆற்றல் வாகனங்கள், நுகர்வோர் மின்னணுவியல் மற்றும் புற ஊதா மற்றும் நீலம் ஆகியவற்றில் பரந்த வளர்ச்சி வாய்ப்புகளைக் காட்டியுள்ளன. -பச்சை விளக்கு சாதனங்கள் [1].

பட ஆதாரம்: CASA, Zheshang Securities Research Institute

படம் 1 GaN சக்தி சாதன நேர அளவு மற்றும் முன்னறிவிப்பு

II GaN பொருள் அமைப்பு மற்றும் பண்புகள்

GaN ஒரு நேரடி பேண்ட்கேப் குறைக்கடத்தி. அறை வெப்பநிலையில் வூர்ட்சைட் கட்டமைப்பின் பேண்ட்கேப் அகலம் சுமார் 3.26eV ஆகும். GaN பொருட்கள் மூன்று முக்கிய படிக அமைப்புகளைக் கொண்டுள்ளன, அதாவது வூர்ட்சைட் அமைப்பு, ஸ்பேலரைட் அமைப்பு மற்றும் பாறை உப்பு அமைப்பு. அவற்றில், வூர்ட்சைட் அமைப்பு மிகவும் உறுதியான படிக அமைப்பாகும். படம் 2 என்பது GaN இன் அறுகோண வூர்ட்சைட் கட்டமைப்பின் வரைபடமாகும். GaN பொருளின் wurtzite அமைப்பு ஒரு அறுகோண நெருக்கமான-நிரம்பிய கட்டமைப்பிற்கு சொந்தமானது. ஒவ்வொரு யூனிட் செல்லிலும் 6 N அணுக்கள் மற்றும் 6 Ga அணுக்கள் உட்பட 12 அணுக்கள் உள்ளன. ஒவ்வொரு Ga (N) அணுவும் 4 அருகில் உள்ள N (Ga) அணுக்களுடன் ஒரு பிணைப்பை உருவாக்குகிறது மற்றும் ABABAB வரிசைப்படி அடுக்கி வைக்கப்படுகிறது… [0001] திசையில் [2].

படம் 2 Wurtzite அமைப்பு GaN படிக செல் வரைபடம்

III GaN எபிடாக்ஸிக்கு பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் அடி மூலக்கூறுகள்

GaN அடி மூலக்கூறுகளில் ஒரே மாதிரியான எபிடாக்சி என்பது GaN எபிடாக்ஸிக்கு சிறந்த தேர்வாகத் தெரிகிறது. இருப்பினும், GaN இன் பெரிய பிணைப்பு ஆற்றல் காரணமாக, வெப்பநிலை 2500℃ உருகுநிலையை அடையும் போது, ​​அதனுடன் தொடர்புடைய சிதைவு அழுத்தம் சுமார் 4.5GPa ஆகும். இந்த அழுத்தத்தை விட சிதைவு அழுத்தம் குறைவாக இருக்கும்போது, ​​GaN உருகாது ஆனால் நேரடியாக சிதைகிறது. இது GaN சிங்கிள் கிரிஸ்டல் அடி மூலக்கூறுகளை தயாரிப்பதற்கு Czochralski முறை போன்ற முதிர்ந்த அடி மூலக்கூறு தயாரிப்பு தொழில்நுட்பங்களை பொருத்தமற்றதாக ஆக்குகிறது, இதனால் GaN அடி மூலக்கூறுகளை வெகுஜன உற்பத்தி செய்வது கடினமாகவும் விலை உயர்ந்ததாகவும் ஆக்குகிறது. எனவே, GaN எபிடாக்சியல் வளர்ச்சியில் பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் அடி மூலக்கூறுகள் முக்கியமாக Si, SiC, சபையர் போன்றவை. [3].

விளக்கப்படம் 3 GaN மற்றும் பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் அடி மூலக்கூறு பொருட்களின் அளவுருக்கள்

சபையர் மீது GaN எபிடாக்ஸி

சபையர் நிலையான இரசாயன பண்புகளைக் கொண்டுள்ளது, மலிவானது மற்றும் பெரிய அளவிலான உற்பத்தித் துறையில் அதிக முதிர்ச்சியைக் கொண்டுள்ளது. எனவே, இது குறைக்கடத்தி சாதன பொறியியலில் ஆரம்பகால மற்றும் மிகவும் பரவலாக பயன்படுத்தப்படும் அடி மூலக்கூறு பொருட்களில் ஒன்றாக மாறியுள்ளது. GaN எபிடாக்ஸிக்கு பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் அடி மூலக்கூறுகளில் ஒன்றாக, சபையர் அடி மூலக்கூறுகளுக்குத் தீர்க்கப்பட வேண்டிய முக்கிய பிரச்சனைகள்:

✔ சபையர் (Al2O3) மற்றும் GaN (சுமார் 15%) ஆகியவற்றுக்கு இடையே உள்ள பெரிய லேட்டிஸ் பொருத்தமின்மை காரணமாக, எபிடாக்சியல் லேயர் மற்றும் அடி மூலக்கூறுக்கு இடையே உள்ள இடைமுகத்தில் குறைபாடு அடர்த்தி மிக அதிகமாக உள்ளது. அதன் பாதகமான விளைவுகளை குறைக்க, எபிடாக்ஸி செயல்முறை தொடங்கும் முன் அடி மூலக்கூறு சிக்கலான முன் சிகிச்சைக்கு உட்படுத்தப்பட வேண்டும். சபையர் அடி மூலக்கூறுகளில் GaN எபிடாக்ஸியை வளர்ப்பதற்கு முன், அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பு அசுத்தங்கள், மீதமுள்ள மெருகூட்டல் சேதம் போன்றவற்றை அகற்றவும், படிகள் மற்றும் படி மேற்பரப்பு கட்டமைப்புகளை உருவாக்கவும் கண்டிப்பாக சுத்தம் செய்யப்பட வேண்டும். பின்னர், எபிடாக்சியல் அடுக்கின் ஈரமாக்கும் பண்புகளை மாற்ற அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பு நைட்ரைட் செய்யப்படுகிறது. இறுதியாக, ஒரு மெல்லிய AlN தாங்கல் அடுக்கு (வழக்கமாக 10-100nm தடிமன்) அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் டெபாசிட் செய்யப்பட வேண்டும் மற்றும் இறுதி எபிடாக்சியல் வளர்ச்சிக்கு தயார் செய்ய குறைந்த வெப்பநிலையில் இணைக்கப்பட வேண்டும். அப்படியிருந்தும், சபையர் அடி மூலக்கூறுகளில் வளர்க்கப்படும் GaN எபிடாக்சியல் படங்களின் இடப்பெயர்வு அடர்த்தி ஹோமோபீடாக்சியல் படங்களின் (சுமார் 1010cm-2, சிலிக்கான் ஹோமோபிடாக்சியல் படங்களின் அடிப்படையில் பூஜ்ஜிய இடப்பெயர்வு அடர்த்தியுடன் ஒப்பிடும்போது அல்லது கேலியம் ஆர்சனைடு 10 மற்றும் homoepitaxial 10-க்கு இடையில் உள்ளது. 2) அதிக குறைபாடு அடர்த்தி கேரியர் இயக்கத்தை குறைக்கிறது, இதன் மூலம் சிறுபான்மை கேரியர் வாழ்நாள் குறைகிறது மற்றும் வெப்ப கடத்துத்திறனை குறைக்கிறது, இவை அனைத்தும் சாதனத்தின் செயல்திறனை குறைக்கும் [4];

✔ சபையரின் வெப்ப விரிவாக்க குணகம் GaN ஐ விட அதிகமாக உள்ளது, எனவே படிவு வெப்பநிலையில் இருந்து அறை வெப்பநிலைக்கு குளிர்விக்கும் செயல்பாட்டின் போது எபிடாக்சியல் அடுக்கில் பைஆக்சியல் அழுத்த அழுத்தம் உருவாக்கப்படும். தடிமனான எபிடாக்சியல் படங்களுக்கு, இந்த அழுத்தம் படத்தின் அல்லது அடி மூலக்கூறில் விரிசல் ஏற்படலாம்;

✔ மற்ற அடி மூலக்கூறுகளுடன் ஒப்பிடுகையில், சபையர் அடி மூலக்கூறுகளின் வெப்ப கடத்துத்திறன் குறைவாக உள்ளது (100℃ இல் சுமார் 0.25W*cm-1*K-1), மற்றும் வெப்பச் சிதறல் செயல்திறன் மோசமாக உள்ளது;

✔ மோசமான கடத்துத்திறன் காரணமாக, சபையர் அடி மூலக்கூறுகள் மற்ற குறைக்கடத்தி சாதனங்களுடன் அவற்றின் ஒருங்கிணைப்பு மற்றும் பயன்பாட்டிற்கு உகந்ததாக இல்லை.

சபையர் அடி மூலக்கூறுகளில் வளர்க்கப்படும் GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளின் குறைபாடு அடர்த்தி அதிகமாக இருந்தாலும், GaN-அடிப்படையிலான நீல-பச்சை LEDகளின் ஆப்டோ எலக்ட்ரானிக் செயல்திறனைக் கணிசமாகக் குறைப்பதாகத் தெரியவில்லை, எனவே சபையர் அடி மூலக்கூறுகள் GaN-அடிப்படையிலான LEDகளுக்கு இன்னும் பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் அடி மூலக்கூறுகளாகும்.

லேசர்கள் அல்லது பிற உயர்-அடர்த்தி சக்தி சாதனங்கள் போன்ற GaN சாதனங்களின் புதிய பயன்பாடுகளின் வளர்ச்சியுடன், சபையர் அடி மூலக்கூறுகளின் உள்ளார்ந்த குறைபாடுகள் பெருகிய முறையில் அவற்றின் பயன்பாட்டிற்கு வரம்பாக மாறியுள்ளன. கூடுதலாக, SiC அடி மூலக்கூறு வளர்ச்சி தொழில்நுட்பம், செலவு குறைப்பு மற்றும் Si அடி மூலக்கூறுகளில் GaN எபிடாக்சியல் தொழில்நுட்பத்தின் முதிர்ச்சி ஆகியவற்றின் வளர்ச்சியுடன், சபையர் அடி மூலக்கூறுகளில் GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளை வளர்ப்பது பற்றிய கூடுதல் ஆராய்ச்சி படிப்படியாக குளிர்ச்சியான போக்கைக் காட்டுகிறது.

SiC இல் GaN எபிடாக்ஸி

சபையருடன் ஒப்பிடும்போது, ​​SiC அடி மூலக்கூறுகள் (4H- மற்றும் 6H-படிகங்கள்) GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளுடன் (3.1%, [0001] சார்ந்த எபிடாக்சியல் படங்களுக்குச் சமம்), அதிக வெப்பக் கடத்துத்திறன் (சுமார் 3.8W*cm-1*K) உடன் சிறிய லேட்டிஸ் பொருத்தமின்மையைக் கொண்டுள்ளன. -1), முதலியன. கூடுதலாக, SiC அடி மூலக்கூறுகளின் கடத்துத்திறன் மின்சாரத்தையும் அனுமதிக்கிறது அடி மூலக்கூறின் பின்புறத்தில் தொடர்புகள் செய்யப்பட வேண்டும், இது சாதனத்தின் கட்டமைப்பை எளிதாக்க உதவுகிறது. இந்த நன்மைகளின் இருப்பு சிலிக்கான் கார்பைடு அடி மூலக்கூறுகளில் GaN எபிடாக்ஸியில் பணிபுரிய மேலும் மேலும் ஆராய்ச்சியாளர்களை ஈர்த்துள்ளது.

இருப்பினும், வளர்ந்து வரும் GaN எபிலேயர்களைத் தவிர்ப்பதற்காக SiC அடி மூலக்கூறுகளில் நேரடியாக வேலை செய்வது பின்வருவன உட்பட பல தீமைகளை எதிர்கொள்கிறது:

✔ SiC அடி மூலக்கூறுகளின் மேற்பரப்பு கடினத்தன்மை சபையர் அடி மூலக்கூறுகளை விட அதிகமாக உள்ளது (சபைர் கரடுமுரடான 0.1nm RMS, SiC கடினத்தன்மை 1nm RMS), SiC அடி மூலக்கூறுகள் அதிக கடினத்தன்மை மற்றும் மோசமான செயலாக்க செயல்திறன் கொண்டவை, மேலும் இந்த கடினத்தன்மை மற்றும் எஞ்சிய பாலிஷ் சேதமும் ஒன்றாகும். GaN எபிலேயர்களில் உள்ள குறைபாடுகளின் ஆதாரங்கள்.

✔ SiC அடி மூலக்கூறுகளின் திருகு இடப்பெயர்வு அடர்த்தி அதிகமாக உள்ளது (இடப்பெயர்வு அடர்த்தி 103-104cm-2), திருகு இடப்பெயர்வுகள் GaN எபிலேயரில் பரவி சாதனத்தின் செயல்திறனைக் குறைக்கலாம்;

✔ அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் உள்ள அணு ஏற்பாடு GaN எபிலேயரில் அடுக்கி வைக்கும் தவறுகளை (BSFs) உருவாக்கத் தூண்டுகிறது. SiC அடி மூலக்கூறுகளில் எபிடாக்சியல் GaN க்கு, அடி மூலக்கூறில் பல சாத்தியமான அணு ஏற்பாட்டு ஆர்டர்கள் உள்ளன, இதன் விளைவாக எபிடாக்சியல் GaN லேயரின் சீரற்ற ஆரம்ப அணு ஸ்டாக்கிங் வரிசை ஏற்படுகிறது, இது அடுக்கி வைப்பதற்கு வாய்ப்புள்ளது. ஸ்டாக்கிங் ஃபால்ட்டுகள் (SFs) c-அச்சு வழியாக உள்ளமைக்கப்பட்ட மின்சார புலங்களை அறிமுகப்படுத்துகிறது, இது விமானத்தில் உள்ள கேரியர் பிரிப்பு சாதனங்களின் கசிவு போன்ற சிக்கல்களுக்கு வழிவகுக்கிறது;

✔ SiC அடி மூலக்கூறின் வெப்ப விரிவாக்கக் குணகம் AlN மற்றும் GaN ஐ விட சிறியது, இது குளிர்ச்சியின் போது எபிடாக்சியல் அடுக்கு மற்றும் அடி மூலக்கூறுக்கு இடையே வெப்ப அழுத்தக் குவிப்பை ஏற்படுத்துகிறது. வால்டெரைட் மற்றும் பிராண்ட் அவர்களின் ஆராய்ச்சி முடிவுகளின் அடிப்படையில், மெல்லிய, ஒத்திசைவான வடிகட்டப்பட்ட AlN நியூக்ளியேஷன் அடுக்குகளில் GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளை வளர்ப்பதன் மூலம் இந்தச் சிக்கலைத் தணிக்கலாம் அல்லது தீர்க்கலாம் என்று கணித்துள்ளனர்.

✔ Ga அணுக்களின் மோசமான ஈரத்தன்மை பிரச்சனை. SiC மேற்பரப்பில் நேரடியாக GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளை வளர்க்கும் போது, ​​இரண்டு அணுக்களுக்கு இடையே உள்ள மோசமான ஈரப்பதம் காரணமாக, GaN அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் 3D தீவு வளர்ச்சிக்கு ஆளாகிறது. GaN எபிடாக்சியில் எபிடாக்சியல் பொருட்களின் தரத்தை மேம்படுத்த, ஒரு இடையக அடுக்கை அறிமுகப்படுத்துவது பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் தீர்வாகும். AlN அல்லது AlxGa1-xN இடையக அடுக்கை அறிமுகப்படுத்துவது SiC மேற்பரப்பின் ஈரத்தன்மையை திறம்பட மேம்படுத்தி GaN எபிடாக்சியல் லேயரை இரு பரிமாணங்களில் வளரச் செய்யும். கூடுதலாக, இது அழுத்தத்தைக் கட்டுப்படுத்தலாம் மற்றும் அடி மூலக்கூறு குறைபாடுகள் GaN எபிடாக்சி வரை நீடிப்பதைத் தடுக்கலாம்;

✔ SiC அடி மூலக்கூறுகளின் தயாரிப்பு தொழில்நுட்பம் முதிர்ச்சியடையாதது, அடி மூலக்கூறு விலை அதிகமாக உள்ளது, மேலும் சில சப்ளையர்கள் மற்றும் சிறிய விநியோகம் உள்ளது.

எபிடாக்ஸிக்கு முன் உயர் வெப்பநிலையில் (1600°C) SiC அடி மூலக்கூறை H2 உடன் பொறிப்பது அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் அதிக வரிசைப்படுத்தப்பட்ட படி அமைப்பை உருவாக்க முடியும், இதன் மூலம் நேரடியாக இருப்பதை விட உயர் தரமான AlN எபிடாக்சியல் படத்தைப் பெற முடியும் என்று டோரஸ் மற்றும் பலர். அசல் அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் வளர்க்கப்படுகிறது. சிலிக்கான் கார்பைடு அடி மூலக்கூறின் பொறிப்பு முன்னரே பொறிப்பது GaN எபிடாக்சியல் அடுக்கின் மேற்பரப்பு உருவ அமைப்பையும் படிகத் தரத்தையும் கணிசமாக மேம்படுத்தும் என்பதையும் Xie மற்றும் அவரது குழுவின் ஆராய்ச்சி காட்டுகிறது. ஸ்மித் மற்றும் பலர். அடி மூலக்கூறு/பஃபர் லேயர் மற்றும் பஃபர் லேயர்/எபிடாக்சியல் லேயர் இன்டர்ஃபேஸ் ஆகியவற்றிலிருந்து உருவாகும் த்ரெடிங் இடப்பெயர்வுகள் அடி மூலக்கூறின் தட்டையான தன்மையுடன் தொடர்புடையவை என்று கண்டறியப்பட்டது [5].

படம் 4 வெவ்வேறு மேற்பரப்பு சிகிச்சை நிலைமைகளின் கீழ் 6H-SiC அடி மூலக்கூறில் (0001) வளர்க்கப்படும் GaN எபிடாக்சியல் அடுக்கு மாதிரிகளின் TEM உருவவியல் (அ) இரசாயன சுத்தம்; (ஆ) இரசாயன சுத்தம் + ஹைட்ரஜன் பிளாஸ்மா சிகிச்சை; (c) இரசாயன சுத்தம் + ஹைட்ரஜன் பிளாஸ்மா சிகிச்சை + 30 நிமிடங்களுக்கு 1300℃ ஹைட்ரஜன் வெப்ப சிகிச்சை

Si மீது GaN எபிடாக்ஸி

சிலிக்கான் கார்பைடு, சபையர் மற்றும் பிற அடி மூலக்கூறுகளுடன் ஒப்பிடுகையில், சிலிக்கான் அடி மூலக்கூறு தயாரிப்பு செயல்முறை முதிர்ச்சியடைந்தது, மேலும் இது அதிக விலை செயல்திறன் கொண்ட முதிர்ந்த பெரிய அளவிலான அடி மூலக்கூறுகளை நிலையானதாக வழங்க முடியும். அதே நேரத்தில், வெப்ப கடத்துத்திறன் மற்றும் மின் கடத்துத்திறன் நல்லது, மேலும் Si மின்னணு சாதன செயல்முறை முதிர்ச்சியடைந்தது. எதிர்காலத்தில் Si மின்னணு சாதனங்களுடன் ஆப்டோ எலக்ட்ரானிக் GaN சாதனங்களை முழுமையாக ஒருங்கிணைக்கும் சாத்தியம் சிலிக்கான் மீது GaN எபிடாக்ஸியின் வளர்ச்சியை மிகவும் கவர்ச்சிகரமானதாக ஆக்குகிறது.

இருப்பினும், Si அடி மூலக்கூறுக்கும் GaN பொருளுக்கும் இடையே உள்ள லட்டு மாறிலிகளில் உள்ள பெரிய வேறுபாடு காரணமாக, Si அடி மூலக்கூறில் GaN இன் பன்முக எபிடாக்ஸி ஒரு பொதுவான பெரிய பொருந்தாத எபிடாக்ஸி ஆகும், மேலும் இது தொடர்ச்சியான சிக்கல்களை எதிர்கொள்ள வேண்டியுள்ளது:

✔ மேற்பரப்பு இடைமுக ஆற்றல் பிரச்சனை. Si அடி மூலக்கூறில் GaN வளரும்போது, ​​Si அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்பு முதலில் நைட்ரைட் செய்யப்பட்டு உருவமற்ற சிலிக்கான் நைட்ரைடு அடுக்கை உருவாக்குகிறது, இது அதிக அடர்த்தி கொண்ட GaN இன் அணுக்கரு மற்றும் வளர்ச்சிக்கு உகந்ததல்ல. கூடுதலாக, Si மேற்பரப்பு முதலில் Ga உடன் தொடர்பு கொள்ளும், இது Si அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்பை சிதைக்கும். அதிக வெப்பநிலையில், Si மேற்பரப்பின் சிதைவு GaN எபிடாக்சியல் அடுக்கில் பரவி கருப்பு சிலிக்கான் புள்ளிகளை உருவாக்கும்.

✔ GaN மற்றும் Si க்கு இடையே உள்ள லேட்டிஸ் நிலையான பொருத்தமின்மை பெரியது (~17%), இது அதிக அடர்த்தி கொண்ட த்ரெடிங் இடப்பெயர்வுகளை உருவாக்க வழிவகுக்கும் மற்றும் எபிடாக்சியல் லேயரின் தரத்தை கணிசமாகக் குறைக்கும்;

✔ Si உடன் ஒப்பிடும்போது, ​​GaN ஒரு பெரிய வெப்ப விரிவாக்கக் குணகத்தைக் கொண்டுள்ளது (GaN இன் வெப்ப விரிவாக்கக் குணகம் சுமார் 5.6×10-6K-1, Si இன் வெப்ப விரிவாக்கக் குணகம் சுமார் 2.6×10-6K-1), மேலும் GaN இல் விரிசல்கள் உருவாகலாம். அறை வெப்பநிலைக்கு எபிடாக்சியல் வெப்பநிலையின் குளிர்ச்சியின் போது எபிடாக்சியல் அடுக்கு;

✔ Si உயர் வெப்பநிலையில் NH3 உடன் வினைபுரிந்து பாலிகிரிஸ்டலின் SiNx ஐ உருவாக்குகிறது. AlN ஆனது பாலிகிரிஸ்டலின் SiNx இல் முன்னுரிமை சார்ந்த உட்கருவை உருவாக்க முடியாது, இது பின்னர் வளர்ந்த GaN லேயரின் ஒழுங்கற்ற நோக்குநிலை மற்றும் அதிக எண்ணிக்கையிலான குறைபாடுகளுக்கு வழிவகுக்கிறது, இதன் விளைவாக GaN எபிடாக்சியல் லேயரின் மோசமான படிக தரம் மற்றும் ஒற்றை-படிகத்தை உருவாக்குவதில் கூட சிரமம் ஏற்படுகிறது. GaN எபிடாக்சியல் அடுக்கு [6].

பெரிய லட்டு பொருத்தமின்மையின் சிக்கலைத் தீர்க்க, ஆராய்ச்சியாளர்கள் AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO மற்றும் SiC போன்ற பொருட்களை Si அடி மூலக்கூறுகளில் இடையக அடுக்குகளாக அறிமுகப்படுத்த முயன்றனர். பாலிகிரிஸ்டலின் SiNx உருவாவதைத் தவிர்க்க மற்றும் GaN/AlN/Si (111) பொருட்களின் படிகத் தரத்தில் அதன் பாதகமான விளைவுகளை குறைக்க, AlN இடையக அடுக்கின் எபிடாக்சியல் வளர்ச்சிக்கு முன்பு TMAl பொதுவாக ஒரு குறிப்பிட்ட காலத்திற்கு அறிமுகப்படுத்தப்பட வேண்டும். NH3 வெளிப்படும் Si மேற்பரப்புடன் வினைபுரிந்து SiNx ஐ உருவாக்குவதைத் தடுக்கும். கூடுதலாக, எபிடாக்சியல் லேயரின் தரத்தை மேம்படுத்த வடிவமைக்கப்பட்ட அடி மூலக்கூறு தொழில்நுட்பம் போன்ற எபிடாக்சியல் தொழில்நுட்பங்கள் பயன்படுத்தப்படலாம். இந்த தொழில்நுட்பங்களின் வளர்ச்சியானது எபிடாக்சியல் இடைமுகத்தில் SiNx உருவாவதைத் தடுக்கவும், GaN எபிடாக்சியல் லேயரின் இரு பரிமாண வளர்ச்சியை ஊக்குவிக்கவும் மற்றும் எபிடாக்சியல் லேயரின் வளர்ச்சி தரத்தை மேம்படுத்தவும் உதவுகிறது. கூடுதலாக, சிலிக்கான் அடி மூலக்கூறில் உள்ள GaN எபிடாக்சியல் அடுக்கில் விரிசல் ஏற்படாமல் இருக்க, வெப்ப விரிவாக்கக் குணகங்களின் வேறுபாட்டால் ஏற்படும் இழுவிசை அழுத்தத்தை ஈடுசெய்ய AlN இடையக அடுக்கு அறிமுகப்படுத்தப்பட்டது. அல்என் பஃபர் லேயரின் தடிமன் மற்றும் திரிபு குறைப்பு ஆகியவற்றுக்கு இடையே நேர்மறையான தொடர்பு இருப்பதாக க்ரோஸ்டின் ஆராய்ச்சி காட்டுகிறது. இடையக அடுக்கு தடிமன் 12nm ஐ அடையும் போது, ​​6μm ஐ விட தடிமனான எபிடாக்சியல் லேயரை ஒரு சிலிக்கான் அடி மூலக்கூறில் எபிடாக்சியல் அடுக்கு விரிசல் இல்லாமல் பொருத்தமான வளர்ச்சித் திட்டத்தின் மூலம் வளர்க்கலாம்.

ஆராய்ச்சியாளர்களின் நீண்ட கால முயற்சிகளுக்குப் பிறகு, சிலிக்கான் அடி மூலக்கூறுகளில் வளர்க்கப்படும் GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளின் தரம் கணிசமாக மேம்படுத்தப்பட்டுள்ளது, மேலும் ஃபீல்ட் எஃபெக்ட் டிரான்சிஸ்டர்கள், ஷாட்கி பேரியர் அல்ட்ரா வயலட் டிடெக்டர்கள், ப்ளூ-கிரீன் எல்இடிகள் மற்றும் புற ஊதா லேசர்கள் போன்ற சாதனங்கள் குறிப்பிடத்தக்க முன்னேற்றம் அடைந்துள்ளன.

சுருக்கமாக, பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் GaN எபிடாக்சியல் அடி மூலக்கூறுகள் அனைத்தும் பன்முக எபிடாக்ஸி என்பதால், அவை அனைத்தும் லேடிஸ் பொருத்தமின்மை மற்றும் பல்வேறு அளவுகளில் வெப்ப விரிவாக்கக் குணகங்களில் பெரிய வேறுபாடுகள் போன்ற பொதுவான சிக்கல்களை எதிர்கொள்கின்றன. ஒரே மாதிரியான எபிடாக்சியல் GaN அடி மூலக்கூறுகள் தொழில்நுட்பத்தின் முதிர்ச்சியால் வரையறுக்கப்பட்டுள்ளன, மேலும் அடி மூலக்கூறுகள் இன்னும் பெருமளவில் உற்பத்தி செய்யப்படவில்லை. உற்பத்தி செலவு அதிகமாக உள்ளது, அடி மூலக்கூறு அளவு சிறியது, மற்றும் அடி மூலக்கூறு தரம் சிறந்ததாக இல்லை. புதிய GaN எபிடாக்சியல் அடி மூலக்கூறுகளின் வளர்ச்சி மற்றும் எபிடாக்சியல் தரத்தை மேம்படுத்துதல் ஆகியவை GaN எபிடாக்சியல் தொழில்துறையின் மேலும் வளர்ச்சியைக் கட்டுப்படுத்தும் முக்கியமான காரணிகளில் ஒன்றாகும்.

IV. GaN எபிடாக்ஸிக்கான பொதுவான முறைகள்

MOCVD (ரசாயன நீராவி படிவு)

GaN அடி மூலக்கூறுகளில் ஒரே மாதிரியான எபிடாக்சி என்பது GaN எபிடாக்ஸிக்கு சிறந்த தேர்வாகத் தெரிகிறது. இருப்பினும், இரசாயன நீராவி படிவுகளின் முன்னோடிகள் டிரைமெதில்காலியம் மற்றும் அம்மோனியா மற்றும் கேரியர் வாயு ஹைட்ரஜன் என்பதால், வழக்கமான MOCVD வளர்ச்சி வெப்பநிலை சுமார் 1000-1100℃ மற்றும் MOCVD இன் வளர்ச்சி விகிதம் ஒரு மணி நேரத்திற்கு சில மைக்ரான்கள் ஆகும். இது அணு மட்டத்தில் செங்குத்தான இடைமுகங்களை உருவாக்க முடியும், இது வளரும் ஹீட்டோரோஜங்க்ஷன்கள், குவாண்டம் கிணறுகள், சூப்பர்லட்டீஸ்கள் மற்றும் பிற கட்டமைப்புகளுக்கு மிகவும் பொருத்தமானது. அதன் வேகமான வளர்ச்சி விகிதம், நல்ல சீரான தன்மை மற்றும் பெரிய பகுதி மற்றும் பல துண்டு வளர்ச்சிக்கு ஏற்றது பெரும்பாலும் தொழில்துறை உற்பத்தியில் பயன்படுத்தப்படுகிறது.
MBE (மூலக் கற்றை எபிடாக்ஸி)
மூலக்கூறு கற்றை எபிடாக்ஸியில், Ga ஒரு தனிம மூலத்தைப் பயன்படுத்துகிறது, மேலும் நைட்ரஜனில் இருந்து RF பிளாஸ்மா மூலம் செயலில் நைட்ரஜன் பெறப்படுகிறது. MOCVD முறையுடன் ஒப்பிடும்போது, ​​MBE வளர்ச்சி வெப்பநிலை சுமார் 350-400℃ குறைவாக உள்ளது. குறைந்த வளர்ச்சி வெப்பநிலை அதிக வெப்பநிலை சூழல்களால் ஏற்படக்கூடிய சில மாசுகளைத் தவிர்க்கலாம். MBE அமைப்பு அல்ட்ரா-ஹை வெற்றிடத்தின் கீழ் இயங்குகிறது, இது அதிக இடத்திலேயே கண்டறிதல் முறைகளை ஒருங்கிணைக்க அனுமதிக்கிறது. அதே நேரத்தில், அதன் வளர்ச்சி விகிதம் மற்றும் உற்பத்தி திறனை MOCVD உடன் ஒப்பிட முடியாது, மேலும் இது அறிவியல் ஆராய்ச்சியில் அதிகம் பயன்படுத்தப்படுகிறது [7].

படம் 5 (a) Eiko-MBE திட்டம் (b) MBE முக்கிய எதிர்வினை அறை திட்டம்

HVPE முறை (ஹைட்ரைடு நீராவி கட்ட எபிடாக்ஸி)
ஹைட்ரைடு நீராவி கட்ட எபிடாக்ஸி முறையின் முன்னோடிகள் GaCl3 மற்றும் NH3 ஆகும். டெட்ச்ப்ரோம் மற்றும் பலர். சபையர் அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்பில் நூற்றுக்கணக்கான மைக்ரான் தடிமனான GaN எபிடாக்சியல் அடுக்கை வளர்க்க இந்த முறையைப் பயன்படுத்தினார். அவர்களின் சோதனையில், ZnO இன் ஒரு அடுக்கு சபையர் அடி மூலக்கூறு மற்றும் எபிடாக்சியல் அடுக்குக்கு இடையில் ஒரு தாங்கல் அடுக்காக வளர்க்கப்பட்டது, மேலும் எபிடாக்சியல் அடுக்கு அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் இருந்து உரிக்கப்பட்டது. MOCVD மற்றும் MBE உடன் ஒப்பிடும்போது, ​​HVPE முறையின் முக்கிய அம்சம் அதன் உயர் வளர்ச்சி விகிதம் ஆகும், இது தடிமனான அடுக்குகள் மற்றும் மொத்த பொருட்களின் உற்பத்திக்கு ஏற்றது. எவ்வாறாயினும், எபிடாக்சியல் அடுக்கின் தடிமன் 20μm ஐ விட அதிகமாக இருக்கும்போது, ​​இந்த முறையால் உற்பத்தி செய்யப்படும் எபிடாக்சியல் அடுக்கு விரிசல்களுக்கு ஆளாகிறது.
Akira USUI இந்த முறையின் அடிப்படையில் வடிவமைக்கப்பட்ட அடி மூலக்கூறு தொழில்நுட்பத்தை அறிமுகப்படுத்தியது. அவர்கள் முதலில் MOCVD முறையைப் பயன்படுத்தி சபையர் அடி மூலக்கூறில் மெல்லிய 1-1.5μm தடிமன் கொண்ட GaN எபிடாக்சியல் அடுக்கை வளர்த்தனர். எபிடாக்சியல் அடுக்கு 20nm தடிமனான GaN தாங்கல் அடுக்கு குறைந்த வெப்பநிலை நிலைகளின் கீழ் வளர்க்கப்பட்டது மற்றும் ஒரு GaN அடுக்கு உயர் வெப்பநிலை நிலைகளின் கீழ் வளர்க்கப்பட்டது. பின்னர், 430℃ இல், எபிடாக்சியல் லேயரின் மேற்பரப்பில் SiO2 இன் அடுக்கு பூசப்பட்டது, மேலும் புகைப்படக்கலை மூலம் SiO2 படத்தில் சாளரக் கோடுகள் உருவாக்கப்பட்டன. பட்டை இடைவெளி 7μm மற்றும் முகமூடியின் அகலம் 1μm முதல் 4μm வரை இருந்தது. இந்த மேம்பாட்டிற்குப் பிறகு, தடிமன் பத்து அல்லது நூற்றுக்கணக்கான மைக்ரான்களாக அதிகரித்தாலும் கூட விரிசல் இல்லாத மற்றும் கண்ணாடியைப் போல மென்மையாக இருக்கும் 2 அங்குல விட்டம் கொண்ட சபையர் அடி மூலக்கூறில் GaN எபிடாக்சியல் லேயரைப் பெற்றனர். பாரம்பரிய HVPE முறையின் 109-1010cm-2 இலிருந்து குறைபாடு அடர்த்தி 6×107cm-2 ஆக குறைக்கப்பட்டது. வளர்ச்சி விகிதம் 75μm/h ஐ தாண்டும்போது, ​​மாதிரி மேற்பரப்பு கரடுமுரடானதாக மாறும் என்றும் அவர்கள் சோதனையில் சுட்டிக்காட்டினர்[8].

படம் 6 வரைகலை அடி மூலக்கூறு திட்டம்

V. சுருக்கம் மற்றும் அவுட்லுக்

GaN பொருட்கள் 2014 இல் வெளிவரத் தொடங்கியது, நீல ஒளி LED அந்த ஆண்டு இயற்பியலுக்கான நோபல் பரிசை வென்றது, மேலும் நுகர்வோர் எலக்ட்ரானிக்ஸ் துறையில் வேகமாக சார்ஜ் செய்யும் பயன்பாடுகளில் பொதுமக்களின் துறையில் நுழைந்தது. உண்மையில், பெரும்பாலான மக்களால் பார்க்க முடியாத ஆற்றல் பெருக்கிகள் மற்றும் 5G அடிப்படை நிலையங்களில் பயன்படுத்தப்படும் RF சாதனங்களில் உள்ள பயன்பாடுகளும் அமைதியாக வெளிவந்துள்ளன. சமீபத்திய ஆண்டுகளில், GaN-அடிப்படையிலான ஆட்டோமோட்டிவ்-கிரேடு பவர் சாதனங்களின் முன்னேற்றம் GaN மெட்டீரியல் அப்ளிகேஷன் சந்தைக்கு புதிய வளர்ச்சிப் புள்ளிகளைத் திறக்கும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது.
மிகப்பெரிய சந்தை தேவை நிச்சயமாக GaN தொடர்பான தொழில்கள் மற்றும் தொழில்நுட்பங்களின் வளர்ச்சியை ஊக்குவிக்கும். GaN தொடர்பான தொழில்துறை சங்கிலியின் முதிர்ச்சி மற்றும் முன்னேற்றத்துடன், தற்போதைய GaN எபிடாக்சியல் தொழில்நுட்பம் எதிர்கொள்ளும் சிக்கல்கள் இறுதியில் மேம்படுத்தப்படும் அல்லது சமாளிக்கப்படும். எதிர்காலத்தில், மக்கள் நிச்சயமாக மேலும் புதிய எபிடாக்சியல் தொழில்நுட்பங்கள் மற்றும் சிறந்த அடி மூலக்கூறு விருப்பங்களை உருவாக்குவார்கள். அதற்குள், பயன்பாட்டுக் காட்சிகளின் குணாதிசயங்களின்படி வெவ்வேறு பயன்பாட்டுக் காட்சிகளுக்கு மிகவும் பொருத்தமான வெளிப்புற ஆராய்ச்சி தொழில்நுட்பத்தையும் அடி மூலக்கூறையும் மக்கள் தேர்வுசெய்ய முடியும், மேலும் மிகவும் போட்டித்தன்மை வாய்ந்த தனிப்பயனாக்கப்பட்ட தயாரிப்புகளை உருவாக்க முடியும்.