1. మూడవ తరం సెమీకండక్టర్స్
మొదటి తరం సెమీకండక్టర్ సాంకేతికత Si మరియు Ge వంటి సెమీకండక్టర్ పదార్థాల ఆధారంగా అభివృద్ధి చేయబడింది. ఇది ట్రాన్సిస్టర్లు మరియు ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్ టెక్నాలజీ అభివృద్ధికి మెటీరియల్ ఆధారం. మొదటి తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థాలు 20వ శతాబ్దంలో ఎలక్ట్రానిక్ పరిశ్రమకు పునాది వేసాయి మరియు ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్ టెక్నాలజీకి ప్రాథమిక పదార్థాలు.
రెండవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థాలలో ప్రధానంగా గాలియం ఆర్సెనైడ్, ఇండియం ఫాస్ఫైడ్, గాలియం ఫాస్ఫైడ్, ఇండియం ఆర్సెనైడ్, అల్యూమినియం ఆర్సెనైడ్ మరియు వాటి తృతీయ సమ్మేళనాలు ఉన్నాయి. రెండవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థాలు ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ సమాచార పరిశ్రమకు పునాది. దీని ఆధారంగా, లైటింగ్, డిస్ప్లే, లేజర్ మరియు ఫోటోవోల్టాయిక్స్ వంటి సంబంధిత పరిశ్రమలు అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి. అవి సమకాలీన సమాచార సాంకేతికత మరియు ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ ప్రదర్శన పరిశ్రమలలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి.
మూడవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్ధాల ప్రతినిధి పదార్థాలు గాలియం నైట్రైడ్ మరియు సిలికాన్ కార్బైడ్. వాటి విస్తృత బ్యాండ్ గ్యాప్, అధిక ఎలక్ట్రాన్ సంతృప్త డ్రిఫ్ట్ వేగం, అధిక ఉష్ణ వాహకత మరియు అధిక బ్రేక్‌డౌన్ ఫీల్డ్ బలం కారణంగా, అవి అధిక-శక్తి సాంద్రత, అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ మరియు తక్కువ-నష్టం కలిగిన ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలను తయారు చేయడానికి అనువైన పదార్థాలు. వాటిలో, సిలికాన్ కార్బైడ్ పవర్ పరికరాలు అధిక శక్తి సాంద్రత, తక్కువ శక్తి వినియోగం మరియు చిన్న పరిమాణం యొక్క ప్రయోజనాలను కలిగి ఉంటాయి మరియు కొత్త శక్తి వాహనాలు, కాంతివిపీడనాలు, రైలు రవాణా, పెద్ద డేటా మరియు ఇతర రంగాలలో విస్తృత అప్లికేషన్ అవకాశాలను కలిగి ఉంటాయి. గాలియం నైట్రైడ్ RF పరికరాలు అధిక పౌనఃపున్యం, అధిక శక్తి, విస్తృత బ్యాండ్‌విడ్త్, తక్కువ విద్యుత్ వినియోగం మరియు చిన్న పరిమాణం యొక్క ప్రయోజనాలను కలిగి ఉంటాయి మరియు 5G కమ్యూనికేషన్‌లు, ఇంటర్నెట్ ఆఫ్ థింగ్స్, మిలిటరీ రాడార్ మరియు ఇతర రంగాలలో విస్తృత అప్లికేషన్ అవకాశాలను కలిగి ఉంటాయి. అదనంగా, గాలియం నైట్రైడ్-ఆధారిత విద్యుత్ పరికరాలు తక్కువ-వోల్టేజీ రంగంలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి. అదనంగా, ఇటీవలి సంవత్సరాలలో, ఉద్భవిస్తున్న గాలియం ఆక్సైడ్ పదార్థాలు ఇప్పటికే ఉన్న SiC మరియు GaN సాంకేతికతలతో సాంకేతిక పరిపూరకతను ఏర్పరుస్తాయని మరియు తక్కువ-ఫ్రీక్వెన్సీ మరియు అధిక-వోల్టేజ్ ఫీల్డ్‌లలో సంభావ్య అప్లికేషన్ అవకాశాలను కలిగి ఉంటాయని భావిస్తున్నారు.
రెండవ తరం సెమీకండక్టర్ మెటీరియల్స్‌తో పోలిస్తే, మూడవ తరం సెమీకండక్టర్ మెటీరియల్స్ విస్తృత బ్యాండ్‌గ్యాప్ వెడల్పును కలిగి ఉంటాయి (Si యొక్క బ్యాండ్‌గ్యాప్ వెడల్పు, మొదటి తరం సెమీకండక్టర్ మెటీరియల్ యొక్క సాధారణ పదార్థం, 1.1eV, GaAs యొక్క బ్యాండ్‌గ్యాప్ వెడల్పు, ఒక సాధారణ రెండవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థం యొక్క పదార్థం, సుమారు 1.42eV, మరియు GaN యొక్క బ్యాండ్‌గ్యాప్ వెడల్పు, ఒక సాధారణ పదార్థం మూడవ తరం సెమీకండక్టర్ మెటీరియల్, 2.3eV పైన ఉంటుంది), బలమైన రేడియేషన్ నిరోధకత, విద్యుత్ క్షేత్ర విచ్ఛిన్నానికి బలమైన ప్రతిఘటన మరియు అధిక ఉష్ణోగ్రత నిరోధకత. విస్తృత బ్యాండ్‌గ్యాప్ వెడల్పుతో మూడవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థాలు ముఖ్యంగా రేడియేషన్-రెసిస్టెంట్, హై-ఫ్రీక్వెన్సీ, హై-పవర్ మరియు హై-ఇంటిగ్రేషన్-డెన్సిటీ ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాల ఉత్పత్తికి అనుకూలంగా ఉంటాయి. మైక్రోవేవ్ రేడియో ఫ్రీక్వెన్సీ పరికరాలు, LED లు, లేజర్‌లు, పవర్ పరికరాలు మరియు ఇతర రంగాలలో వారి అప్లికేషన్‌లు చాలా దృష్టిని ఆకర్షించాయి మరియు మొబైల్ కమ్యూనికేషన్‌లు, స్మార్ట్ గ్రిడ్‌లు, రైల్ ట్రాన్సిట్, న్యూ ఎనర్జీ వెహికల్స్, కన్స్యూమర్ ఎలక్ట్రానిక్స్ మరియు అతినీలలోహిత మరియు నీలి రంగులలో విస్తృత అభివృద్ధి అవకాశాలను చూపించాయి. -గ్రీన్ లైట్ పరికరాలు [1].
చిత్ర మూలం: CASA, జెషాంగ్ సెక్యూరిటీస్ రీసెర్చ్ ఇన్‌స్టిట్యూట్
మూర్తి 1 GaN పవర్ పరికర సమయ ప్రమాణం మరియు సూచన
II GaN మెటీరియల్ నిర్మాణం మరియు లక్షణాలు
GaN అనేది డైరెక్ట్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్. గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద వర్ట్జైట్ నిర్మాణం యొక్క బ్యాండ్‌గ్యాప్ వెడల్పు సుమారు 3.26eV. GaN పదార్థాలు మూడు ప్రధాన స్ఫటిక నిర్మాణాలను కలిగి ఉన్నాయి, అవి వర్ట్జైట్ నిర్మాణం, స్పాలరైట్ నిర్మాణం మరియు రాతి ఉప్పు నిర్మాణం. వాటిలో, వర్ట్జైట్ నిర్మాణం అత్యంత స్థిరమైన క్రిస్టల్ నిర్మాణం. మూర్తి 2 అనేది GaN యొక్క షట్కోణ వర్ట్జైట్ నిర్మాణం యొక్క రేఖాచిత్రం. GaN పదార్థం యొక్క వర్ట్జైట్ నిర్మాణం షట్కోణ క్లోజ్-ప్యాక్డ్ స్ట్రక్చర్‌కు చెందినది. ప్రతి యూనిట్ సెల్‌లో 6 N అణువులు మరియు 6 Ga అణువులతో సహా 12 పరమాణువులు ఉంటాయి. ప్రతి Ga (N) అణువు 4 సమీప N (Ga) అణువులతో బంధాన్ని ఏర్పరుస్తుంది మరియు ABABAB క్రమంలో పేర్చబడి ఉంటుంది… [0001] దిశలో [2].
మూర్తి 2 వర్ట్జైట్ నిర్మాణం GaN క్రిస్టల్ సెల్ రేఖాచిత్రం
III GaN ఎపిటాక్సీ కోసం సాధారణంగా ఉపయోగించే సబ్‌స్ట్రేట్‌లు
GaN సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై సజాతీయ ఎపిటాక్సీ అనేది GaN ఎపిటాక్సీకి ఉత్తమ ఎంపిక అని తెలుస్తోంది. అయినప్పటికీ, GaN యొక్క పెద్ద బంధ శక్తి కారణంగా, ఉష్ణోగ్రత 2500℃ ద్రవీభవన స్థానానికి చేరుకున్నప్పుడు, దాని సంబంధిత కుళ్ళిపోయే ఒత్తిడి 4.5GPa ఉంటుంది. ఈ పీడనం కంటే కుళ్ళిపోయే పీడనం తక్కువగా ఉన్నప్పుడు, GaN కరగదు కానీ నేరుగా కుళ్ళిపోతుంది. ఇది GaN సింగిల్ క్రిస్టల్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ల తయారీకి Czochralski పద్ధతి వంటి పరిపక్వ ఉపరితల తయారీ సాంకేతికతలను అనువుగా చేస్తుంది, GaN సబ్‌స్ట్రేట్‌లను భారీ ఉత్పత్తి చేయడం కష్టతరం మరియు ఖరీదైనదిగా చేస్తుంది. అందువల్ల, GaN ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదలలో సాధారణంగా ఉపయోగించే సబ్‌స్ట్రేట్‌లు ప్రధానంగా Si, SiC, నీలమణి మొదలైనవి. [3].
చార్ట్ 3 GaN మరియు సాధారణంగా ఉపయోగించే సబ్‌స్ట్రేట్ పదార్థాల పారామితులు
నీలమణిపై GaN ఎపిటాక్సీ
నీలమణి స్థిరమైన రసాయన లక్షణాలను కలిగి ఉంది, చౌకగా ఉంటుంది మరియు పెద్ద-స్థాయి ఉత్పత్తి పరిశ్రమలో అధిక పరిపక్వతను కలిగి ఉంటుంది. అందువల్ల, ఇది సెమీకండక్టర్ డివైస్ ఇంజినీరింగ్‌లో తొలి మరియు అత్యంత విస్తృతంగా ఉపయోగించే సబ్‌స్ట్రేట్ మెటీరియల్‌లలో ఒకటిగా మారింది. GaN ఎపిటాక్సీ కోసం సాధారణంగా ఉపయోగించే సబ్‌స్ట్రేట్‌లలో ఒకటిగా, నీలమణి సబ్‌స్ట్రేట్‌ల కోసం పరిష్కరించాల్సిన ప్రధాన సమస్యలు:
✔ నీలమణి (Al2O3) మరియు GaN (సుమారు 15%) మధ్య పెద్ద లాటిస్ అసమతుల్యత కారణంగా, ఎపిటాక్సియల్ లేయర్ మరియు సబ్‌స్ట్రేట్ మధ్య ఇంటర్‌ఫేస్‌లో లోపం సాంద్రత చాలా ఎక్కువగా ఉంటుంది. దాని ప్రతికూల ప్రభావాలను తగ్గించడానికి, ఎపిటాక్సీ ప్రక్రియ ప్రారంభమయ్యే ముందు ఉపరితలం సంక్లిష్టమైన ముందస్తు చికిత్సకు లోబడి ఉండాలి. నీలమణి ఉపరితలాలపై GaN ఎపిటాక్సీని పెంచే ముందు, కలుషితాలు, అవశేష పాలిషింగ్ డ్యామేజ్ మొదలైనవాటిని తొలగించడానికి మరియు దశలు మరియు దశల ఉపరితల నిర్మాణాలను రూపొందించడానికి ఉపరితల ఉపరితలం మొదట ఖచ్చితంగా శుభ్రం చేయాలి. అప్పుడు, ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క చెమ్మగిల్లడం లక్షణాలను మార్చడానికి సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలం నైట్రైడ్ చేయబడుతుంది. చివరగా, ఒక సన్నని AlN బఫర్ పొర (సాధారణంగా 10-100nm మందం) ఉపరితల ఉపరితలంపై నిక్షిప్తం చేయాలి మరియు తుది ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదలకు సిద్ధం కావడానికి తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఎనియల్ చేయాలి. అయినప్పటికీ, నీలమణి ఉపరితలాలపై పెరిగిన GaN ఎపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌లలో డిస్‌లోకేషన్ డెన్సిటీ ఇప్పటికీ హోమోపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌ల కంటే ఎక్కువగా ఉంది (సుమారు 1010cm-2, సిలికాన్ హోమోపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌లలో తప్పనిసరిగా సున్నా డిస్‌లోకేషన్ డెన్సిటీతో పోలిస్తే లేదా గాలియం ఆర్సెనైడ్ 102 మధ్య హోమోపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌లు, ormepitaxial-102 2) అధిక లోపం సాంద్రత క్యారియర్ మొబిలిటీని తగ్గిస్తుంది, తద్వారా మైనారిటీ క్యారియర్ జీవితకాలం తగ్గిస్తుంది మరియు ఉష్ణ వాహకతను తగ్గిస్తుంది, ఇవన్నీ పరికరం పనితీరును తగ్గిస్తాయి [4];
✔ నీలమణి యొక్క ఉష్ణ విస్తరణ గుణకం GaN కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది, కాబట్టి నిక్షేపణ ఉష్ణోగ్రత నుండి గది ఉష్ణోగ్రత వరకు శీతలీకరణ ప్రక్రియలో ఎపిటాక్సియల్ పొరలో బయాక్సియల్ కంప్రెసివ్ ఒత్తిడి ఏర్పడుతుంది. మందమైన ఎపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌ల కోసం, ఈ ఒత్తిడి ఫిల్మ్ లేదా సబ్‌స్ట్రేట్ పగుళ్లకు కారణం కావచ్చు;
✔ ఇతర సబ్‌స్ట్రేట్‌లతో పోలిస్తే, నీలమణి ఉపరితలాల యొక్క ఉష్ణ వాహకత తక్కువగా ఉంటుంది (సుమారు 0.25W*cm-1*K-1 వద్ద 100℃), మరియు వేడి వెదజల్లే పనితీరు తక్కువగా ఉంటుంది;
✔ దాని పేలవమైన వాహకత కారణంగా, నీలమణి ఉపరితలాలు ఇతర సెమీకండక్టర్ పరికరాలతో వాటి ఏకీకరణ మరియు అనువర్తనానికి అనుకూలంగా లేవు.
నీలమణి ఉపరితలాలపై పెరిగిన GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరల లోపం సాంద్రత ఎక్కువగా ఉన్నప్పటికీ, ఇది GaN-ఆధారిత బ్లూ-గ్రీన్ LEDల యొక్క ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ పనితీరును గణనీయంగా తగ్గించేలా కనిపించడం లేదు, కాబట్టి నీలమణి సబ్‌స్ట్రేట్‌లు ఇప్పటికీ GaN-ఆధారిత LEDల కోసం సాధారణంగా ఉపయోగించే సబ్‌స్ట్రేట్‌లు.
లేజర్‌లు లేదా ఇతర అధిక-సాంద్రత శక్తి పరికరాలు వంటి GaN పరికరాల యొక్క మరిన్ని కొత్త అప్లికేషన్‌ల అభివృద్ధితో, నీలమణి ఉపరితలాల యొక్క స్వాభావిక లోపాలు వాటి అప్లికేషన్‌పై ఎక్కువగా పరిమితిగా మారాయి. అదనంగా, SiC సబ్‌స్ట్రేట్ గ్రోత్ టెక్నాలజీ అభివృద్ధి, ధర తగ్గింపు మరియు Si సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై GaN ఎపిటాక్సియల్ టెక్నాలజీ పరిపక్వత, నీలమణి ఉపరితలాలపై పెరుగుతున్న GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలపై మరింత పరిశోధన క్రమంగా శీతలీకరణ ధోరణిని చూపుతోంది.
SiC పై GaN ఎపిటాక్సీ
నీలమణితో పోలిస్తే, SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌లు (4H- మరియు 6H-స్ఫటికాలు) GaN ఎపిటాక్సియల్ లేయర్‌లతో (3.1%, [0001] ఓరియెంటెడ్ ఎపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌లకు సమానం), అధిక ఉష్ణ వాహకత (సుమారు 3.8W*cm-1*K)తో చిన్న లాటిస్ అసమతుల్యతను కలిగి ఉంటాయి. -1), మొదలైనవి. అదనంగా, SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌ల వాహకత విద్యుత్‌ను కూడా అనుమతిస్తుంది పరికర నిర్మాణాన్ని సులభతరం చేయడానికి సహాయపడే సబ్‌స్ట్రేట్ వెనుక భాగంలో పరిచయాలు చేయాలి. ఈ ప్రయోజనాల ఉనికి సిలికాన్ కార్బైడ్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై GaN ఎపిటాక్సీపై పని చేయడానికి ఎక్కువ మంది పరిశోధకులను ఆకర్షించింది.
అయినప్పటికీ, పెరుగుతున్న GaN ఎపిలేయర్‌లను నివారించడానికి SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై నేరుగా పని చేయడం కూడా క్రింది వాటితో సహా అనేక ప్రతికూలతలను ఎదుర్కొంటుంది:
✔ SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌ల ఉపరితల కరుకుదనం నీలమణి సబ్‌స్ట్రేట్‌ల కంటే చాలా ఎక్కువ (నీలమణి కరుకుదనం 0.1nm RMS, SiC కరుకుదనం 1nm RMS), SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌లు అధిక కాఠిన్యం మరియు పేలవమైన ప్రాసెసింగ్ పనితీరును కలిగి ఉంటాయి మరియు ఈ కరుకుదనం మరియు అవశేష పాలిషింగ్ నష్టం కూడా ఒకటి. GaN ఎపిలేయర్‌లలో లోపాల మూలాలు.
✔ SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌ల స్క్రూ డిస్‌లోకేషన్ డెన్సిటీ ఎక్కువగా ఉంటుంది (డిస్‌లోకేషన్ డెన్సిటీ 103-104cm-2), స్క్రూ డిస్‌లోకేషన్‌లు GaN ఎపిలేయర్‌కి వ్యాపించి పరికరం పనితీరును తగ్గించవచ్చు;
✔ సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై పరమాణు అమరిక GaN ఎపిలేయర్‌లో స్టాకింగ్ ఫాల్ట్‌లు (BSFలు) ఏర్పడటానికి ప్రేరేపిస్తుంది. SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై ఎపిటాక్సియల్ GaN కోసం, సబ్‌స్ట్రేట్‌పై బహుళ పరమాణు అమరిక ఆర్డర్‌లు ఉన్నాయి, దీని ఫలితంగా ఎపిటాక్సియల్ GaN లేయర్ యొక్క అస్థిరమైన ప్రారంభ పరమాణు స్టాకింగ్ క్రమం ఏర్పడుతుంది, ఇది స్టాకింగ్ లోపాలను కలిగి ఉంటుంది. స్టాకింగ్ ఫాల్ట్‌లు (SFలు) c-యాక్సిస్‌తో పాటు అంతర్నిర్మిత విద్యుత్ క్షేత్రాలను పరిచయం చేస్తాయి, ఇది విమానంలో క్యారియర్ విభజన పరికరాల లీకేజ్ వంటి సమస్యలకు దారి తీస్తుంది;
✔ SiC సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క థర్మల్ ఎక్స్‌పాన్షన్ కోఎఫీషియంట్ AlN మరియు GaN కంటే చిన్నది, ఇది శీతలీకరణ ప్రక్రియలో ఎపిటాక్సియల్ లేయర్ మరియు సబ్‌స్ట్రేట్ మధ్య థర్మల్ ఒత్తిడి పేరుకుపోవడానికి కారణమవుతుంది. సన్నని, పొందికగా వడకట్టబడిన AlN న్యూక్లియేషన్ పొరలపై GaN ఎపిటాక్సియల్ లేయర్‌లను పెంచడం ద్వారా ఈ సమస్యను తగ్గించవచ్చు లేదా పరిష్కరించవచ్చు అని Waltereit మరియు బ్రాండ్ వారి పరిశోధన ఫలితాల ఆధారంగా అంచనా వేశారు;
✔ Ga అణువుల పేలవమైన తేమ సమస్య. SiC ఉపరితలంపై నేరుగా GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలను పెంచుతున్నప్పుడు, రెండు అణువుల మధ్య పేలవమైన తేమ కారణంగా, GaN ఉపరితల ఉపరితలంపై 3D ద్వీపం పెరుగుదలకు అవకాశం ఉంది. GaN ఎపిటాక్సీలో ఎపిటాక్సియల్ మెటీరియల్స్ నాణ్యతను మెరుగుపరచడానికి బఫర్ లేయర్‌ని పరిచయం చేయడం అనేది సాధారణంగా ఉపయోగించే పరిష్కారం. AlN లేదా AlxGa1-xN బఫర్ లేయర్‌ని పరిచయం చేయడం వలన SiC ఉపరితలం యొక్క తేమను సమర్థవంతంగా మెరుగుపరుస్తుంది మరియు GaN ఎపిటాక్సియల్ పొర రెండు కోణాలలో పెరుగుతుంది. అదనంగా, ఇది ఒత్తిడిని కూడా నియంత్రిస్తుంది మరియు GaN ఎపిటాక్సీకి విస్తరించకుండా ఉపరితల లోపాలను నిరోధించవచ్చు;
✔ SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌ల తయారీ సాంకేతికత అపరిపక్వంగా ఉంది, సబ్‌స్ట్రేట్ ధర ఎక్కువగా ఉంటుంది మరియు కొంతమంది సరఫరాదారులు మరియు తక్కువ సరఫరా ఉన్నారు.
ఎపిటాక్సీకి ముందు అధిక ఉష్ణోగ్రత (1600°C) వద్ద SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌ను H2తో చెక్కడం ద్వారా ఉపరితల ఉపరితలంపై మరింత ఆర్డర్ చేయబడిన దశల నిర్మాణాన్ని ఉత్పత్తి చేయవచ్చని, తద్వారా అది నేరుగా ఉన్నప్పుడు కంటే అధిక నాణ్యత కలిగిన AlN ఎపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌ను పొందుతుందని టోర్రెస్ మరియు ఇతరుల పరిశోధన చూపిస్తుంది. అసలు ఉపరితల ఉపరితలంపై పెరుగుతుంది. Xie మరియు అతని బృందం యొక్క పరిశోధన కూడా సిలికాన్ కార్బైడ్ సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క ఎచింగ్ ప్రీ-ట్రీట్‌మెంట్ GaN ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క ఉపరితల స్వరూపం మరియు క్రిస్టల్ నాణ్యతను గణనీయంగా మెరుగుపరుస్తుందని చూపిస్తుంది. స్మిత్ మరియు ఇతరులు. సబ్‌స్ట్రేట్/బఫర్ లేయర్ మరియు బఫర్ లేయర్/ఎపిటాక్సియల్ లేయర్ ఇంటర్‌ఫేస్‌ల నుండి ఉద్భవించే థ్రెడింగ్ డిస్‌లోకేషన్‌లు సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క ఫ్లాట్‌నెస్‌కు సంబంధించినవి అని కనుగొన్నారు [5].
మూర్తి 4 వివిధ ఉపరితల చికిత్స పరిస్థితులలో (a) రసాయన శుభ్రపరచడం కింద 6H-SiC సబ్‌స్ట్రేట్ (0001)పై పెరిగిన GaN ఎపిటాక్సియల్ లేయర్ నమూనాల TEM పదనిర్మాణం; (బి) రసాయన శుభ్రపరచడం + హైడ్రోజన్ ప్లాస్మా చికిత్స; (సి) రసాయన శుభ్రపరచడం + హైడ్రోజన్ ప్లాస్మా చికిత్స + 1300 ℃ హైడ్రోజన్ వేడి చికిత్స 30 నిమిషాలు
Si పై GaN ఎపిటాక్సీ
సిలికాన్ కార్బైడ్, నీలమణి మరియు ఇతర సబ్‌స్ట్రేట్‌లతో పోలిస్తే, సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్ తయారీ ప్రక్రియ పరిపక్వం చెందుతుంది మరియు ఇది అధిక ధరతో కూడిన పెద్ద-పరిమాణ ఉపరితలాలను స్థిరంగా అందించగలదు. అదే సమయంలో, ఉష్ణ వాహకత మరియు విద్యుత్ వాహకత మంచివి, మరియు Si ఎలక్ట్రానిక్ పరికర ప్రక్రియ పరిపక్వం. భవిష్యత్తులో Si ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలతో ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ GaN పరికరాలను సంపూర్ణంగా అనుసంధానించే అవకాశం కూడా సిలికాన్‌పై GaN ఎపిటాక్సీ వృద్ధిని చాలా ఆకర్షణీయంగా చేస్తుంది.
అయినప్పటికీ, Si సబ్‌స్ట్రేట్ మరియు GaN మెటీరియల్ మధ్య లాటిస్ స్థిరాంకాలలో పెద్ద వ్యత్యాసం కారణంగా, Si సబ్‌స్ట్రేట్‌పై GaN యొక్క భిన్నమైన ఎపిటాక్సీ ఒక సాధారణ పెద్ద అసమతుల్య ఎపిటాక్సీ, మరియు ఇది అనేక సమస్యలను కూడా ఎదుర్కోవలసి ఉంటుంది:
✔ ఉపరితల ఇంటర్‌ఫేస్ శక్తి సమస్య. Si సబ్‌స్ట్రేట్‌పై GaN పెరిగినప్పుడు, Si సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క ఉపరితలం మొదట నైట్రైడ్ చేయబడి నిరాకార సిలికాన్ నైట్రైడ్ పొరను ఏర్పరుస్తుంది, ఇది అధిక-సాంద్రత గల GaN యొక్క న్యూక్లియేషన్ మరియు పెరుగుదలకు అనుకూలంగా ఉండదు. అదనంగా, Si ఉపరితలం మొదట Gaని సంప్రదిస్తుంది, ఇది Si సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క ఉపరితలాన్ని క్షీణిస్తుంది. అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద, Si ఉపరితలం యొక్క కుళ్ళిపోవడం GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలో నల్లని సిలికాన్ మచ్చలను ఏర్పరుస్తుంది.
✔ GaN మరియు Si మధ్య లాటిస్ స్థిరమైన అసమతుల్యత పెద్దది (~ 17%), ఇది అధిక-సాంద్రత థ్రెడింగ్ డిస్‌లోకేషన్‌ల ఏర్పాటుకు దారి తీస్తుంది మరియు ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క నాణ్యతను గణనీయంగా తగ్గిస్తుంది;
✔ Siతో పోలిస్తే, GaNలో పెద్ద ఉష్ణ విస్తరణ గుణకం ఉంది (GaN యొక్క ఉష్ణ విస్తరణ గుణకం సుమారు 5.6×10-6K-1, Si యొక్క ఉష్ణ విస్తరణ గుణకం సుమారు 2.6×10-6K-1), మరియు GaNలో పగుళ్లు ఏర్పడవచ్చు. గది ఉష్ణోగ్రతకు ఎపిటాక్సియల్ ఉష్ణోగ్రత యొక్క శీతలీకరణ సమయంలో ఎపిటాక్సియల్ పొర;
✔ Si అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద NH3తో చర్య జరిపి పాలీక్రిస్టలైన్ SiNxని ఏర్పరుస్తుంది. AlN పాలీక్రిస్టలైన్ SiNxపై ప్రాధాన్యత కలిగిన కేంద్రకాన్ని ఏర్పరచదు, ఇది తరువాత పెరిగిన GaN పొర యొక్క క్రమరహిత ధోరణికి మరియు అధిక సంఖ్యలో లోపాలకు దారి తీస్తుంది, దీని ఫలితంగా GaN ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క స్ఫటిక నాణ్యత తక్కువగా ఉంటుంది మరియు ఒకే-స్ఫటికాకారాన్ని రూపొందించడంలో కూడా ఇబ్బంది ఉంటుంది. GaN ఎపిటాక్సియల్ పొర [6].
పెద్ద లాటిస్ అసమతుల్యత సమస్యను పరిష్కరించడానికి, పరిశోధకులు AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO మరియు SiC వంటి పదార్థాలను Si సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై బఫర్ లేయర్‌లుగా పరిచయం చేయడానికి ప్రయత్నించారు. పాలీక్రిస్టలైన్ SiNx ఏర్పడకుండా ఉండటానికి మరియు GaN/AlN/Si (111) మెటీరియల్స్ యొక్క క్రిస్టల్ నాణ్యతపై దాని ప్రతికూల ప్రభావాలను తగ్గించడానికి, AlN బఫర్ లేయర్ యొక్క ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదలకు ముందు TMAl సాధారణంగా కొంత సమయం వరకు ప్రవేశపెట్టవలసి ఉంటుంది. SiNxని ఏర్పరచడానికి బహిర్గతమైన Si ఉపరితలంతో NH3 ప్రతిస్పందించకుండా నిరోధించడానికి. అదనంగా, ఎపిటాక్సియల్ లేయర్ నాణ్యతను మెరుగుపరచడానికి నమూనా సబ్‌స్ట్రేట్ టెక్నాలజీ వంటి ఎపిటాక్సియల్ టెక్నాలజీలను ఉపయోగించవచ్చు. ఈ సాంకేతికతల అభివృద్ధి ఎపిటాక్సియల్ ఇంటర్‌ఫేస్ వద్ద SiNx ఏర్పడటాన్ని నిరోధించడంలో సహాయపడుతుంది, GaN ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క ద్విమితీయ వృద్ధిని ప్రోత్సహిస్తుంది మరియు ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క పెరుగుదల నాణ్యతను మెరుగుపరుస్తుంది. అదనంగా, సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలో పగుళ్లను నివారించడానికి థర్మల్ ఎక్స్‌పాన్షన్ కోఎఫీషియంట్స్‌లో వ్యత్యాసం కారణంగా ఏర్పడే తన్యత ఒత్తిడిని భర్తీ చేయడానికి AlN బఫర్ లేయర్ ప్రవేశపెట్టబడింది. AlN బఫర్ పొర యొక్క మందం మరియు స్ట్రెయిన్ తగ్గింపు మధ్య సానుకూల సంబంధం ఉందని క్రోస్ట్ పరిశోధన చూపిస్తుంది. బఫర్ లేయర్ మందం 12nmకి చేరుకున్నప్పుడు, ఎపిటాక్సియల్ పొర పగుళ్లు లేకుండా తగిన గ్రోత్ స్కీమ్ ద్వారా 6μm కంటే మందంగా ఉండే ఎపిటాక్సియల్ పొరను సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై పెంచవచ్చు.
పరిశోధకుల దీర్ఘకాలిక ప్రయత్నాల తరువాత, సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై పెరిగిన GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరల నాణ్యత గణనీయంగా మెరుగుపడింది మరియు ఫీల్డ్ ఎఫెక్ట్ ట్రాన్సిస్టర్లు, షాట్కీ బారియర్ అతినీలలోహిత డిటెక్టర్లు, బ్లూ-గ్రీన్ LEDలు మరియు అతినీలలోహిత లేజర్‌లు వంటి పరికరాలు గణనీయమైన పురోగతిని సాధించాయి.
సారాంశంలో, సాధారణంగా ఉపయోగించే GaN ఎపిటాక్సియల్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లు అన్నీ భిన్నమైన ఎపిటాక్సీ అయినందున, అవన్నీ లాటిస్ అసమతుల్యత మరియు వివిధ స్థాయిలలో ఉష్ణ విస్తరణ గుణకాలలో పెద్ద తేడాలు వంటి సాధారణ సమస్యలను ఎదుర్కొంటాయి. సాంకేతిక పరిపక్వత ద్వారా సజాతీయ ఎపిటాక్సియల్ GaN సబ్‌స్ట్రేట్‌లు పరిమితం చేయబడ్డాయి మరియు సబ్‌స్ట్రేట్‌లు ఇంకా భారీ స్థాయిలో ఉత్పత్తి చేయబడలేదు. ఉత్పత్తి వ్యయం ఎక్కువగా ఉంటుంది, ఉపరితల పరిమాణం చిన్నది మరియు ఉపరితల నాణ్యత అనువైనది కాదు. కొత్త GaN ఎపిటాక్సియల్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ల అభివృద్ధి మరియు ఎపిటాక్సియల్ నాణ్యత మెరుగుదల ఇప్పటికీ GaN ఎపిటాక్సియల్ పరిశ్రమ యొక్క తదుపరి అభివృద్ధిని నిరోధించే ముఖ్యమైన కారకాల్లో ఒకటి.
IV. GaN ఎపిటాక్సీ కోసం సాధారణ పద్ధతులు
MOCVD (రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ)
GaN సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై సజాతీయ ఎపిటాక్సీ అనేది GaN ఎపిటాక్సీకి ఉత్తమ ఎంపిక అని తెలుస్తోంది. అయినప్పటికీ, రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ యొక్క పూర్వగాములు ట్రైమిథైల్‌గాలియం మరియు అమ్మోనియా మరియు క్యారియర్ వాయువు హైడ్రోజన్ అయినందున, సాధారణ MOCVD పెరుగుదల ఉష్ణోగ్రత సుమారు 1000-1100℃, మరియు MOCVD వృద్ధి రేటు గంటకు కొన్ని మైక్రాన్‌లు. ఇది అణు స్థాయిలో నిటారుగా ఉండే ఇంటర్‌ఫేస్‌లను ఉత్పత్తి చేయగలదు, ఇది హెటెరోజంక్షన్‌లు, క్వాంటం బావులు, సూపర్‌లాటిస్‌లు మరియు ఇతర నిర్మాణాలను పెంచడానికి చాలా అనుకూలంగా ఉంటుంది. దీని వేగవంతమైన వృద్ధి రేటు, మంచి ఏకరూపత మరియు పెద్ద-విస్తీర్ణం మరియు బహుళ-ముక్కల వృద్ధికి అనుకూలత తరచుగా పారిశ్రామిక ఉత్పత్తిలో ఉపయోగించబడతాయి.
MBE (మాలిక్యులర్ బీమ్ ఎపిటాక్సీ)
మాలిక్యులర్ బీమ్ ఎపిటాక్సీలో, Ga ఒక మూలక మూలాన్ని ఉపయోగిస్తుంది మరియు RF ప్లాస్మా ద్వారా నత్రజని నుండి క్రియాశీల నైట్రోజన్ పొందబడుతుంది. MOCVD పద్ధతితో పోలిస్తే, MBE పెరుగుదల ఉష్ణోగ్రత 350-400℃ తక్కువగా ఉంటుంది. తక్కువ పెరుగుదల ఉష్ణోగ్రత అధిక ఉష్ణోగ్రత వాతావరణాల వల్ల సంభవించే నిర్దిష్ట కాలుష్యాన్ని నివారించవచ్చు. MBE సిస్టమ్ అల్ట్రా-హై వాక్యూమ్‌లో పనిచేస్తుంది, ఇది మరింత ఇన్-సిటు డిటెక్షన్ పద్ధతులను ఏకీకృతం చేయడానికి అనుమతిస్తుంది. అదే సమయంలో, దాని వృద్ధి రేటు మరియు ఉత్పత్తి సామర్థ్యాన్ని MOCVDతో పోల్చలేము మరియు ఇది శాస్త్రీయ పరిశోధనలో ఎక్కువగా ఉపయోగించబడుతుంది [7].
మూర్తి 5 (a) Eiko-MBE స్కీమాటిక్ (b) MBE మెయిన్ రియాక్షన్ ఛాంబర్ స్కీమాటిక్
HVPE పద్ధతి (హైడ్రైడ్ ఆవిరి దశ ఎపిటాక్సీ)
హైడ్రైడ్ ఆవిరి దశ ఎపిటాక్సీ పద్ధతి యొక్క పూర్వగాములు GaCl3 మరియు NH3. డెచ్‌ప్రోమ్ మరియు ఇతరులు. నీలమణి ఉపరితల ఉపరితలంపై వందల మైక్రాన్ల మందపాటి GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరను పెంచడానికి ఈ పద్ధతిని ఉపయోగించారు. వారి ప్రయోగంలో, ZnO యొక్క పొర నీలమణి ఉపరితలం మరియు ఎపిటాక్సియల్ పొర మధ్య బఫర్ పొరగా పెరిగింది మరియు ఎపిటాక్సియల్ పొర ఉపరితల ఉపరితలం నుండి ఒలిచివేయబడింది. MOCVD మరియు MBE లతో పోలిస్తే, HVPE పద్ధతి యొక్క ప్రధాన లక్షణం దాని అధిక వృద్ధి రేటు, ఇది మందపాటి పొరలు మరియు భారీ పదార్థాల ఉత్పత్తికి అనుకూలంగా ఉంటుంది. అయినప్పటికీ, ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క మందం 20μm కంటే ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు, ఈ పద్ధతి ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన ఎపిటాక్సియల్ పొర పగుళ్లకు గురవుతుంది.
అకిరా USUI ఈ పద్ధతి ఆధారంగా నమూనా సబ్‌స్ట్రేట్ టెక్నాలజీని ప్రవేశపెట్టింది. వారు మొదట MOCVD పద్ధతిని ఉపయోగించి నీలమణి ఉపరితలంపై సన్నని 1-1.5μm మందపాటి GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరను పెంచారు. ఎపిటాక్సియల్ పొర తక్కువ ఉష్ణోగ్రత పరిస్థితులలో పెరిగిన 20nm మందపాటి GaN బఫర్ పొరను మరియు అధిక ఉష్ణోగ్రత పరిస్థితులలో పెరిగిన GaN పొరను కలిగి ఉంటుంది. అప్పుడు, 430℃ వద్ద, ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క ఉపరితలంపై SiO2 యొక్క పొర పూత పూయబడింది మరియు ఫోటోలిథోగ్రఫీ ద్వారా SiO2 ఫిల్మ్‌పై విండో చారలు తయారు చేయబడ్డాయి. చారల అంతరం 7μm మరియు ముసుగు వెడల్పు 1μm నుండి 4μm వరకు ఉంటుంది. ఈ మెరుగుదల తర్వాత, వారు 2-అంగుళాల వ్యాసం కలిగిన నీలమణి ఉపరితలంపై GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరను పొందారు, అది పగుళ్లు లేనిది మరియు మందం పదుల లేదా వందల మైక్రాన్‌లకు పెరిగినప్పటికీ అద్దం వలె మృదువైనది. సాంప్రదాయ HVPE పద్ధతిలో 109-1010cm-2 నుండి లోపం సాంద్రత దాదాపు 6×107cm-2కి తగ్గించబడింది. వృద్ధి రేటు 75μm/h కంటే ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు, నమూనా ఉపరితలం గరుకుగా మారుతుందని కూడా వారు ప్రయోగంలో సూచించారు[8].
మూర్తి 6 గ్రాఫికల్ సబ్‌స్ట్రేట్ స్కీమాటిక్
V. సారాంశం మరియు ఔట్‌లుక్
బ్లూ లైట్ LED ఆ సంవత్సరం భౌతిక శాస్త్రంలో నోబెల్ బహుమతిని గెలుచుకున్నప్పుడు GaN పదార్థాలు 2014లో ఉద్భవించాయి మరియు వినియోగదారు ఎలక్ట్రానిక్స్ రంగంలో ఫాస్ట్ ఛార్జింగ్ అప్లికేషన్‌ల పబ్లిక్ రంగంలోకి ప్రవేశించాయి. వాస్తవానికి, 5G బేస్ స్టేషన్‌లలో ఉపయోగించే పవర్ యాంప్లిఫైయర్‌లు మరియు RF పరికరాలలోని అప్లికేషన్‌లు చాలా మంది వ్యక్తులు చూడలేనివి కూడా నిశ్శబ్దంగా ఉద్భవించాయి. ఇటీవలి సంవత్సరాలలో, GaN-ఆధారిత ఆటోమోటివ్-గ్రేడ్ పవర్ పరికరాల పురోగతి GaN మెటీరియల్ అప్లికేషన్ మార్కెట్ కోసం కొత్త వృద్ధి పాయింట్లను తెరుస్తుందని భావిస్తున్నారు.
భారీ మార్కెట్ డిమాండ్ తప్పనిసరిగా GaN-సంబంధిత పరిశ్రమలు మరియు సాంకేతికతల అభివృద్ధిని ప్రోత్సహిస్తుంది. GaN-సంబంధిత పారిశ్రామిక గొలుసు యొక్క పరిపక్వత మరియు మెరుగుదలతో, ప్రస్తుత GaN ఎపిటాక్సియల్ సాంకేతికత ఎదుర్కొంటున్న సమస్యలు చివరికి మెరుగుపరచబడతాయి లేదా అధిగమించబడతాయి. భవిష్యత్తులో, ప్రజలు తప్పనిసరిగా మరిన్ని కొత్త ఎపిటాక్సియల్ టెక్నాలజీలను మరియు మరింత అద్భుతమైన సబ్‌స్ట్రేట్ ఎంపికలను అభివృద్ధి చేస్తారు. అప్పటికి, అప్లికేషన్ దృష్టాంతాల లక్షణాల ప్రకారం వివిధ అప్లికేషన్ దృశ్యాల కోసం ప్రజలు అత్యంత అనుకూలమైన బాహ్య పరిశోధన సాంకేతికతను మరియు సబ్‌స్ట్రేట్‌ను ఎంచుకోగలుగుతారు మరియు అత్యంత పోటీతత్వ అనుకూలీకరించిన ఉత్పత్తులను ఉత్పత్తి చేయగలరు.
పోస్ట్ సమయం: జూన్-28-2024