1. تیسری نسل کے سیمی کنڈکٹرز
پہلی نسل کی سیمی کنڈکٹر ٹیکنالوجی سیمی کنڈکٹر مواد جیسے سی اور جی کی بنیاد پر تیار کی گئی تھی۔ یہ ٹرانجسٹرز اور انٹیگریٹڈ سرکٹ ٹیکنالوجی کی ترقی کے لیے مادی بنیاد ہے۔ پہلی نسل کے سیمی کنڈکٹر مواد نے 20ویں صدی میں الیکٹرانک صنعت کی بنیاد رکھی اور یہ مربوط سرکٹ ٹیکنالوجی کے لیے بنیادی مواد ہیں۔
دوسری نسل کے سیمی کنڈکٹر مواد میں بنیادی طور پر گیلیم آرسنائیڈ، انڈیم فاسفائیڈ، گیلیم فاسفائیڈ، انڈیم آرسنائیڈ، ایلومینیم آرسنائیڈ اور ان کے ٹرنری مرکبات شامل ہیں۔ دوسری نسل کے سیمی کنڈکٹر مواد آپٹو الیکٹرانک انفارمیشن انڈسٹری کی بنیاد ہیں۔ اس بنیاد پر متعلقہ صنعتیں جیسے لائٹنگ، ڈسپلے، لیزر اور فوٹو وولٹک تیار کی گئی ہیں۔ وہ عصری انفارمیشن ٹکنالوجی اور آپٹو الیکٹرانک ڈسپلے صنعتوں میں بڑے پیمانے پر استعمال ہوتے ہیں۔
تیسری نسل کے سیمی کنڈکٹر مواد کے نمائندہ مواد میں گیلیم نائٹرائڈ اور سلکان کاربائیڈ شامل ہیں۔ ان کے وسیع بینڈ گیپ، ہائی الیکٹران سنترپتی بڑھنے کی رفتار، ہائی تھرمل چالکتا، اور ہائی بریک ڈاؤن فیلڈ طاقت کی وجہ سے، یہ ہائی پاور ڈینسٹی، ہائی فریکوئنسی، اور کم نقصان والے الیکٹرانک آلات کی تیاری کے لیے مثالی مواد ہیں۔ ان میں سے، سلیکن کاربائیڈ پاور ڈیوائسز میں توانائی کی کثافت، کم توانائی کی کھپت، اور چھوٹے سائز کے فوائد ہیں، اور نئی توانائی کی گاڑیوں، فوٹو وولٹک، ریل کی نقل و حمل، بڑے ڈیٹا اور دیگر شعبوں میں وسیع اطلاق کے امکانات ہیں۔ Gallium nitride RF ڈیوائسز میں ہائی فریکوئنسی، ہائی پاور، وسیع بینڈوڈتھ، کم بجلی کی کھپت اور چھوٹے سائز کے فوائد ہیں، اور 5G کمیونیکیشنز، انٹرنیٹ آف تھنگز، ملٹری ریڈار اور دیگر شعبوں میں وسیع اطلاق کے امکانات ہیں۔ اس کے علاوہ، کم وولٹیج والے فیلڈ میں گیلیم نائٹرائڈ پر مبنی پاور ڈیوائسز کو بڑے پیمانے پر استعمال کیا گیا ہے۔ اس کے علاوہ، حالیہ برسوں میں، ابھرتے ہوئے گیلیم آکسائیڈ مواد سے توقع کی جاتی ہے کہ وہ موجودہ SiC اور GaN ٹیکنالوجیز کے ساتھ تکنیکی تکمیل کریں گے، اور کم تعدد اور ہائی وولٹیج والے شعبوں میں ان کے استعمال کے امکانات ہیں۔
دوسری نسل کے سیمی کنڈکٹر مواد کے مقابلے میں، تیسری نسل کے سیمی کنڈکٹر مواد میں بینڈ گیپ کی چوڑائی وسیع ہوتی ہے (Si کی بینڈ گیپ چوڑائی، پہلی نسل کے سیمی کنڈکٹر مواد کا ایک عام مواد، تقریباً 1.1eV ہے، GaAs کی بینڈ گیپ چوڑائی، ایک عام دوسری نسل کے سیمی کنڈکٹر کے مواد کے بارے میں ہے 1.42eV، اور GaN کی بینڈ گیپ کی چوڑائی، تیسری نسل کے سیمی کنڈکٹر مواد کا ایک عام مواد، 2.3eV سے اوپر ہے)، مضبوط تابکاری مزاحمت، برقی میدان کی خرابی کے خلاف مضبوط مزاحمت، اور زیادہ درجہ حرارت کی مزاحمت۔ وسیع بینڈ گیپ چوڑائی کے ساتھ تیسری نسل کے سیمی کنڈکٹر مواد خاص طور پر تابکاری سے بچنے والے، ہائی فریکونسی، ہائی پاور اور ہائی انٹیگریشن کثافت والے الیکٹرانک آلات کی تیاری کے لیے موزوں ہیں۔ مائکروویو ریڈیو فریکوئنسی ڈیوائسز، ایل ای ڈیز، لیزرز، پاور ڈیوائسز اور دیگر شعبوں میں ان کی ایپلی کیشنز نے بہت زیادہ توجہ مبذول کی ہے، اور انہوں نے موبائل کمیونیکیشن، سمارٹ گرڈز، ریل ٹرانزٹ، نئی انرجی گاڑیاں، کنزیومر الیکٹرانکس، اور الٹرا وائلٹ اور بلیو میں وسیع ترقی کے امکانات ظاہر کیے ہیں۔ -سبز روشنی کے آلات [1]۔
تصویری ماخذ: CASA، Zheshang Securities Research Institute
تصویر 1 GaN پاور ڈیوائس ٹائم اسکیل اور پیشن گوئی
II GaN مادی ساخت اور خصوصیات
GaN ایک براہ راست بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹر ہے۔ کمرے کے درجہ حرارت پر wurtzite ڈھانچے کی بینڈ گیپ کی چوڑائی تقریباً 3.26eV ہے۔ GaN مواد میں تین اہم کرسٹل ڈھانچے ہیں، یعنی ورٹزائٹ ڈھانچہ، اسفالرائٹ ڈھانچہ اور راک نمک کا ڈھانچہ۔ ان میں سے، wurtzite ڈھانچہ سب سے زیادہ مستحکم کرسٹل ڈھانچہ ہے. شکل 2 GaN کے ہیکساگونل ورٹزائٹ ڈھانچے کا خاکہ ہے۔ GaN مواد کا ورٹزائٹ ڈھانچہ ہیکساگونل قریب سے بھرے ڈھانچے سے تعلق رکھتا ہے۔ ہر یونٹ سیل میں 12 ایٹم ہوتے ہیں جن میں 6 N ایٹم اور 6 Ga ایٹم شامل ہیں۔ ہر Ga (N) ایٹم 4 قریب ترین N (Ga) ایٹموں کے ساتھ ایک بانڈ بناتا ہے اور ABABAB… [0001] سمت [2] کے ساتھ ترتیب دیا جاتا ہے۔
شکل 2 Wurtzite ڈھانچہ GaN کرسٹل سیل ڈایاگرام
III GaN ایپیٹیکسی کے لیے عام طور پر استعمال ہونے والے ذیلی ذخائر
ایسا لگتا ہے کہ GaN سبسٹریٹس پر یکساں ایپیٹیکسی GaN ایپیٹیکسی کے لیے بہترین انتخاب ہے۔ تاہم، GaN کی بڑی بانڈ انرجی کی وجہ سے، جب درجہ حرارت 2500℃ کے پگھلنے کے مقام تک پہنچ جاتا ہے، تو اس کے مساوی گلنے کا دباؤ تقریباً 4.5GPa ہوتا ہے۔ جب گلنے کا دباؤ اس دباؤ سے کم ہوتا ہے، تو GaN پگھلتا نہیں ہے بلکہ براہ راست گل جاتا ہے۔ یہ پختہ سبسٹریٹ کی تیاری کی ٹیکنالوجیز جیسا کہ Czochralski طریقہ GaN سنگل کرسٹل سبسٹریٹس کی تیاری کے لیے غیر موزوں بناتا ہے، جس سے GaN سبسٹریٹس کو بڑے پیمانے پر پیدا کرنا مشکل اور مہنگا ہو جاتا ہے۔ لہذا، عام طور پر GaN ایپیٹیکسیل گروتھ میں استعمال ہونے والے ذیلی ذخائر بنیادی طور پر Si، SiC، نیلم وغیرہ ہیں [3]۔
چارٹ 3 GaN اور عام طور پر استعمال ہونے والے سبسٹریٹ مواد کے پیرامیٹرز
نیلم پر GaN epitaxy
نیلم مستحکم کیمیائی خصوصیات رکھتا ہے، سستا ہے، اور بڑے پیمانے پر پیداواری صنعت کی اعلی پختگی رکھتا ہے۔ لہذا، یہ سیمی کنڈکٹر ڈیوائس انجینئرنگ میں سب سے قدیم اور سب سے زیادہ استعمال ہونے والے سبسٹریٹ مواد میں سے ایک بن گیا ہے۔ GaN epitaxy کے لیے عام طور پر استعمال ہونے والے ذیلی ذخیروں میں سے ایک کے طور پر، نیلم کے ذیلی ذخیرے کے لیے جن اہم مسائل کو حل کرنے کی ضرورت ہے وہ یہ ہیں:
✔ نیلم (Al2O3) اور GaN (تقریباً 15%) کے درمیان بڑے جالیوں کی مماثلت کی وجہ سے، ایپیٹیکسیل پرت اور سبسٹریٹ کے درمیان انٹرفیس میں خرابی کی کثافت بہت زیادہ ہے۔ اس کے منفی اثرات کو کم کرنے کے لیے، epitaxy عمل شروع ہونے سے پہلے سبسٹریٹ کو پیچیدہ pretreatment کا نشانہ بنایا جانا چاہیے۔ سیفائر سبسٹریٹس پر GaN ایپیٹیکسی کو اگانے سے پہلے، سبسٹریٹ کی سطح کو سب سے پہلے سختی سے صاف کرنا ضروری ہے تاکہ آلودگیوں، بقایا چمکانے والے نقصان وغیرہ کو دور کیا جا سکے، اور قدموں اور سطح کے ڈھانچے کو تیار کیا جا سکے۔ اس کے بعد، اپیٹیکسیل پرت کی گیلا ہونے والی خصوصیات کو تبدیل کرنے کے لیے سبسٹریٹ کی سطح کو نائٹرائیڈ کیا جاتا ہے۔ آخر میں، ایک پتلی AlN بفر پرت (عام طور پر 10-100nm موٹی) کو سبسٹریٹ کی سطح پر جمع کرنے کی ضرورت ہے اور حتمی اپیٹیکسیل نمو کے لیے تیار کرنے کے لیے کم درجہ حرارت پر اینیل کیا جانا چاہیے۔ اس کے باوجود، نیلم ذیلی جگہوں پر اگنے والی GaN ایپیٹیکسیل فلموں میں سندچیوتی کثافت اب بھی ہوموپیٹاکسیل فلموں کی نسبت زیادہ ہے (تقریباً 1010cm-2، اس کے مقابلے میں بنیادی طور پر سیلیکون ہوموپیٹاکسیل فلموں یا گیلیم آرسنائیڈ homoepitaxial فلموں میں صفر ڈس لوکیشن کثافت یا گیلیم آرسنائیڈ homoepitax10100cm-20cm) 2)۔ زیادہ خرابی کی کثافت کیریئر کی نقل و حرکت کو کم کرتی ہے، اس طرح اقلیتی کیریئر کی زندگی کو کم کر دیتا ہے اور تھرمل چالکتا کو کم کرتا ہے، یہ سب ڈیوائس کی کارکردگی کو کم کر دے گا [4]؛
✔ نیلم کا تھرمل ایکسپینشن گتانک GaN سے زیادہ ہے، لہذا جمع ہونے والے درجہ حرارت سے کمرے کے درجہ حرارت تک ٹھنڈا ہونے کے عمل کے دوران ایپیٹیکسیل پرت میں دوباکشیل کمپریسیو تناؤ پیدا ہوگا۔ موٹی epitaxial فلموں کے لیے، یہ تناؤ فلم یا یہاں تک کہ سبسٹریٹ کے ٹوٹنے کا سبب بن سکتا ہے۔
✔ دیگر ذیلی ذخیروں کے مقابلے میں، نیلم کے ذیلی ذخائر کی تھرمل چالکتا کم ہے (تقریباً 0.25W*cm-1*K-1 100℃ پر)، اور گرمی کی کھپت کی کارکردگی خراب ہے۔
✔ اس کی خراب چالکتا کی وجہ سے، نیلم کے ذیلی ذخیرے دوسرے سیمی کنڈکٹر آلات کے ساتھ انضمام اور اطلاق کے لیے موزوں نہیں ہیں۔
اگرچہ نیلم سبسٹریٹس پر اگنے والی GaN ایپیٹیکسیل تہوں کی خرابی کی کثافت زیادہ ہے، لیکن ایسا لگتا ہے کہ یہ GaN پر مبنی نیلے سبز LEDs کی آپٹو الیکٹرانک کارکردگی کو نمایاں طور پر کم نہیں کرتا ہے، لہذا نیلم کے ذیلی ذخیرے اب بھی عام طور پر GaN پر مبنی LEDs کے لیے استعمال کیے جانے والے ذیلی ذخیرے ہیں۔
GaN آلات جیسے لیزرز یا دیگر اعلی کثافت والے پاور ڈیوائسز کی مزید نئی ایپلی کیشنز کی ترقی کے ساتھ، نیلم کے ذیلی ذخائر کے موروثی نقائص تیزی سے ان کے اطلاق پر ایک حد بن گئے ہیں۔ اس کے علاوہ، SiC سبسٹریٹ گروتھ ٹکنالوجی کی ترقی، لاگت میں کمی اور Si substrates پر GaN epitaxial ٹیکنالوجی کی پختگی کے ساتھ، sapphire substrates پر بڑھتی ہوئی GaN epitaxial تہوں پر مزید تحقیق نے آہستہ آہستہ ٹھنڈک کا رجحان دکھایا ہے۔
SiC پر GaN ایپیٹکسی
نیلم کے مقابلے میں، SiC سبسٹریٹس (4H- اور 6H-کرسٹلز) میں GaN ایپیٹیکسیل تہوں (3.1%، [0001] اورینٹڈ ایپیٹیکسیل فلموں کے برابر)، اعلی تھرمل چالکتا (تقریبا 3.8W*cm-1*K) کے ساتھ ایک چھوٹی جالی کی مماثلت ہے۔ -1)، وغیرہ۔ اس کے علاوہ، SiC سبسٹریٹس کی چالکتا بھی اجازت دیتا ہے۔ سبسٹریٹ کے پچھلے حصے پر بنائے جانے والے برقی رابطے، جو آلہ کی ساخت کو آسان بنانے میں مدد کرتا ہے۔ ان فوائد کے وجود نے زیادہ سے زیادہ محققین کو سلکان کاربائیڈ سبسٹریٹس پر GaN ایپیٹیکسی پر کام کرنے کی طرف راغب کیا ہے۔
تاہم، بڑھتے ہوئے GaN ایپلیئرز سے بچنے کے لیے SiC سبسٹریٹس پر براہ راست کام کرنے سے بھی نقصانات کی ایک سیریز کا سامنا کرنا پڑتا ہے، بشمول درج ذیل:
✔ SiC سبسٹریٹس کی سطح کا کھردرا پن سیفائر سبسٹریٹس سے بہت زیادہ ہے (سیفائر کھردرا پن 0.1nm RMS، SiC roughness 1nm RMS)، SiC سبسٹریٹس میں سختی اور ناقص پروسیسنگ کی کارکردگی ہوتی ہے، اور یہ کھردری اور بقایا چمکانے والے نقصانات میں سے ایک ہے۔ GaN ایپلیئرز میں نقائص کے ذرائع۔
✔ SiC سبسٹریٹس کی اسکرو ڈس لوکیشن کثافت زیادہ ہے (ڈسلوکیشن ڈینسٹی 103-104cm-2)، اسکرو ڈس لوکیشنز GaN ایپلیئر میں پھیل سکتے ہیں اور ڈیوائس کی کارکردگی کو کم کر سکتے ہیں۔
✔ سبسٹریٹ کی سطح پر جوہری ترتیب GaN ایپلیئر میں اسٹیکنگ فالٹس (BSFs) کی تشکیل کو اکساتا ہے۔ ایس آئی سی سبسٹریٹس پر ایپیٹیکسیل GaN کے لیے، سبسٹریٹ پر متعدد ممکنہ ایٹمک ترتیب کے آرڈرز ہوتے ہیں، جس کے نتیجے میں اس پر موجود ایپیٹیکسیل GaN پرت کا متضاد ابتدائی ایٹمک اسٹیکنگ آرڈر ہوتا ہے، جو اسٹیکنگ فالٹس کا شکار ہوتا ہے۔ اسٹیکنگ فالٹس (SFs) c-axis کے ساتھ ساتھ بلٹ ان الیکٹرک فیلڈز متعارف کرواتے ہیں، جس سے جہاز میں کیریئر علیحدگی کے آلات کے رساو جیسے مسائل پیدا ہوتے ہیں۔
✔ SiC سبسٹریٹ کا تھرمل ایکسپینشن گتانک AlN اور GaN سے چھوٹا ہے، جس کی وجہ سے کولنگ کے عمل کے دوران اپیٹیکسیل پرت اور سبسٹریٹ کے درمیان تھرمل تناؤ جمع ہوتا ہے۔ والٹیرائٹ اور برانڈ نے اپنے تحقیقی نتائج کی بنیاد پر پیش گوئی کی ہے کہ اس مسئلے کو کم کیا جا سکتا ہے یا پتلی، مربوط طور پر تنی ہوئی AlN نیوکلیشن تہوں پر GaN ایپیٹیکسیل تہوں کو بڑھا کر حل کیا جا سکتا ہے۔
✔ گا ایٹموں کے گیلے نہ ہونے کا مسئلہ۔ جب GaN epitaxial تہوں کو براہ راست SiC سطح پر بڑھاتے ہیں، تو دو ایٹموں کے درمیان ناقص گیلے پن کی وجہ سے، GaN سبسٹریٹ سطح پر 3D جزیرے کی نمو کا شکار ہوتا ہے۔ GaN epitaxy میں epitaxial میٹریل کے معیار کو بہتر بنانے کے لیے بفر پرت کا تعارف سب سے زیادہ استعمال ہونے والا حل ہے۔ ایک AlN یا AlxGa1-xN بفر پرت کو متعارف کروانے سے SiC سطح کی گیلے پن کو مؤثر طریقے سے بہتر بنایا جا سکتا ہے اور GaN ایپیٹیکسیل تہہ کو دو جہتوں میں بڑھایا جا سکتا ہے۔ اس کے علاوہ، یہ تناؤ کو بھی کنٹرول کر سکتا ہے اور سبسٹریٹ نقائص کو GaN epitaxy تک پھیلنے سے روک سکتا ہے۔
✔ SiC سبسٹریٹس کی تیاری کی ٹیکنالوجی ناپختہ ہے، سبسٹریٹس کی قیمت زیادہ ہے، اور سپلائی کرنے والے بہت کم ہیں اور سپلائی بہت کم ہے۔
Torres et al. کی تحقیق سے پتہ چلتا ہے کہ SIC سبسٹریٹ کو H2 کے ساتھ اعلی درجہ حرارت (1600 ° C) پر ایپیٹیکسی سے پہلے اینچ کرنے سے سبسٹریٹ کی سطح پر زیادہ ترتیب شدہ سٹیپ ڈھانچہ پیدا ہو سکتا ہے، اس طرح ایک اعلی معیار کی AlN ایپیٹیکسیل فلم حاصل ہوتی ہے جب کہ یہ براہ راست ہوتی ہے۔ اصل ذیلی سطح پر اگایا جاتا ہے۔ Xie اور ان کی ٹیم کی تحقیق سے یہ بھی پتہ چلتا ہے کہ سلکان کاربائیڈ سبسٹریٹ کی اینچنگ پریٹریٹمنٹ GaN epitaxial تہہ کی سطحی شکل اور کرسٹل کے معیار کو نمایاں طور پر بہتر بنا سکتی ہے۔ سمتھ وغیرہ۔ پتہ چلا کہ سبسٹریٹ/بفر پرت اور بفر لیئر/ایپٹیکسیل لیئر انٹرفیس سے شروع ہونے والی تھریڈنگ ڈس لوکیشنز سبسٹریٹ کی چپٹی سے متعلق ہیں [5]۔
شکل 4 مختلف سطح کے علاج کے حالات کے تحت 6H-SiC سبسٹریٹ (0001) پر اگائے گئے GaN ایپیٹیکسیل پرت کے نمونوں کی TEM مورفولوجی (a) کیمیائی صفائی؛ (ب) کیمیائی صفائی + ہائیڈروجن پلازما علاج؛ (c) کیمیائی صفائی + ہائیڈروجن پلازما ٹریٹمنٹ + 1300℃ ہائیڈروجن ہیٹ ٹریٹمنٹ 30 منٹ کے لیے
Si پر GaN epitaxy
سلیکون کاربائیڈ، سیفائر اور دیگر سبسٹریٹس کے مقابلے میں، سلیکون سبسٹریٹ کی تیاری کا عمل پختہ ہے، اور یہ مستحکم طور پر اعلیٰ لاگت کی کارکردگی کے ساتھ بڑے سائز کے بڑے سبسٹریٹس فراہم کر سکتا ہے۔ ایک ہی وقت میں، تھرمل چالکتا اور برقی چالکتا اچھی ہیں، اور سی الیکٹرانک ڈیوائس کا عمل پختہ ہے۔ مستقبل میں Si الیکٹرانک آلات کے ساتھ آپٹو الیکٹرونک GaN آلات کو مکمل طور پر مربوط کرنے کا امکان بھی سلیکون پر GaN ایپیٹیکسی کی ترقی کو بہت پرکشش بناتا ہے۔
تاہم، Si سبسٹریٹ اور GaN میٹریل کے درمیان جالی مستقل میں بڑے فرق کی وجہ سے، Si سبسٹریٹ پر GaN کی متفاوت ایپیٹیکسی ایک عام بڑی بے میل ایپیٹیکسی ہے، اور اسے کئی مسائل کا بھی سامنا کرنا پڑتا ہے:
✔ سطحی انٹرفیس توانائی کا مسئلہ۔ جب GaN کسی Si سبسٹریٹ پر بڑھتا ہے تو، Si سبسٹریٹ کی سطح کو سب سے پہلے نائٹرائیڈ کیا جائے گا تاکہ ایک بے ساختہ سلکان نائٹرائڈ پرت بن سکے جو کہ اعلی کثافت GaN کے نیوکلیشن اور نمو کے لیے موزوں نہیں ہے۔ اس کے علاوہ، Si سطح پہلے Ga سے رابطہ کرے گی، جو Si سبسٹریٹ کی سطح کو خراب کر دے گی۔ اعلی درجہ حرارت پر، Si کی سطح کا گلنا سیاہ سلیکان دھبے بنانے کے لیے GaN ایپیٹیکسیل تہہ میں پھیل جائے گا۔
✔ GaN اور Si کے درمیان جالی کا مستقل مماثلت بڑا ہے (~ 17%)، جو اعلی کثافت والی تھریڈنگ کی نقل مکانی کا باعث بنے گا اور epitaxial تہہ کے معیار کو نمایاں طور پر کم کرے گا۔
✔ Si کے مقابلے میں، GaN کا تھرمل ایکسپینشن گتانک بڑا ہے (GaN کا تھرمل ایکسپینشن گتانک تقریباً 5.6×10-6K-1 ہے، Si کا تھرمل ایکسپینشن گتانک تقریباً 2.6×10-6K-1 ہے)، اور GaN میں دراڑیں پیدا ہو سکتی ہیں۔ epitaxial پرت کمرے میں epitaxial درجہ حرارت کی ٹھنڈک کے دوران درجہ حرارت
✔ Si اعلی درجہ حرارت پر NH3 کے ساتھ رد عمل ظاہر کر کے پولی کرسٹل لائن SiNx بناتا ہے۔ AlN پولی کرسٹل لائن SiNx پر ترجیحی طور پر مبنی نیوکلئس نہیں بنا سکتا، جس کی وجہ سے بعد میں اگنے والی GaN پرت کی خرابی اور بہت زیادہ نقائص پیدا ہوتے ہیں، جس کے نتیجے میں GaN ایپیٹیکسیل پرت کا کرسٹل معیار خراب ہوتا ہے، اور یہاں تک کہ سنگل کرسٹل لائن بنانے میں دشواری ہوتی ہے۔ GaN ایپیٹیکسیل پرت [6]۔
بڑی جالیوں کی مماثلت کے مسئلے کو حل کرنے کے لیے، محققین نے کوشش کی ہے کہ AlAs، GaAs، AlN، GaN، ZnO، اور SiC جیسے مواد کو Si ذیلی جگہوں پر بفر تہوں کے طور پر متعارف کرایا جائے۔ پولی کرسٹل لائن SiNx کی تشکیل سے بچنے اور GaN/AlN/Si (111) مواد کے کرسٹل کوالٹی پر اس کے منفی اثرات کو کم کرنے کے لیے، TMAL کو عام طور پر AlN بفر پرت کے اپیٹیکسیل نمو سے پہلے ایک خاص مدت کے لیے متعارف کرانا ضروری ہوتا ہے۔ NH3 کو بے نقاب Si سطح کے ساتھ رد عمل ظاہر کرنے سے روکنے کے لیے SiNx بنانے کے لیے۔ اس کے علاوہ، ایپیٹیکسیل ٹیکنالوجیز جیسے پیٹرن والی سبسٹریٹ ٹیکنالوجی کو ایپیٹیکسیل پرت کے معیار کو بہتر بنانے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ ان ٹیکنالوجیز کی ترقی ایپیٹیکسیل انٹرفیس پر SiNx کی تشکیل کو روکنے، GaN epitaxial تہہ کی دو جہتی ترقی کو فروغ دینے اور epitaxial تہہ کی ترقی کے معیار کو بہتر بنانے میں مدد کرتی ہے۔ اس کے علاوہ، ایک AlN بفر پرت متعارف کرائی گئی ہے تاکہ تھرمل ایکسپینشن گتانک میں فرق کی وجہ سے پیدا ہونے والے تناؤ کے تناؤ کی تلافی کی جاسکے تاکہ سلکان سبسٹریٹ پر GaN ایپیٹیکسیل پرت میں دراڑیں پڑنے سے بچ سکیں۔ Krost کی تحقیق سے پتہ چلتا ہے کہ AlN بفر پرت کی موٹائی اور تناؤ میں کمی کے درمیان ایک مثبت تعلق ہے۔ جب بفر پرت کی موٹائی 12nm تک پہنچ جاتی ہے تو، 6μm سے زیادہ موٹی ایپیٹیکسیل تہہ کو بغیر کسی مناسب نمو کی اسکیم کے ذریعے سلیکون سبسٹریٹ پر اُگایا جا سکتا ہے، بغیر اپیٹیکسیل پرت کے کریکنگ۔
محققین کی طویل المدتی کوششوں کے بعد، سلیکون سبسٹریٹس پر اگنے والی GaN ایپیٹیکسیل تہوں کے معیار کو نمایاں طور پر بہتر کیا گیا ہے، اور فیلڈ ایفیکٹ ٹرانزسٹرز، Schottky بیریئر الٹرا وائلٹ ڈیٹیکٹر، بلیو گرین ایل ای ڈی اور الٹرا وائلٹ لیزرز جیسے آلات نے نمایاں پیش رفت کی ہے۔
خلاصہ یہ کہ، چونکہ عام طور پر استعمال ہونے والے GaN ایپیٹیکسیل سبسٹریٹس تمام متضاد ایپیٹیکسی ہیں، ان سب کو عام مسائل کا سامنا کرنا پڑتا ہے جیسے کہ جالیوں کی مماثلت اور تھرمل ایکسپینشن گتانک میں مختلف ڈگریوں میں بڑے فرق۔ یکساں ایپیٹیکسیل GaN سبسٹریٹس ٹیکنالوجی کی پختگی کی وجہ سے محدود ہیں، اور سبسٹریٹس ابھی تک بڑے پیمانے پر تیار نہیں ہوئے ہیں۔ پیداواری لاگت زیادہ ہے، سبسٹریٹ کا سائز چھوٹا ہے، اور سبسٹریٹ کا معیار مثالی نہیں ہے۔ نئے GaN epitaxial substrates کی ترقی اور epitaxial کوالٹی میں بہتری اب بھی ان اہم عوامل میں سے ایک ہے جو GaN epitaxial انڈسٹری کی مزید ترقی کو روکتی ہے۔
چہارم GaN epitaxy کے عام طریقے
MOCVD (کیمیائی بخارات کا ذخیرہ)
ایسا لگتا ہے کہ GaN سبسٹریٹس پر یکساں ایپیٹیکسی GaN ایپیٹیکسی کے لیے بہترین انتخاب ہے۔ تاہم، چونکہ کیمیائی بخارات کے جمع ہونے کا پیش خیمہ trimethylgallium اور امونیا ہیں، اور کیریئر گیس ہائیڈروجن ہے، اس لیے عام MOCVD بڑھنے کا درجہ حرارت تقریباً 1000-1100℃ ہے، اور MOCVD کی شرح نمو تقریباً چند مائکرون فی گھنٹہ ہے۔ یہ جوہری سطح پر کھڑی انٹرفیس تیار کر سکتا ہے، جو بڑھتے ہوئے ہیٹروجنکشنز، کوانٹم ویلز، سپرلاٹیسس اور دیگر ڈھانچے کے لیے بہت موزوں ہے۔ اس کی تیز رفتار ترقی کی شرح، اچھی یکسانیت، اور بڑے رقبے اور کثیر ٹکڑوں کی نمو کے لیے موزوں ہونا اکثر صنعتی پیداوار میں استعمال ہوتا ہے۔
MBE (سالماتی بیم ایپیٹیکسی)
مالیکیولر بیم ایپیٹیکسی میں، گا ایک عنصری ذریعہ استعمال کرتا ہے، اور فعال نائٹروجن نائٹروجن سے RF پلازما کے ذریعے حاصل کیا جاتا ہے۔ MOCVD طریقہ کے مقابلے میں، MBE کی ترقی کا درجہ حرارت تقریباً 350-400℃ کم ہے۔ نمو کا کم درجہ حرارت بعض آلودگی سے بچ سکتا ہے جو اعلی درجہ حرارت والے ماحول کی وجہ سے ہو سکتا ہے۔ ایم بی ای سسٹم انتہائی ہائی ویکیوم کے تحت کام کرتا ہے، جو اسے اندرونِ حالت پتہ لگانے کے مزید طریقوں کو مربوط کرنے کی اجازت دیتا ہے۔ ایک ہی وقت میں، اس کی شرح نمو اور پیداواری صلاحیت کا MOCVD سے موازنہ نہیں کیا جا سکتا، اور یہ سائنسی تحقیق میں زیادہ استعمال ہوتا ہے [7]۔
شکل 5 (a) Eiko-MBE اسکیمیٹک (b) MBE مین ری ایکشن چیمبر اسکیمیٹک
HVPE طریقہ (ہائیڈرائڈ واپر فیز ایپیٹیکسی)
ہائیڈرائڈ ویپر فیز ایپیٹیکسی طریقہ کے پیشرو GaCl3 اور NH3 ہیں۔ Detchprohm et al. اس طریقہ کو نیلم سبسٹریٹ کی سطح پر سینکڑوں مائیکرون موٹی ایک GaN ایپیٹیکسیل تہہ اگانے کے لیے استعمال کیا۔ ان کے تجربے میں، ZnO کی ایک پرت نیلم سبسٹریٹ اور ایپیٹیکسیل پرت کے درمیان بفر پرت کے طور پر اگائی گئی تھی، اور اپیٹیکسیل پرت کو سبسٹریٹ کی سطح سے چھلکا دیا گیا تھا۔ MOCVD اور MBE کے مقابلے میں، HVPE طریقہ کار کی اہم خصوصیت اس کی اعلی شرح نمو ہے، جو کہ موٹی تہوں اور بلک مواد کی تیاری کے لیے موزوں ہے۔ تاہم، جب epitaxial تہہ کی موٹائی 20μm سے زیادہ ہو جاتی ہے، تو اس طریقہ سے پیدا ہونے والی epitaxial تہہ میں دراڑیں پڑ جاتی ہیں۔
اکیرا یو ایس یو آئی نے اس طریقہ پر مبنی پیٹرن والی سبسٹریٹ ٹیکنالوجی متعارف کرائی۔ انہوں نے سب سے پہلے MOCVD طریقہ کا استعمال کرتے ہوئے نیلم سبسٹریٹ پر ایک پتلی 1-1.5μm موٹی GaN ایپیٹیکسیل پرت کو بڑھایا۔ ایپیٹیکسیل پرت میں کم درجہ حرارت کے حالات میں اگنے والی 20nm موٹی GaN بفر پرت اور اعلی درجہ حرارت کے حالات میں اگنے والی GaN پرت پر مشتمل ہے۔ اس کے بعد، 430℃ پر، SiO2 کی ایک پرت ایپیٹیکسیل پرت کی سطح پر چڑھائی گئی، اور SiO2 فلم پر فوٹو لیتھوگرافی کے ذریعے کھڑکی کی پٹیاں بنائی گئیں۔ پٹی کا فاصلہ 7μm تھا اور ماسک کی چوڑائی 1μm سے 4μm تک تھی۔ اس بہتری کے بعد، انہوں نے 2 انچ قطر کے نیلم سبسٹریٹ پر ایک GaN ایپیٹیکسیل پرت حاصل کی جو شگاف سے پاک اور آئینے کی طرح ہموار تھی یہاں تک کہ جب موٹائی دسیوں یا سینکڑوں مائکرون تک بڑھ جائے۔ خرابی کی کثافت روایتی HVPE طریقہ کے 109-1010cm-2 سے کم کر کے تقریباً 6×107cm-2 کر دی گئی۔ انہوں نے تجربے میں یہ بھی بتایا کہ جب شرح نمو 75μm/h سے تجاوز کر جائے گی تو نمونے کی سطح کھردری ہو جائے گی[8]۔
تصویر 6 گرافیکل سبسٹریٹ اسکیمیٹک
V. خلاصہ اور آؤٹ لک
GaN مواد 2014 میں ابھرنا شروع ہوا جب نیلی روشنی LED نے اسی سال فزکس کا نوبل انعام جیتا، اور کنزیومر الیکٹرانکس کے شعبے میں فاسٹ چارجنگ ایپلی کیشنز کے عوام کے میدان میں داخل ہوا۔ درحقیقت، 5G بیس سٹیشنوں میں استعمال ہونے والے پاور ایمپلیفائرز اور RF ڈیوائسز میں ایپلی کیشنز جنہیں زیادہ تر لوگ نہیں دیکھ سکتے وہ بھی خاموشی سے ابھری ہیں۔ حالیہ برسوں میں، GaN پر مبنی آٹوموٹیو-گریڈ پاور ڈیوائسز کی پیش رفت سے GaN میٹریل ایپلی کیشن مارکیٹ کے لیے ترقی کے نئے مقامات کی توقع ہے۔
مارکیٹ کی بڑی مانگ یقیناً GaN سے متعلقہ صنعتوں اور ٹیکنالوجیز کی ترقی کو فروغ دے گی۔ GaN سے متعلقہ صنعتی سلسلہ کی پختگی اور بہتری کے ساتھ، موجودہ GaN epitaxial ٹیکنالوجی کو درپیش مسائل بالآخر بہتر ہو جائیں گے یا ان پر قابو پا لیا جائے گا۔ مستقبل میں، لوگ یقینی طور پر مزید نئی ایپیٹیکسیل ٹیکنالوجیز اور مزید بہترین سبسٹریٹ آپشنز تیار کریں گے۔ اس وقت تک، لوگ ایپلی کیشن کے منظرناموں کی خصوصیات کے مطابق مختلف ایپلیکیشن منظرناموں کے لیے موزوں ترین بیرونی تحقیقی ٹیکنالوجی اور سبسٹریٹ کا انتخاب کر سکیں گے، اور انتہائی مسابقتی حسب ضرورت مصنوعات تیار کر سکیں گے۔
پوسٹ ٹائم: جون-28-2024