1. የሶስተኛ ትውልድ ሴሚኮንዳክተሮች
የመጀመሪያው ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቴክኖሎጂ የተገነባው እንደ ሲ እና ጂ ባሉ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁሶች ላይ በመመስረት ነው። ይህ ለትራንዚስተሮች እና ለተቀናጀ የወረዳ ቴክኖሎጂ ልማት ቁሳዊ መሠረት ነው። የመጀመሪያው ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁሶች በ20ኛው ክፍለ ዘመን ለኤሌክትሮኒክስ ኢንዱስትሪ መሠረት ጥለዋል እና ለተቀናጀ የወረዳ ቴክኖሎጂ መሠረታዊ ቁሳቁሶች ናቸው።
የሁለተኛው ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሶች በዋናነት ጋሊየም አርሴናይድ፣ ኢንዲየም ፎስፌድ፣ ጋሊየም ፎስፌድ፣ ኢንዲየም አርሴናይድ፣ አሉሚኒየም አርሴናይድ እና ተርናሪ ውህዶቻቸውን ያካትታሉ። የሁለተኛው ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሶች የኦፕቶኤሌክትሮኒክስ ኢንፎርሜሽን ኢንዱስትሪ መሠረት ናቸው። በዚህ መሠረት እንደ መብራት፣ ማሳያ፣ ሌዘር እና ፎቶቮልታይክስ ያሉ ተዛማጅ ኢንዱስትሪዎች ተዘጋጅተዋል። በዘመናዊ የኢንፎርሜሽን ቴክኖሎጂ እና በኦፕቶኤሌክትሮኒክስ ማሳያ ኢንዱስትሪዎች በስፋት ጥቅም ላይ ይውላሉ።
የሶስተኛው ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁሶች ተወካይ ቁሳቁሶች ጋሊየም ናይትሬድ እና ሲሊከን ካርቦይድ ያካትታሉ። በሰፊ የባንድ ክፍተት፣ ከፍተኛ የኤሌክትሮን ሙሌት ተንሸራታች ፍጥነት፣ ከፍተኛ የሙቀት አማቂነት እና ከፍተኛ የመበላሸት መስክ ጥንካሬ ምክንያት ከፍተኛ የኃይል ጥግግት፣ ከፍተኛ ድግግሞሽ እና ዝቅተኛ ኪሳራ ያላቸው የኤሌክትሮኒክስ መሳሪያዎችን ለማዘጋጀት ተስማሚ ቁሳቁሶች ናቸው። ከእነዚህም መካከል የሲሊከን ካርቦይድ የኃይል መሳሪያዎች ከፍተኛ የኃይል ጥግግት፣ ዝቅተኛ የኃይል ፍጆታ እና አነስተኛ መጠን ያላቸው ጥቅሞች አሏቸው፣ እና በአዲስ የኃይል ተሽከርካሪዎች፣ ፎቶቮልታይኮች፣ የባቡር ትራንስፖርት፣ ትልቅ ዳታ እና ሌሎች መስኮች ሰፊ የትግበራ ተስፋዎች አሏቸው። የጋሊየም ናይትሬድ አርኤፍ መሳሪያዎች ከፍተኛ ድግግሞሽ፣ ከፍተኛ ኃይል፣ ሰፊ የመተላለፊያ ይዘት፣ ዝቅተኛ የኃይል ፍጆታ እና አነስተኛ መጠን ያላቸው ጥቅሞች አሏቸው፣ እና በ5ጂ ግንኙነቶች፣ በኢንተርኔት ኦፍ ቲንግስ፣ በወታደራዊ ራዳር እና በሌሎች መስኮች ሰፊ የትግበራ ተስፋዎች አሏቸው። በተጨማሪም፣ በጋሊየም ናይትሬድ ላይ የተመሰረቱ የኃይል መሳሪያዎች በዝቅተኛ ቮልቴጅ መስክ በስፋት ጥቅም ላይ ውለዋል። በተጨማሪም፣ በቅርብ ዓመታት ውስጥ ብቅ ያሉ የጋሊየም ኦክሳይድ ቁሳቁሶች ከነባር SiC እና GaN ቴክኖሎጂዎች ጋር የቴክኒክ ማሟያ እንደሚፈጥሩ ይጠበቃል፣ እና በዝቅተኛ ድግግሞሽ እና በከፍተኛ ቮልቴጅ መስኮች ውስጥ ሊሆኑ የሚችሉ የትግበራ ተስፋዎች አሏቸው።
ከሁለተኛው ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁሶች ጋር ሲነጻጸር፣ የሶስተኛው ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁሶች ሰፊ የባንድ ክፍተት ስፋት አላቸው (የመጀመሪያው ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁስ የተለመደ ቁሳቁስ የሆነው የሲ ባንድ ክፍተት ስፋት 1.1eV አካባቢ ነው፣ የሁለተኛው ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁስ የተለመደ ቁሳቁስ የሆነው የGaAs ባንድ ክፍተት ስፋት 1.42eV አካባቢ ነው፣ እና የሶስተኛው ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁስ የተለመደ ቁሳቁስ የሆነው የGaN ባንድ ክፍተት ስፋት ከ2.3eV በላይ ነው)፣ የበለጠ የጨረር መቋቋም፣ ለኤሌክትሪክ መስክ መበላሸት ጠንካራ መቋቋም እና ከፍተኛ የሙቀት መቋቋም። ሰፊ የባንድ ክፍተት ስፋት ያላቸው የሶስተኛው ትውልድ ሴሚኮንዳክተር ቁሳቁሶች በተለይ ለጨረር መቋቋም፣ ለከፍተኛ ድግግሞሽ፣ ለከፍተኛ ኃይል እና ለከፍተኛ ውህደት ጥግግት የኤሌክትሮኒክስ መሳሪያዎችን ለማምረት ተስማሚ ናቸው። በማይክሮዌቭ የሬዲዮ ድግግሞሽ መሳሪያዎች፣ LEDs፣ ሌዘር፣ የኃይል መሳሪያዎች እና ሌሎች መስኮች ውስጥ አፕሊኬሽኖቻቸው ብዙ ትኩረትን ስበዋል፣ እና በሞባይል ግንኙነቶች፣ በስማርት ግሪዶች፣ በባቡር ትራንዚት፣ በአዳዲስ የኃይል ተሽከርካሪዎች፣ በሸማቾች ኤሌክትሮኒክስ እና በአልትራቫዮሌት እና በሰማያዊ-አረንጓዴ የብርሃን መሳሪያዎች ሰፊ የልማት ተስፋዎችን አሳይተዋል [1]።
የምስል ምንጭ፡ CASA፣ የዜሻንግ የደህንነት ምርምር ተቋም
ምስል 1 የ GaN የኃይል መሣሪያ የጊዜ መለኪያ እና ትንበያ
የ II GaN የቁሳቁስ መዋቅር እና ባህሪያት
GaN ቀጥተኛ የባንድ ክፍተት ሴሚኮንዳክተር ነው። የዉርትዚት መዋቅር የባንድ ክፍተት ስፋት በክፍል ሙቀት 3.26eV አካባቢ ነው። የGaN ቁሳቁሶች ሶስት ዋና ዋና የክሪስታል መዋቅሮች አሏቸው፣ እነሱም የዉርትዚት መዋቅር፣ የስፓላራይት መዋቅር እና የድንጋይ ጨው መዋቅር። ከእነዚህም መካከል የዉርትዚት መዋቅር በጣም የተረጋጋ የክሪስታል መዋቅር ነው። ምስል 2 የGaN ባለ ስድስት ጎን የዉርትዚት መዋቅር ንድፍ ነው። የGaN ቁሳቁስ የዉርትዚት መዋቅር ባለ ስድስት ጎን ቅርብ በሆነ መዋቅር ውስጥ ነው። እያንዳንዱ ዩኒት ሴል 6 N አቶሞች እና 6 Ga አቶሞችን ጨምሮ 12 አቶሞች አሉት። እያንዳንዱ Ga (N) አቶም ከ4 ቅርብ N (Ga) አቶሞች ጋር ትስስር ይፈጥራል እና በአባባብ ቅደም ተከተል ተደራርቧል… በ[0001] አቅጣጫ [2]።
ምስል 2 የዉርትዚት መዋቅር የጋኤን ክሪስታል ሴል ንድፍ
III ለ GaN ኤፒታክሲ በብዛት ጥቅም ላይ የሚውሉ ንጣፎች
በGaN ንጣፎች ላይ ያለው ተመሳሳይነት ያለው ኤፒታክሲ ለGaN ንጣፎች ምርጥ ምርጫ ይመስላል። ሆኖም ግን፣ በGaN ትልቅ ትስስር ኃይል ምክንያት፣ የሙቀት መጠኑ ወደ 2500℃ የመቅለጥ ነጥብ ሲደርስ፣ ተጓዳኝ የመበስበስ ግፊቱ 4.5GPa አካባቢ ነው። የመበስበስ ግፊቱ ከዚህ ግፊት በታች ሲሆን፣ GaN አይቀልጥም ነገር ግን በቀጥታ ይበሰብሳል። ይህም እንደ Czochralski ዘዴ ያሉ የበሰለ የንጣፎች ዝግጅት ቴክኖሎጂዎችን ለGaN ነጠላ ክሪስታል ንጣፎች ዝግጅት ተስማሚ እንዳይሆኑ ያደርጋቸዋል፣ ይህም የGaN ንጣፎችን በጅምላ ለማምረት አስቸጋሪ እና ውድ ያደርገዋል። ስለዚህ፣ በGaN ንጣፎች እድገት ውስጥ በብዛት ጥቅም ላይ የሚውሉት ንጣፎች በዋናነት Si፣ SiC፣ sapphire፣ ወዘተ. ናቸው [3]።
ገበታ 3 GaN እና በተለምዶ ጥቅም ላይ የዋሉ የንጣፍ ቁሶች መለኪያዎች
በሳፋየር ላይ የ GaN ኤፒታክሲ
ሰንፔር የተረጋጋ የኬሚካል ባህሪያት አሉት፣ ርካሽ ነው፣ እና ከፍተኛ የማምረቻ ኢንዱስትሪ ብስለት አለው። ስለዚህ፣ በሴሚኮንዳክተር መሳሪያ ምህንድስና ውስጥ በጣም ጥንታዊ እና በስፋት ጥቅም ላይ ከሚውሉት የንጣፍ ቁሶች አንዱ ሆኗል። ለ GaN ኤፒታክሲ በብዛት ጥቅም ላይ ከሚውሉት የንጣፍ ቁሶች አንዱ እንደመሆኑ መጠን፣ ለሰንፔር ቁሶች መፍትሔ የሚያስፈልጋቸው ዋና ዋና ችግሮች የሚከተሉት ናቸው፡
✔ በሰንፔር (Al2O3) እና GaN (ወደ 15%) መካከል ባለው ትልቅ የላቲስ አለመመጣጠን ምክንያት፣ በኤፒታክሲያል ንብርብር እና በንጣፉ መካከል ባለው ግንኙነት ላይ ያለው የጉድለት ጥግግት በጣም ከፍተኛ ነው። አሉታዊ ውጤቶቹን ለመቀነስ፣ የንጣፉ ክፍል ኤፒታክሲ ሂደቱ ከመጀመሩ በፊት ውስብስብ ቅድመ-ህክምና መደረግ አለበት። በሰንፔር ንጣፍ ላይ የGaN ኤፒታክሲን ከማብቀልዎ በፊት፣ የንጣፉ ወለል ብክለትን፣ የተረፈውን የማጥራት ጉዳትን፣ ወዘተ ለማስወገድ እና ደረጃዎችን እና የደረጃ ወለል አወቃቀሮችን ለማምረት በመጀመሪያ በጥብቅ ማጽዳት አለበት። ከዚያም የንጣፉ ወለል የኤፒታክሲያል ንብርብርን የእርጥበት ባህሪያት ለመቀየር ናይትሬድ ይደረጋል። በመጨረሻም፣ ቀጭን የAlN ቋት ንብርብር (ብዙውን ጊዜ ከ10-100nm ውፍረት ያለው) በንጣፉ ወለል ላይ መቀመጥ እና ለመጨረሻው የንጣፉ እድገት ለመዘጋጀት በዝቅተኛ ሙቀት መበከል አለበት። ቢሆንም፣ በሳፋየር ንጣፎች ላይ በሚበቅሉ የGaN ኤፒታክሲያል ፊልሞች ውስጥ ያለው የመፈናቀል ጥግግት አሁንም ከሆሞፒታክሲያል ፊልሞች (ወደ 1010 ሴ.ሜ-2 አካባቢ፣ በሲሊኮን ሆሞፒታክሲያል ፊልሞች ወይም በጋሊየም አርሴኒድ ሆሞፒታክሲያል ፊልሞች ውስጥ ወይም ከ102 እስከ 104 ሴ.ሜ-2 መካከል ካለው ዜሮ የመፈናቀል ጥግግት ጋር ሲነጻጸር) ከፍ ያለ ነው። ከፍተኛ የሆነ የጉድለት ጥግግት የተሸካሚ ተንቀሳቃሽነትን ይቀንሳል፣ በዚህም አናሳ ተሸካሚ ዕድሜን ያሳጥራል እና የሙቀት አማቂነትን ይቀንሳል፣ ይህም ሁሉ የመሳሪያውን አፈጻጸም ይቀንሳል [4]፤
✔ የሳፋየር የሙቀት ማስፋፊያ ኮፊሸንት ከ GaN የበለጠ ስለሆነ፣ ከማጠራቀሚያው የሙቀት መጠን ወደ ክፍል የሙቀት መጠን በሚቀዘቅዝበት ሂደት ውስጥ በኤፒታክሲያል ንብርብር ውስጥ የቢያክሲያል መጭመቂያ ውጥረት ይፈጠራል። ወፍራም ኤፒታክሲያል ፊልሞች፣ ይህ ጭንቀት የፊልሙን ወይም የንጣፉን እንኳን መሰንጠቅ ሊያስከትል ይችላል፤
✔ ከሌሎች ንጣፎች ጋር ሲነጻጸር፣ የሳፋየር ንጣፎች የሙቀት ማስተላለፊያ ዝቅተኛ ነው (በ100℃ 0.25W*cm-1*K-1 አካባቢ)፣ እና የሙቀት ማስተላለፊያ አፈጻጸም ደካማ ነው፤
✔ ደካማ የኮንክሪት ፍሰት ስላለው፣ የሳፋየር ንጣፎች ከሌሎች ሴሚኮንዳክተር መሳሪያዎች ጋር ለመዋሃድ እና ለመተግበር ምቹ አይደሉም።
በሰንፔር ንጣፎች ላይ የሚበቅሉት የGaN ኤፒታክሲያል ንብርብሮች ጉድለት ጥግግት ከፍተኛ ቢሆንም፣ በGaN ላይ የተመሰረቱ ሰማያዊ-አረንጓዴ LEDs የኦፕቶኤሌክትሮኒክ አፈፃፀምን በእጅጉ የሚቀንስ አይመስልም፣ ስለዚህ የሰንፔር ንጣፎች አሁንም ለGaN-ተኮር LEDs በተለምዶ ጥቅም ላይ የሚውሉ ንጣፎች ናቸው።
እንደ ሌዘር ወይም ሌሎች ከፍተኛ ጥግግት ያላቸው የኃይል መሳሪያዎች ያሉ የGaN መሳሪያዎች አዳዲስ አፕሊኬሽኖች በመፈጠራቸው፣ የሳፋየር ንጣፎች ውስጣዊ ጉድለቶች በአተገባበራቸው ላይ ገደብ እየሆኑ መጥተዋል። በተጨማሪም፣ የSiC ንጣፎች እድገት ቴክኖሎጂ፣ የወጪ ቅነሳ እና የGaN ንጣፎች በSi ንጣፎች ላይ የGaN ንጣፎችን በማብቀል ላይ የተደረጉ ተጨማሪ ጥናቶች ቀስ በቀስ የማቀዝቀዣ አዝማሚያ አሳይተዋል።
በSiC ላይ የGaN ኤፒታክሲ
ከሰንፔር ጋር ሲነጻጸር፣ የSiC ንጣፎች (4H- እና 6H-ክሪስታሎች) ከGaN ኤፒታክሲያል ንብርብሮች (3.1%፣ ከ[0001] ተኮር ኤፒታክሲያል ፊልሞች ጋር እኩል)፣ ከፍ ያለ የሙቀት ማስተላለፊያ (ወደ 3.8W*cm-1*K-1)፣ ወዘተ ጋር ትንሽ የላቲስ አለመጣጣም አላቸው። በተጨማሪም፣ የSiC ንጣፎች ኮንዳክሽን በንጣፉ ጀርባ ላይ የኤሌክትሪክ ግንኙነቶችን እንዲሰሩ ያስችላል፣ ይህም የመሳሪያውን መዋቅር ለማቃለል ይረዳል። የእነዚህ ጥቅሞች መኖር በሲሊኮን ካርቦይድ ንጣፎች ላይ በGaN ን ኤፒታክሲ ላይ እንዲሰሩ ብዙ ተመራማሪዎችን ስቧል።
ይሁን እንጂ፣ የ GaN epilayers እድገትን ለማስቀረት በቀጥታ በ SiC substrates ላይ መስራት የሚከተሉትን ጨምሮ በርካታ ጉዳቶች ያጋጥሙታል፡
✔ የSiC ንጣፎች የወለል ሻካራነት ከሰንፔር ንጣፎች (የሰንፔር ሻካራነት 0.1nm RMS፣ የSiC ሻካራነት 1nm RMS) በጣም ከፍ ያለ ነው፣ የSiC ንጣፎች ከፍተኛ ጥንካሬ እና ደካማ የማቀነባበሪያ አፈፃፀም አላቸው፣ እና ይህ ሻካራነት እና የተረፈ የማጥራት ጉዳት በGaN ንጣፎች ላይ ካሉት ጉድለቶች አንዱ ነው።
✔ የSiC ንጣፎች የዊንች መበታተን ጥግግት ከፍተኛ ነው (የመፈናቀል ጥግግት 103-104ሴሜ-2)፣ የዊንች መበታተን ወደ GaN ኤፒላይየር ሊዛመት እና የመሳሪያውን አፈፃፀም ሊቀንስ ይችላል፤
✔ በንጥረ ነገር ወለል ላይ ያለው የአቶሚክ አቀማመጥ በ GaN epilayer ውስጥ የቁልል ጉድለቶች (BSFs) እንዲፈጠሩ ያደርጋል። በ SiC substrates ላይ ለኤፒታክሲያል GaN፣ በንጥረ ነገር ላይ በርካታ ሊሆኑ የሚችሉ የአቶሚክ አቀማመጥ ቅደም ተከተሎች አሉ፣ ይህም በላዩ ላይ ያለው የኤፒታክሲያል GaN ንብርብር ወጥነት የሌለው የመጀመሪያ አቶሚክ የመቆለል ቅደም ተከተል ያስከትላል፣ ይህም የመቆለል ጉድለቶችን ያስከትላል። የመቆለል ጉድለቶች (SFs) በ c-axis በኩል አብሮ የተሰሩ የኤሌክትሪክ መስኮችን ያስተዋውቃሉ፣ ይህም እንደ አውሮፕላን ውስጥ ተሸካሚ የመለየት መሳሪያዎች መፍሰስ ያሉ ችግሮችን ያስከትላል፤
✔ የSiC ንዑስ ክፍል የሙቀት ማስፋፊያ ኮፊሸንት ከAlN እና GaN ያነሰ ሲሆን ይህም በማቀዝቀዝ ሂደት ወቅት በኤፒታክሲያል ንብርብር እና በንዑስ ክፍል መካከል የሙቀት ውጥረት እንዲከማች ያደርጋል። ዋልቴይት እና ብራንድ በምርምር ውጤታቸው ላይ በመመስረት ይህ ችግር በቀጭን፣ በተጣመሩ የተጣሩ የAlN ኒውክሊየሽን ንብርብሮች ላይ የGaN ኤፒታክሲያል ንብርብሮችን በማደግ ሊቃለል ወይም ሊፈታ እንደሚችል ተንብየዋል፤
✔ የጋ አቶሞች ደካማ የእርጥበት አቅም ችግር። በሁለቱ አቶሞች መካከል ባለው ደካማ የእርጥበት አቅም ምክንያት የጋኤን ኤፒታክሲያል ንብርብሮችን በቀጥታ በሲሲ ወለል ላይ ሲያድጉ፣ በሁለቱ አቶሞች መካከል ባለው ደካማ የእርጥበት አቅም ምክንያት፣ GaN በንጣፍ ወለል ላይ ለ3D ደሴት እድገት የተጋለጠ ነው። የቋት ንብርብር ማስተዋወቅ በጋኤን ኤፒታክሲያል ቁሶች ጥራት ለማሻሻል በብዛት ጥቅም ላይ የሚውለው መፍትሄ ነው። የAlN ወይም AlxGa1-xN የቋት ንብርብር ማስተዋወቅ የSiC ወለልን የእርጥበት አቅም በብቃት ሊያሻሽል እና የGaN ኤፒታክሲያል ንብርብር በሁለት ልኬቶች እንዲያድግ ሊያደርግ ይችላል። በተጨማሪም፣ ጭንቀትን መቆጣጠር እና የንጣፍ ጉድለቶች ወደ GaN ኤፒታክሲ እንዳይዘልቁ መከላከል ይችላል፤
✔ የSiC ንጣፎች የዝግጅት ቴክኖሎጂ ያልበሰለ፣ የንጣፎች ዋጋ ከፍተኛ ነው፣ እና ጥቂት አቅራቢዎች እና አቅርቦት አነስተኛ ነው።
የቶረስ እና ሌሎች ጥናቶች እንደሚያሳዩት የ SiC ንጣፍን በከፍተኛ ሙቀት (1600°ሴ) ከኤፒታክሲ በፊት በከፍተኛ ሙቀት (1600°ሴ) በH2 መቀባት በንጣፉ ወለል ላይ የበለጠ ቅደም ተከተል ያለው የደረጃ መዋቅር ሊፈጥር ይችላል፣ በዚህም በቀጥታ በዋናው የንጣፉ ወለል ላይ ከሚበቅልበት ጊዜ ይልቅ ከፍተኛ ጥራት ያለው የAlN epitaxial ፊልም ማግኘት ይችላል። የዢ እና የቡድናቸው ጥናት እንደሚያሳየው የሲሊኮን ካርቦይድ ንጣፍ ቅድመ-ህክምና ማድረግ የGaN epitaxial ንብርብርን የገጽታ ሞርፎሎጂ እና የክሪስታል ጥራት በእጅጉ ሊያሻሽል ይችላል። ስሚዝ እና ሌሎችም ከንጣፉ/የማደፊያ ንብርብር እና የብሬክ ንብርብር/የኤፒታክሲያል ንብርብር በይነገጾች የሚመጡ የክር መቆራረጦች ከንጣፉ ጠፍጣፋነት ጋር የተያያዙ ናቸው [5]።
ምስል 4 በተለያዩ የገጽታ ህክምና ሁኔታዎች (ሀ) በ6H-SiC substrate (0001) ላይ የሚበቅሉ የGaN ኤፒታክሲያል ንብርብር ናሙናዎች የTEM ሞርፎሎጂ (ሀ) የኬሚካል ጽዳት፤ (ለ) የኬሚካል ጽዳት + የሃይድሮጂን ፕላዝማ ሕክምና፤ (ሐ) የኬሚካል ጽዳት + የሃይድሮጂን ፕላዝማ ሕክምና + 1300℃ የሃይድሮጂን ሙቀት ሕክምና ለ30 ደቂቃ
የ GaN ኤፒታክሲ በSi ላይ
ከሲሊኮን ካርቦይድ፣ ሰንፔር እና ሌሎች ንጣፎች ጋር ሲነጻጸር፣ የሲሊኮን ንጣፎች የማዘጋጀት ሂደቱ የበሰለ ሲሆን ከፍተኛ ወጪ የሚጠይቁ ትላልቅ መጠን ያላቸውን ንጣፎችን በተረጋጋ ሁኔታ ማቅረብ ይችላል። በተመሳሳይ ጊዜ የሙቀት ማስተላለፊያ እና የኤሌክትሪክ ማስተላለፊያ ጥሩ ናቸው፣ እና የSi ኤሌክትሮኒክ መሳሪያ ሂደት የበሰለ ነው። ለወደፊቱ የኦፕቶኤሌክትሮኒክ GaN መሳሪያዎችን ከSi ኤሌክትሮኒክስ መሳሪያዎች ጋር በትክክል የማዋሃድ እድሉ በሲሊኮን ላይ የGaN ኤፒታክሲ እድገትን በጣም ማራኪ ያደርገዋል።
ሆኖም ግን፣ በSi substrate እና GaN ቁሳቁስ መካከል ባለው የላቲስ ቋሚዎች መካከል ባለው ትልቅ ልዩነት ምክንያት፣ በSi substrate ላይ ያለው የGaN የተለያዩ ኤፒታክሲዎች የተለመደ ትልቅ አለመዛመድ ኤፒታክሲ ናቸው፣ እና እንዲሁም ተከታታይ ችግሮችን መጋፈጥ አለባቸው፡
✔ የገጽታ በይነገጽ የኃይል ችግር። GaN በSi substrate ላይ ሲያድግ፣ የSi substrate ወለል በመጀመሪያ ናይትሬድ ይደረግበታል፣ ይህም ለከፍተኛ ጥግግት GaN ኒውክሊየሽን እና እድገት የማይመች አሞርፎስ ሲሊከን ናይትሬድ ንብርብር ይፈጥራል። በተጨማሪም፣ የSi ወለል መጀመሪያ ጋን ይገናኛል፣ ይህም የSi substrate ገጽን ያበላሻል። በከፍተኛ ሙቀት፣ የSi ገጽ መበስበስ ወደ GaN ኤፒታክሲያል ንብርብር ይሰራጫል እና ጥቁር የሲሊከን ነጠብጣቦችን ይፈጥራል።
✔ በGaN እና Si መካከል ያለው የላቲስ የማያቋርጥ አለመጣጣም ትልቅ ነው (~17%)፣ ይህም ከፍተኛ ጥግግት ያለው የክር መቆራረጥ እንዲፈጠር እና የኤፒታክሲያል ንብርብር ጥራትን በእጅጉ ይቀንሳል፤
✔ ከሲ ጋር ሲነጻጸር፣ GaN ትልቅ የሙቀት ማስፋፊያ ኮፊሸንት አለው (የGaN የሙቀት ማስፋፊያ ኮፊሸንት 5.6×10-6K-1 አካባቢ ነው፣ የSi የሙቀት ማስፋፊያ ኮፊሸንት 2.6×10-6K-1 አካባቢ ነው)፣ እና የኤፒታክሲያል ሙቀት ወደ ክፍል ሙቀት ሲቀዘቅዝ በGaN ኤፒታክሲያል ንብርብር ውስጥ ስንጥቆች ሊፈጠሩ ይችላሉ፤
✔ ሲ በከፍተኛ ሙቀት ከኤንኤች3 ጋር ምላሽ በመስጠት ፖሊክሪስታሊን ሲኤንክስ ይፈጥራል። አልኤን በፖሊክሪስታሊን ሲኤንክስ ላይ ተመራጭ አቅጣጫ ያለው ኒውክሊየስ መፍጠር አይችልም፣ ይህም በኋላ ላይ ወደተበቀለው የጋኤን ንብርብር አቅጣጫ መዛባ እና ከፍተኛ ቁጥር ያላቸው ጉድለቶች ያስከትላል፣ ይህም የጋኤን ኤፒታክሲያል ንብርብር ደካማ የክሪስታል ጥራት እና ነጠላ-ክሪስታል የጋኤን ኤፒታክሲያል ንብርብር ለመፍጠር እንኳን አስቸጋሪ ያደርገዋል [6]።
የትልቅ የላቲስ አለመመጣጠን ችግርን ለመፍታት ተመራማሪዎች እንደ AlAs፣ GaAs፣ AlN፣ GaN፣ ZnO እና SiC ያሉ ቁሳቁሶችን በSi substrates ላይ እንደ ቋት ንብርብሮች ለማስተዋወቅ ሞክረዋል። ፖሊክሪስታሊን SiNx እንዳይፈጠር እና በGaN/AlN/Si (111) ቁሳቁሶች ክሪስታል ጥራት ላይ ያለውን አሉታዊ ተጽእኖ ለመቀነስ፣ TMal ብዙውን ጊዜ የAlN ቋት ንብርብር ኤፒታክሲያል እድገት ከመደረጉ በፊት ለተወሰነ ጊዜ ማስተዋወቅ ይጠበቅበታል ይህም NH3 ከተጋለጠው Si ወለል ጋር ምላሽ እንዳይሰጥ ለመከላከል SiNx ይፈጥራል። በተጨማሪም፣ እንደ ንድፍ ያለው የንጣፍ ቴክኖሎጂ ያሉ ኤፒታክሲያል ቴክኖሎጂዎች የኤፒታክሲያል ንብርብርን ጥራት ለማሻሻል ጥቅም ላይ ሊውሉ ይችላሉ። የእነዚህ ቴክኖሎጂዎች ልማት በኤፒታክሲያል በይነገጽ ላይ የSiNx መፈጠርን ለመግታት፣ የGaN ኤፒታክሲያል ንብርብር ባለ ሁለት ገጽታ እድገትን ለማሳደግ እና የኤፒታክሲያል ንብርብር የእድገት ጥራትን ለማሻሻል ይረዳል። በተጨማሪም፣ በሲሊኮን substrate ላይ ባለው የGaN ኤፒታክሲያል ንብርብር ላይ ስንጥቆችን ለማስወገድ በሙቀት መስፋፋት ኮፊሸንት ልዩነት ምክንያት የሚመጣውን የመለጠጥ ውጥረት ለማካካስ የAlN ቋት ንብርብር ይገባል። የክሮስት ጥናት እንደሚያሳየው በአልኤን ቋት ንብርብር ውፍረት እና በውጥረት መቀነስ መካከል አዎንታዊ ትስስር አለ። የቋት ንብርብር ውፍረት 12nm ሲደርስ፣ ከ6μm በላይ የሆነ የኤፒታክሲያል ንብርብር በሲሊኮን ንጣፍ ላይ የኤፒታክሲያል ንብርብር ስንጥቅ ሳይኖር በተገቢው የእድገት ዘዴ ሊበቅል ይችላል።
ተመራማሪዎች ለረጅም ጊዜ ጥረት ካደረጉ በኋላ፣ በሲሊኮን ንጣፎች ላይ የሚበቅሉት የGaN ኤፒታክሲያል ንብርብሮች ጥራት በእጅጉ ተሻሽሏል፣ እና እንደ የመስክ ውጤት ትራንዚስተሮች፣ የሾትኪ መከላከያ አልትራቫዮሌት መመርመሪያዎች፣ ሰማያዊ-አረንጓዴ LEDs እና አልትራቫዮሌት ሌዘሮች ያሉ መሳሪያዎች ከፍተኛ እድገት አሳይተዋል።
ባጭሩ፣ በተለምዶ ጥቅም ላይ የሚውሉት የGaN ኤፒታክሲያል ንጣፎች ሁሉም የተለያዩ ኤፒታክሲዎች ስለሆኑ፣ ሁሉም እንደ የላቲስ አለመመጣጠን እና በተለያዩ ደረጃዎች የሙቀት ማስፋፊያ ኮፊሸንቶች ላይ ትልቅ ልዩነቶች ያሉ የተለመዱ ችግሮች ያጋጥሟቸዋል። ሆሞጂኔየስ ኤፒታክሲያል የGaN ንጣፎች በቴክኖሎጂ ብስለት የተገደቡ ናቸው፣ እና ንጣፎች ገና በጅምላ አልተመረቱም። የምርት ወጪው ከፍተኛ ነው፣ የንጣፎች መጠን ትንሽ ነው፣ እና የንጣፎች ጥራት ተስማሚ አይደለም። የአዳዲስ የGaN ኤፒታክሲያል ንጣፎች ልማት እና የኤፒታክሲያል ጥራት መሻሻል አሁንም የGaN ኤፒታክሲያል ኢንዱስትሪን ቀጣይ እድገት ከሚገድቡ አስፈላጊ ነገሮች አንዱ ነው።
IV. ለ GaN ኤፒታክሲ የተለመዱ ዘዴዎች
የኬሚካል ትነት ክምችት (MOCVD)
በGaN ንጣፎች ላይ ያለው ተመሳሳይነት ያለው ኤፒታክሲ ለGaN ኤፒታክሲ ምርጥ ምርጫ ይመስላል። ሆኖም ግን፣ የኬሚካል ትነት ክምችት ቅድመ-ሁኔታዎች ትሪሜቲልጋሊየም እና አሞኒያ ሲሆኑ፣ ተሸካሚው ጋዝ ደግሞ ሃይድሮጂን ስለሆነ፣ የተለመደው የMOCVD የእድገት ሙቀት ከ1000-1100℃ አካባቢ ነው፣ እና የMOCVD የእድገት መጠን በሰዓት ጥቂት ማይክሮን ያህል ነው። በአቶሚክ ደረጃ ቁልቁል መገናኛዎችን መፍጠር ይችላል፣ ይህም ለሄትሮጁንክሽንስ፣ ለኳንተም ጉድጓዶች፣ ለሱፐርላቲስ እና ለሌሎች መዋቅሮች በጣም ተስማሚ ነው። ፈጣን የእድገት መጠኑ፣ ጥሩ ወጥነት እና ለትልቅ ቦታ እና ለብዙ-ክፍል እድገት ተስማሚነቱ ብዙውን ጊዜ በኢንዱስትሪ ምርት ውስጥ ጥቅም ላይ ይውላሉ።
ሞለኪውላር ጨረር ኤፒታክሲ (ኤምቢኢ)
በሞለኪውላር ጨረር ኤፒታክሲ ውስጥ፣ ጋ ኤለመንታል ምንጭ ይጠቀማል፣ እና ንቁ ናይትሮጅን ከናይትሮጅን የሚገኘው በRF ፕላዝማ በኩል ነው። ከMOCVD ዘዴ ጋር ሲነጻጸር፣ የMBE የእድገት ሙቀት ከ350-400℃ ያነሰ ነው። ዝቅተኛ የእድገት ሙቀት በከፍተኛ የሙቀት አካባቢዎች ሊከሰቱ የሚችሉ የተወሰኑ ብክለቶችን ያስወግዳል። የMBE ስርዓት እጅግ በጣም ከፍተኛ በሆነ የቫክዩም ስር ይሰራል፣ ይህም የበለጠ በቦታው ውስጥ የመለየት ዘዴዎችን እንዲያዋህድ ያስችለዋል። በተመሳሳይ ጊዜ የእድገት መጠኑ እና የምርት አቅሙ ከMOCVD ጋር ሊወዳደር አይችልም፣ እና በሳይንሳዊ ምርምር ውስጥ የበለጠ ጥቅም ላይ ይውላል [7]።
ምስል 5 (ሀ) Eiko-MBE schematic (ለ) MBE ዋና ምላሽ ክፍል schematic
የHVPE ዘዴ (የሃይድሮድ ትነት ፋዝ ኤፒታክሲ)
የሃይድሮድ ትነት ፋዝ ኤፒታክሲ ዘዴ ቅድመ-ሁኔታዎች GaCl3 እና NH3 ናቸው። ዴችፕሮህም እና ሌሎችም ይህንን ዘዴ በሳፋየር ንጣፍ ወለል ላይ በመቶዎች የሚቆጠሩ ማይክሮኖችን ውፍረት የGaN ኤፒታክሲያል ንብርብር ለማሳደግ ተጠቅመዋል። በሙከራቸው፣ በሳፋየር ንጣፍ እና በኤፒታክሲያል ንብርብር መካከል እንደ ቋት ንብርብር የZnO ንብርብር አድጓል፣ እና የኤፒታክሲያል ንብርብር ከንጣፉ ወለል ተላጧል። ከ MOCVD እና MBE ጋር ሲነጻጸር፣ የHVPE ዘዴ ዋና ባህሪው ከፍተኛ የእድገት መጠኑ ሲሆን ይህም ወፍራም ንብርብሮችን እና የጅምላ ቁሳቁሶችን ለማምረት ተስማሚ ነው። ሆኖም፣ የኤፒታክሲያል ንብርብር ውፍረት ከ20 μm በላይ ሲሆን፣ በዚህ ዘዴ የሚመረተው የኤፒታክሲያል ንብርብር ለመሰነጣጠቅ የተጋለጠ ነው።
አኪራ ዩኤስዩአይ በዚህ ዘዴ ላይ ተመስርቶ የተቀረጸ የንጣፍ ቴክኖሎጂ አስተዋውቀዋል። በመጀመሪያ በ MOCVD ዘዴ በመጠቀም በሰንፔር ንጣፍ ላይ ቀጭን ከ1-1.5μm ውፍረት ያለው የGaN ኤፒታክሲያል ንብርብር አሳድገዋል። የኤፒታክሲያል ንብርብር በዝቅተኛ የሙቀት መጠን ስር የሚበቅል 20nm ውፍረት ያለው የGaN ቋት ንብርብር እና በከፍተኛ የሙቀት ሁኔታ ስር የሚበቅል የGaN ንብርብርን ያቀፈ ነበር። ከዚያም በ430℃ የሙቀት መጠን የSiO2 ንብርብር በኤፒታክሲያል ንብርብር ወለል ላይ ተለጠፈ፣ እና በSiO2 ፊልም ላይ የመስኮት መስመሮች በፎቶሊቶግራፊ ተሠርተዋል። የጭረት ክፍተት 7μm ነበር እና የጭምብሉ ስፋት ከ1μm እስከ 4μm ይደርሳል። ከዚህ መሻሻል በኋላ፣ ውፍረቱ ወደ አስር ወይም በመቶዎች የሚቆጠሩ ማይክሮኖች ሲጨምር እንኳን እንደ መስታወት ለስላሳ በሆነ ባለ 2 ኢንች ዲያሜትር ባለው የሳፕየር ንጣፍ ላይ የGaN ኤፒታክሲያል ንብርብር አግኝተዋል። የጉድለቱ ጥግግት ከባህላዊው የHVPE ዘዴ ከ109-1010cm-2 ወደ 6×107cm-2 ያህል ቀንሷል። በተጨማሪም በሙከራው ውስጥ የእድገት መጠኑ ከ75 μm/h ሲበልጥ የናሙናው ወለል ሻካራ እንደሚሆን ጠቁመዋል[8]።
ምስል 6 የግራፊክ ንጣፎች ንድፍ
ቪ. ማጠቃለያ እና እይታ
የGaN ቁሳቁሶች ብቅ ማለት የጀመሩት በ2014 ሰማያዊ መብራት ኤልኢዲ በፊዚክስ የኖቤል ሽልማትን ሲያሸንፍ እና በሸማቾች ኤሌክትሮኒክስ መስክ ውስጥ በፍጥነት በሚሞላው የሸማቾች መስክ ውስጥ ሲገባ ነው። እንደ እውነቱ ከሆነ፣ አብዛኛዎቹ ሰዎች ማየት በማይችሉት በ5ጂ መሰረታዊ ጣቢያዎች ውስጥ ጥቅም ላይ በሚውሉ የኃይል ማጉያዎች እና የRF መሳሪያዎች ውስጥ ያሉ አፕሊኬሽኖችም በጸጥታ ብቅ ብለዋል። በቅርብ ዓመታት ውስጥ፣ በGaN ላይ የተመሰረቱ አውቶሞቲቭ ደረጃ ያላቸው የኃይል መሳሪያዎች ግኝት ለGaN የቁሳቁስ አፕሊኬሽን ገበያ አዳዲስ የእድገት ነጥቦችን እንደሚከፍት ይጠበቃል።
የገበያው ግዙፍ ፍላጎት ከGaN ጋር የተያያዙ ኢንዱስትሪዎችን እና ቴክኖሎጂዎችን እድገት በእርግጠኝነት ያበረታታል። ከGaN ጋር የተያያዙ የኢንዱስትሪ ሰንሰለት ብስለት እና መሻሻል ጋር፣ የአሁኑ የGaN ኤፒታክሲያል ቴክኖሎጂ የሚያጋጥሟቸው ችግሮች በመጨረሻ ይሻሻላሉ ወይም ይወገዳሉ። ወደፊት ሰዎች በእርግጠኝነት አዳዲስ የኤፒታክሲያል ቴክኖሎጂዎችን እና የበለጠ ምርጥ የንዑስ አማራጮች ያዘጋጃሉ። በዚያን ጊዜ ሰዎች እንደ አተገባበር ሁኔታዎች ባህሪያት መሰረት ለተለያዩ የትግበራ ሁኔታዎች በጣም ተስማሚ የሆነውን የውጭ ምርምር ቴክኖሎጂ እና ንዑስ ክፍል መምረጥ እና በጣም ተወዳዳሪ የሆኑ ብጁ ምርቶችን ማምረት ይችላሉ።
የፖስታ ሰዓት፡ ሰኔ-28-2024