তৃতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর GaN এবং সংশ্লিষ্ট এপিটেক্সিয়াল প্রযুক্তির সংক্ষিপ্ত পরিচিতি

১. তৃতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর

প্রথম প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর প্রযুক্তি সিলিকন (Si) এবং জার্মেনিয়াম (Ge)-এর মতো সেমিকন্ডাক্টর উপাদানের উপর ভিত্তি করে বিকশিত হয়েছিল। এটি ট্রানজিস্টর এবং ইন্টিগ্রেটেড সার্কিট প্রযুক্তির বিকাশের উপাদানগত ভিত্তি। প্রথম প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর উপাদানগুলো বিংশ শতাব্দীতে ইলেকট্রনিক শিল্পের ভিত্তি স্থাপন করেছিল এবং এগুলো ইন্টিগ্রেটেড সার্কিট প্রযুক্তির মৌলিক উপাদান।

দ্বিতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর উপকরণগুলোর মধ্যে প্রধানত গ্যালিয়াম আর্সেনাইড, ইন্ডিয়াম ফসফাইড, অ্যালুমিনিয়াম আর্সেনাইড এবং এদের ত্রিমাত্রিক যৌগসমূহ অন্তর্ভুক্ত। দ্বিতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর উপকরণগুলো হলো অপটোইলেকট্রনিক তথ্য শিল্পের ভিত্তি। এর উপর ভিত্তি করে আলোকসজ্জা, ডিসপ্লে, লেজার এবং ফটোভোল্টাইকসের মতো সংশ্লিষ্ট শিল্পগুলোর বিকাশ ঘটেছে। এগুলো সমসাময়িক তথ্য প্রযুক্তি এবং অপটোইলেকট্রনিক ডিসপ্লে শিল্পে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়।

তৃতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর উপকরণগুলোর মধ্যে গ্যালিয়াম নাইট্রাইড এবং সিলিকন কার্বাইড অন্যতম। এদের প্রশস্ত ব্যান্ড গ্যাপ, উচ্চ ইলেকট্রন স্যাচুরেশন ড্রিফট ভেলোসিটি, উচ্চ তাপ পরিবাহিতা এবং উচ্চ ব্রেকডাউন ফিল্ড স্ট্রেংথের কারণে, এগুলো উচ্চ-পাওয়ার ডেনসিটি, উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি এবং স্বল্প-ক্ষতির ইলেকট্রনিক ডিভাইস তৈরির জন্য আদর্শ উপাদান। এদের মধ্যে, সিলিকন কার্বাইড পাওয়ার ডিভাইসগুলোর উচ্চ শক্তি ঘনত্ব, কম শক্তি খরচ এবং ছোট আকারের মতো সুবিধা রয়েছে এবং নতুন শক্তির যানবাহন, ফটোভোল্টাইক, রেল পরিবহন, বিগ ডেটা এবং অন্যান্য ক্ষেত্রে এর ব্যাপক প্রয়োগের সম্ভাবনা রয়েছে। গ্যালিয়াম নাইট্রাইড আরএফ ডিভাইসগুলোর উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সি, উচ্চ পাওয়ার, প্রশস্ত ব্যান্ডউইথ, কম শক্তি খরচ এবং ছোট আকারের মতো সুবিধা রয়েছে এবং ৫জি কমিউনিকেশন, ইন্টারনেট অফ থিংস, সামরিক রাডার এবং অন্যান্য ক্ষেত্রে এর ব্যাপক প্রয়োগের সম্ভাবনা রয়েছে। এছাড়াও, গ্যালিয়াম নাইট্রাইড-ভিত্তিক পাওয়ার ডিভাইসগুলো নিম্ন-ভোল্টেজ ক্ষেত্রে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়ে আসছে। অধিকন্তু, সাম্প্রতিক বছরগুলোতে, উদীয়মান গ্যালিয়াম অক্সাইড উপাদানগুলো বিদ্যমান SiC এবং GaN প্রযুক্তির সাথে প্রযুক্তিগত পরিপূরকতা তৈরি করবে বলে আশা করা হচ্ছে এবং নিম্ন-ফ্রিকোয়েন্সি ও উচ্চ-ভোল্টেজ ক্ষেত্রে এর সম্ভাব্য প্রয়োগের সম্ভাবনা রয়েছে।

দ্বিতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর উপকরণগুলির তুলনায়, তৃতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর উপকরণগুলির ব্যান্ডগ্যাপের প্রস্থ বেশি (প্রথম প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর উপকরণের একটি সাধারণ উপাদান Si-এর ব্যান্ডগ্যাপের প্রস্থ প্রায় 1.1 eV, দ্বিতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর উপকরণের একটি সাধারণ উপাদান GaAs-এর ব্যান্ডগ্যাপের প্রস্থ প্রায় 1.42 eV, এবং তৃতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর উপকরণের একটি সাধারণ উপাদান GaN-এর ব্যান্ডগ্যাপের প্রস্থ 2.3 eV-এর উপরে), শক্তিশালী বিকিরণ প্রতিরোধ ক্ষমতা, বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র দ্বারা ভাঙনের বিরুদ্ধে শক্তিশালী প্রতিরোধ ক্ষমতা এবং উচ্চ তাপমাত্রা প্রতিরোধ ক্ষমতা রয়েছে। বৃহত্তর ব্যান্ডগ্যাপের প্রস্থযুক্ত তৃতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর উপকরণগুলি বিকিরণ-প্রতিরোধী, উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি, উচ্চ-ক্ষমতা এবং উচ্চ-সমন্বয়-ঘনত্বের ইলেকট্রনিক ডিভাইস উৎপাদনের জন্য বিশেষভাবে উপযুক্ত। মাইক্রোওয়েভ রেডিও ফ্রিকোয়েন্সি ডিভাইস, এলইডি, লেজার, পাওয়ার ডিভাইস এবং অন্যান্য ক্ষেত্রে তাদের প্রয়োগ অনেক মনোযোগ আকর্ষণ করেছে এবং মোবাইল যোগাযোগ, স্মার্ট গ্রিড, রেল ট্রানজিট, নতুন শক্তির যানবাহন, ভোক্তা ইলেকট্রনিক্স এবং অতিবেগুনী এবং নীল-সবুজ আলো ডিভাইসগুলিতে তারা ব্যাপক বিকাশের সম্ভাবনা দেখিয়েছে [1]।

ছবির উৎস: কাসা, ঝেশাং সিকিউরিটিজ রিসার্চ ইনস্টিটিউট

চিত্র ১ GaN পাওয়ার ডিভাইসের সময়সীমা এবং পূর্বাভাস

II GaN উপাদানের গঠন এবং বৈশিষ্ট্য

GaN একটি ডাইরেক্ট ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর। কক্ষ তাপমাত্রায় ভার্টজাইট কাঠামোর ব্যান্ডগ্যাপের প্রস্থ প্রায় 3.26eV। GaN পদার্থের তিনটি প্রধান স্ফটিক কাঠামো রয়েছে, যথা ভার্টজাইট কাঠামো, স্ফ্যালেরাইট কাঠামো এবং রক সল্ট কাঠামো। এদের মধ্যে, ভার্টজাইট কাঠামো সবচেয়ে স্থিতিশীল স্ফটিক কাঠামো। চিত্র 2 হল GaN এর ষটভুজাকার ভার্টজাইট কাঠামোর একটি ডায়াগ্রাম। GaN পদার্থের ভার্টজাইট কাঠামো একটি ষটভুজাকার ঘন-সন্নিকট কাঠামোর অন্তর্গত। প্রতিটি একক কোষে 12 টি পরমাণু থাকে, যার মধ্যে 6 টি N পরমাণু এবং 6 টি Ga পরমাণু। প্রতিটি Ga (N) পরমাণু তার নিকটতম 4 টি N (Ga) পরমাণুর সাথে বন্ধন তৈরি করে এবং [0001] দিক বরাবর ABABAB… ক্রমে সজ্জিত থাকে [2]।

চিত্র ২ উর্জাইট কাঠামো GaN স্ফটিক কোষের চিত্র

III GaN এপিট্যাক্সির জন্য সাধারণত ব্যবহৃত সাবস্ট্রেট

মনে হচ্ছে GaN এপিট্যাক্সির জন্য GaN সাবস্ট্রেটের উপর হোমোজেনাস এপিট্যাক্সিই সেরা পছন্দ। যাইহোক, GaN-এর উচ্চ বন্ধন শক্তির কারণে, যখন তাপমাত্রা 2500℃ গলনাঙ্কে পৌঁছায়, তখন এর সংশ্লিষ্ট বিয়োজন চাপ প্রায় 4.5 GPa হয়। যখন বিয়োজন চাপ এই চাপের চেয়ে কম হয়, তখন GaN গলে না বরং সরাসরি বিয়োজিত হয়। এর ফলে চোকরালস্কি পদ্ধতির মতো উন্নত সাবস্ট্রেট প্রস্তুতি প্রযুক্তিগুলো GaN একক স্ফটিক সাবস্ট্রেট তৈরির জন্য অনুপযুক্ত হয়ে পড়ে, যা GaN সাবস্ট্রেটের ব্যাপক উৎপাদনকে কঠিন এবং ব্যয়বহুল করে তোলে। অতএব, GaN এপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধিতে সাধারণত ব্যবহৃত সাবস্ট্রেটগুলো হলো প্রধানত Si, SiC, স্যাফায়ার, ইত্যাদি [3]।

চার্ট ৩: GaN এবং সাধারণভাবে ব্যবহৃত সাবস্ট্রেট উপকরণগুলির পরামিতি

স্যাফায়ারের উপর GaN এপিট্যাক্সি

স্যাফায়ারের রাসায়নিক বৈশিষ্ট্য স্থিতিশীল, এটি সস্তা এবং এর বৃহৎ পরিসরের উৎপাদন শিল্প বেশ পরিপক্ক। তাই, সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইস ইঞ্জিনিয়ারিং-এ এটি অন্যতম প্রাচীন এবং বহুল ব্যবহৃত সাবস্ট্রেট উপাদান হয়ে উঠেছে। GaN এপিট্যাক্সির জন্য বহুল ব্যবহৃত সাবস্ট্রেটগুলোর মধ্যে একটি হওয়ায়, স্যাফায়ার সাবস্ট্রেটের ক্ষেত্রে যে প্রধান সমস্যাগুলোর সমাধান করা প্রয়োজন, সেগুলো হলো:

✔ স্যাফায়ার (Al2O3) এবং GaN-এর মধ্যে প্রায় ১৫% ল্যাটিস মিসম্যাচের কারণে, এপিট্যাক্সিয়াল লেয়ার এবং সাবস্ট্রেটের সংযোগস্থলে ত্রুটির ঘনত্ব খুব বেশি থাকে। এর প্রতিকূল প্রভাব কমাতে, এপিট্যাক্সি প্রক্রিয়া শুরু হওয়ার আগে সাবস্ট্রেটকে অবশ্যই জটিল প্রি-ট্রিটমেন্টের মধ্য দিয়ে যেতে হয়। স্যাফায়ার সাবস্ট্রেটের উপর GaN এপিট্যাক্সি গ্রো করার আগে, প্রথমে সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠকে অবশ্যই কঠোরভাবে পরিষ্কার করতে হয় যাতে দূষক, পলিশিংয়ের ফলে সৃষ্ট অবশিষ্ট ক্ষতি ইত্যাদি দূর করা যায় এবং স্টেপ ও স্টেপ সারফেস স্ট্রাকচার তৈরি করা যায়। এরপর, এপিট্যাক্সিয়াল লেয়ারের ওয়েটিং বৈশিষ্ট্য পরিবর্তন করার জন্য সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠকে নাইট্রাইড করা হয়। সবশেষে, চূড়ান্ত এপিট্যাক্সিয়াল গ্রোথের জন্য প্রস্তুত করতে সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠে একটি পাতলা AlN বাফার লেয়ার (সাধারণত ১০-১০০ ন্যানোমিটার পুরু) জমা করতে হয় এবং কম তাপমাত্রায় অ্যানিল করতে হয়। তা সত্ত্বেও, স্যাফায়ার সাবস্ট্রেটের উপর তৈরি GaN এপিটেক্সিয়াল ফিল্মের ডিসলোকেশন ডেনসিটি এখনও হোমোএপিটেক্সিয়াল ফিল্মের চেয়ে বেশি (প্রায় 10¹⁰ cm⁻², যেখানে সিলিকন হোমোএপিটেক্সিয়াল ফিল্ম বা গ্যালিয়াম আর্সেনাইড হোমোএপিটেক্সিয়াল ফিল্মে ডিসলোকেশন ডেনসিটি কার্যত শূন্য, বা 10² থেকে 10⁴ cm⁻² এর মধ্যে)। উচ্চ ডিফেক্ট ডেনসিটি ক্যারিয়ার মোবিলিটি হ্রাস করে, যার ফলে মাইনরিটি ক্যারিয়ারের জীবনকাল কমে যায় এবং তাপ পরিবাহিতা হ্রাস পায়, এই সবগুলিই ডিভাইসের কর্মক্ষমতা হ্রাস করবে [4];

✔ স্যাফায়ারের তাপীয় প্রসারণ সহগ GaN-এর চেয়ে বেশি, তাই জমাট বাঁধার তাপমাত্রা থেকে কক্ষ তাপমাত্রায় শীতল হওয়ার প্রক্রিয়ার সময় এপিথেক্সিয়াল স্তরে দ্বিমুখী সংকোচনমূলক পীড়ন তৈরি হবে। অপেক্ষাকৃত পুরু এপিথেক্সিয়াল ফিল্মের ক্ষেত্রে, এই পীড়নের কারণে ফিল্ম বা এমনকি সাবস্ট্রেটেও ফাটল ধরতে পারে;

✔ অন্যান্য সাবস্ট্রেটের তুলনায়, স্যাফায়ার সাবস্ট্রেটের তাপ পরিবাহিতা কম (১০০℃ তাপমাত্রায় প্রায় ০.২৫W*cm-1*K-1), এবং এর তাপ অপচয়ের কার্যক্ষমতা দুর্বল;

✔ দুর্বল পরিবাহিতার কারণে, স্যাফায়ার সাবস্ট্রেট অন্যান্য সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসের সাথে একীকরণ এবং প্রয়োগের জন্য উপযোগী নয়।

যদিও স্যাফায়ার সাবস্ট্রেটের উপর তৈরি GaN এপিটেক্সিয়াল স্তরের ত্রুটির ঘনত্ব বেশি, তবুও এটি GaN-ভিত্তিক নীল-সবুজ LED-এর অপটোইলেকট্রনিক কর্মক্ষমতাকে উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস করে বলে মনে হয় না, তাই GaN-ভিত্তিক LED-এর জন্য স্যাফায়ার সাবস্ট্রেট এখনও সাধারণভাবে ব্যবহৃত হয়।

লেজার বা অন্যান্য উচ্চ-ঘনত্বের পাওয়ার ডিভাইসের মতো GaN ডিভাইসের আরও নতুন নতুন প্রয়োগের বিকাশের সাথে সাথে, স্যাফায়ার সাবস্ট্রেটের সহজাত ত্রুটিগুলো এর প্রয়োগের ক্ষেত্রে ক্রমশ একটি সীমাবদ্ধতা হয়ে দাঁড়িয়েছে। এছাড়াও, SiC সাবস্ট্রেট গ্রোথ প্রযুক্তির বিকাশ, খরচ হ্রাস এবং Si সাবস্ট্রেটের উপর GaN এপিটেক্সিয়াল প্রযুক্তির পরিপক্কতার কারণে, স্যাফায়ার সাবস্ট্রেটের উপর GaN এপিটেক্সিয়াল স্তর তৈরির গবেষণা ক্রমশ হ্রাস পাওয়ার প্রবণতা দেখাচ্ছে।

SiC এর উপর GaN এপিট্যাক্সি

স্যাফায়ারের তুলনায়, SiC সাবস্ট্রেটের (4H- এবং 6H-ক্রিস্টাল) GaN এপিটেক্সিয়াল লেয়ারের সাথে ল্যাটিস মিসম্যাচ কম (৩.১%, যা [0001] ওরিয়েন্টেড এপিটেক্সিয়াল ফিল্মের সমতুল্য), তাপ পরিবাহিতা বেশি (প্রায় ৩.৮ ওয়াট*সেমি⁻¹*কেলভিন⁻¹) ইত্যাদি সুবিধা রয়েছে। এছাড়াও, SiC সাবস্ট্রেটের এই পরিবাহিতার কারণে এর পেছনের দিকেও বৈদ্যুতিক সংযোগ স্থাপন করা যায়, যা ডিভাইসের গঠনকে সরল করতে সাহায্য করে। এই সুবিধাগুলোর অস্তিত্ব সিলিকন কার্বাইড সাবস্ট্রেটের উপর GaN এপিটেক্সি নিয়ে কাজ করার জন্য আরও বেশি সংখ্যক গবেষককে আকৃষ্ট করেছে।

তবে, GaN এপিলেয়ার তৈরি করা এড়ানোর জন্য সরাসরি SiC সাবস্ট্রেটের উপর কাজ করারও বেশ কিছু অসুবিধা রয়েছে, যার মধ্যে নিম্নলিখিতগুলো অন্তর্ভুক্ত:

✔ SiC সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠের অমসৃণতা স্যাফায়ার সাবস্ট্রেটের (স্যাফায়ারের অমসৃণতা ০.১ ন্যানোমিটার আরএমএস, SiC-এর অমসৃণতা ১ ন্যানোমিটার আরএমএস) তুলনায় অনেক বেশি। SiC সাবস্ট্রেটের কাঠিন্য বেশি এবং এর প্রক্রিয়াকরণ ক্ষমতা দুর্বল, এবং এই অমসৃণতা ও পলিশ করার ফলে সৃষ্ট অবশিষ্ট ক্ষতিও GaN এপিলেয়ারে ত্রুটির অন্যতম উৎস।

✔ SiC সাবস্ট্রেটের স্ক্রু ডিসলোকেশন ডেনসিটি বেশি (ডিসলোকেশন ডেনসিটি 10³-10⁴ সেমি⁻²), এই স্ক্রু ডিসলোকেশনগুলো GaN এপিলেয়ারে ছড়িয়ে পড়তে পারে এবং ডিভাইসের কর্মক্ষমতা কমিয়ে দিতে পারে;

✔ সাবস্ট্রেট পৃষ্ঠের পারমাণবিক বিন্যাস GaN এপিলেয়ারে স্ট্যাকিং ফল্ট (BSF) সৃষ্টি করে। SiC সাবস্ট্রেটের উপর এপিথেক্সিয়াল GaN-এর ক্ষেত্রে, সাবস্ট্রেটে একাধিক সম্ভাব্য পারমাণবিক বিন্যাস ক্রম থাকে, যার ফলে এর উপর এপিথেক্সিয়াল GaN স্তরের প্রাথমিক পারমাণবিক স্ট্যাকিং ক্রম অসামঞ্জস্যপূর্ণ হয়, যা স্ট্যাকিং ফল্টের জন্য সংবেদনশীল। স্ট্যাকিং ফল্ট (SF) c-অক্ষ বরাবর বিল্ট-ইন বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র তৈরি করে, যা ইন-প্লেন ক্যারিয়ার সেপারেশন ডিভাইসের লিকেজের মতো সমস্যার সৃষ্টি করে;

✔ SiC সাবস্ট্রেটের তাপীয় প্রসারণ সহগ AlN এবং GaN-এর তুলনায় কম, যার ফলে শীতলীকরণ প্রক্রিয়ার সময় এপিথেক্সিয়াল স্তর এবং সাবস্ট্রেটের মধ্যে তাপীয় পীড়ন জমা হয়। ওয়ালটেরাইট এবং ব্র্যান্ড তাদের গবেষণার ফলাফলের উপর ভিত্তি করে ভবিষ্যদ্বাণী করেছিলেন যে, পাতলা, সুসংগতভাবে পীড়িত AlN নিউক্লিয়েশন স্তরের উপর GaN এপিথেক্সিয়াল স্তর তৈরি করার মাধ্যমে এই সমস্যাটি প্রশমিত বা সমাধান করা যেতে পারে;

✔ Ga পরমাণুর দুর্বল ভেদ্যতার সমস্যা। যখন সরাসরি SiC পৃষ্ঠের উপর GaN এপিট্যাক্সিয়াল স্তর তৈরি করা হয়, তখন দুটি পরমাণুর মধ্যে দুর্বল ভেদ্যতার কারণে, সাবস্ট্রেট পৃষ্ঠে GaN-এর ত্রিমাত্রিক (3D) দ্বীপের মতো বৃদ্ধি (island growth) হওয়ার প্রবণতা দেখা যায়। GaN এপিট্যাক্সিতে এপিট্যাক্সিয়াল উপাদানের মান উন্নত করার জন্য বাফার স্তর ব্যবহার করা সবচেয়ে প্রচলিত সমাধান। একটি AlN বা AlxGa1-xN বাফার স্তর ব্যবহার করলে তা কার্যকরভাবে SiC পৃষ্ঠের ভেদ্যতা উন্নত করতে পারে এবং GaN এপিট্যাক্সিয়াল স্তরকে দ্বিমাত্রিকভাবে বৃদ্ধি পেতে সাহায্য করে। এছাড়াও, এটি চাপ নিয়ন্ত্রণ করতে পারে এবং সাবস্ট্রেটের ত্রুটিগুলোকে GaN এপিট্যাক্সিতে ছড়িয়ে পড়া থেকে প্রতিরোধ করতে পারে।

✔ SiC সাবস্ট্রেট তৈরির প্রযুক্তি এখনো অপরিণত, সাবস্ট্রেটের দাম বেশি এবং সরবরাহকারী ও সরবরাহ দুটোই অপ্রতুল।

টরেস এবং অন্যান্যদের গবেষণা দেখায় যে এপিট্যাক্সির আগে উচ্চ তাপমাত্রায় (1600°C) H2 দিয়ে SiC সাবস্ট্রেটকে এচিং করলে সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠে আরও সুশৃঙ্খল ধাপ কাঠামো তৈরি হতে পারে, যার ফলে মূল সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠে সরাসরি গ্রো করার চেয়ে উচ্চতর মানের AlN এপিট্যাক্সিয়াল ফিল্ম পাওয়া যায়। শি এবং তার দলের গবেষণাও দেখায় যে সিলিকন কার্বাইড সাবস্ট্রেটের এচিং প্রি-ট্রিটমেন্ট GaN এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের পৃষ্ঠের গঠন এবং স্ফটিকের গুণমানকে উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত করতে পারে। স্মিথ এবং অন্যান্যরা দেখেছেন যে সাবস্ট্রেট/বাফার স্তর এবং বাফার স্তর/এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের ইন্টারফেস থেকে উদ্ভূত থ্রেডিং ডিসলোকেশনগুলি সাবস্ট্রেটের সমতলতার সাথে সম্পর্কিত [5]।

চিত্র ৪ বিভিন্ন পৃষ্ঠতল প্রক্রিয়াকরণ অবস্থার অধীনে 6H-SiC সাবস্ট্রেট (0001) এর উপর জন্মানো GaN এপিটেক্সিয়াল স্তরের নমুনার TEM রূপবিদ্যা (ক) রাসায়নিক পরিষ্কারকরণ; (খ) রাসায়নিক পরিষ্কারকরণ + হাইড্রোজেন প্লাজমা প্রক্রিয়াকরণ; (গ) রাসায়নিক পরিষ্কারকরণ + হাইড্রোজেন প্লাজমা প্রক্রিয়াকরণ + 1300℃ তাপমাত্রায় 30 মিনিটের জন্য হাইড্রোজেন তাপ প্রক্রিয়াকরণ

Si এর উপর GaN এপিট্যাক্সি

সিলিকন কার্বাইড, স্যাফায়ার এবং অন্যান্য সাবস্ট্রেটের তুলনায়, সিলিকন সাবস্ট্রেট তৈরির প্রক্রিয়াটি পরিপক্ক, এবং এটি স্থিতিশীলভাবে উচ্চ ব্যয়-দক্ষতাসম্পন্ন পরিপক্ক বড় আকারের সাবস্ট্রেট সরবরাহ করতে পারে। একই সাথে, এর তাপ পরিবাহিতা এবং বিদ্যুৎ পরিবাহিতা ভালো, এবং সিলিকন ইলেকট্রনিক ডিভাইস তৈরির প্রক্রিয়াটিও পরিপক্ক। ভবিষ্যতে সিলিকন ইলেকট্রনিক ডিভাইসের সাথে অপটোইলেকট্রনিক GaN ডিভাইসগুলোকে নিখুঁতভাবে একীভূত করার সম্ভাবনাও সিলিকনের উপর GaN এপিট্যাক্সির বিকাশকে অত্যন্ত আকর্ষণীয় করে তুলেছে।

তবে, Si সাবস্ট্রেট এবং GaN উপাদানের ল্যাটিস কনস্ট্যান্টের মধ্যে বড় পার্থক্যের কারণে, Si সাবস্ট্রেটের উপর GaN-এর হেটেরোজেনাস এপিট্যাক্সি হলো একটি সাধারণ লার্জ মিসম্যাচ এপিট্যাক্সি, এবং এর জন্য একাধিক সমস্যারও সম্মুখীন হতে হয়:

✔ পৃষ্ঠতল ইন্টারফেস শক্তি সমস্যা। যখন একটি Si সাবস্ট্রেটের উপর GaN বৃদ্ধি পায়, তখন Si সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠতল প্রথমে নাইট্রাইডিত হয়ে একটি অনিয়তাকার সিলিকন নাইট্রাইড স্তর তৈরি করে, যা উচ্চ-ঘনত্বের GaN-এর নিউক্লিয়েশন এবং বৃদ্ধির জন্য অনুকূল নয়। এছাড়াও, Si পৃষ্ঠতল প্রথমে Ga-এর সংস্পর্শে আসে, যা Si সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠতলকে ক্ষয় করে। উচ্চ তাপমাত্রায়, Si পৃষ্ঠতলের এই ক্ষয় GaN এপিটেক্সিয়াল স্তরে ছড়িয়ে পড়ে কালো সিলিকন স্পট তৈরি করে।

✔ GaN এবং Si-এর মধ্যে ল্যাটিস ধ্রুবকের অমিল অনেক বেশি (~১৭%), যার ফলে উচ্চ-ঘনত্বের থ্রেডিং ডিসলোকেশন তৈরি হয় এবং এপিটেক্সিয়াল স্তরের গুণমান উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস পায়;

✔ Si-এর তুলনায় GaN-এর তাপীয় প্রসারণ সহগ বেশি (GaN-এর তাপীয় প্রসারণ সহগ প্রায় 5.6×10⁻⁶K⁻¹, Si-এর তাপীয় প্রসারণ সহগ প্রায় 2.6×10⁻⁶K⁻¹), এবং এপিটেক্সিয়াল তাপমাত্রা কক্ষ তাপমাত্রায় শীতল করার সময় GaN এপিটেক্সিয়াল স্তরে ফাটল তৈরি হতে পারে;

✔ উচ্চ তাপমাত্রায় Si, NH3 এর সাথে বিক্রিয়া করে পলিক্রিস্টালাইন SiNx গঠন করে। পলিক্রিস্টালাইন SiNx এর উপর AlN একটি পছন্দসইভাবে বিন্যস্ত নিউক্লিয়াস গঠন করতে পারে না, যার ফলে পরবর্তীতে গঠিত GaN স্তরের বিন্যাস বিশৃঙ্খল হয় এবং প্রচুর ত্রুটি দেখা দেয়, যার ফলস্বরূপ GaN এপিটেক্সিয়াল স্তরের স্ফটিকের গুণমান খারাপ হয়, এমনকি একক-স্ফটিক GaN এপিটেক্সিয়াল স্তর গঠন করাও কঠিন হয়ে পড়ে [6]।

বৃহৎ ল্যাটিস মিসম্যাচের সমস্যা সমাধানের জন্য, গবেষকরা Si সাবস্ট্রেটের উপর বাফার লেয়ার হিসেবে AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, এবং SiC-এর মতো পদার্থ ব্যবহার করার চেষ্টা করেছেন। পলিক্রিস্টালাইন SiNx-এর গঠন এড়াতে এবং GaN/AlN/Si (111) পদার্থের ক্রিস্টাল কোয়ালিটির উপর এর প্রতিকূল প্রভাব কমাতে, AlN বাফার লেয়ারের এপিটেক্সিয়াল গ্রোথের আগে সাধারণত একটি নির্দিষ্ট সময়ের জন্য TMAl ব্যবহার করা প্রয়োজন হয়, যাতে NH3 উন্মুক্ত Si পৃষ্ঠের সাথে বিক্রিয়া করে SiNx গঠন করতে না পারে। এছাড়াও, এপিটেক্সিয়াল লেয়ারের মান উন্নত করার জন্য প্যাটার্নড সাবস্ট্রেট প্রযুক্তির মতো এপিটেক্সিয়াল প্রযুক্তি ব্যবহার করা যেতে পারে। এই প্রযুক্তিগুলোর বিকাশ এপিটেক্সিয়াল ইন্টারফেসে SiNx-এর গঠনকে বাধা দিতে, GaN এপিটেক্সিয়াল লেয়ারের দ্বি-মাত্রিক বৃদ্ধিকে উৎসাহিত করতে এবং এপিটেক্সিয়াল লেয়ারের বৃদ্ধির মান উন্নত করতে সাহায্য করে। এছাড়াও, সিলিকন সাবস্ট্রেটের উপর GaN এপিটেক্সিয়াল লেয়ারে ফাটল এড়াতে তাপীয় প্রসারণ সহগের পার্থক্যের কারণে সৃষ্ট টেনসাইল স্ট্রেস পূরণের জন্য একটি AlN বাফার লেয়ার ব্যবহার করা হয়। ক্রোস্টের গবেষণা দেখায় যে AlN বাফার স্তরের পুরুত্ব এবং স্ট্রেইন হ্রাসের মধ্যে একটি ধনাত্মক সম্পর্ক রয়েছে। যখন বাফার স্তরের পুরুত্ব ১২ ন্যানোমিটারে পৌঁছায়, তখন একটি উপযুক্ত গ্রোথ স্কিমের মাধ্যমে সিলিকন সাবস্ট্রেটের উপর এপিথেক্সিয়াল স্তরে ফাটল ধরা ছাড়াই ৬ মাইক্রোমিটারের চেয়েও পুরু একটি এপিথেক্সিয়াল স্তর তৈরি করা সম্ভব হয়।

গবেষকদের দীর্ঘমেয়াদী প্রচেষ্টার ফলে সিলিকন সাবস্ট্রেটের উপর তৈরি GaN এপিটেক্সিয়াল স্তরের গুণগত মান উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত হয়েছে এবং ফিল্ড এফেক্ট ট্রানজিস্টর, স্কটকি ব্যারিয়ার অতিবেগুনি ডিটেক্টর, নীল-সবুজ এলইডি এবং অতিবেগুনি লেজারের মতো ডিভাইসগুলিতে উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি সাধিত হয়েছে।

সংক্ষেপে, যেহেতু সাধারণভাবে ব্যবহৃত GaN এপিটেক্সিয়াল সাবস্ট্রেটগুলো সবই হেটেরোজেনাস এপিটেক্সি, তাই এগুলো সবই বিভিন্ন মাত্রায় ল্যাটিস মিসম্যাচ এবং তাপীয় প্রসারণ সহগের বড় পার্থক্যের মতো সাধারণ সমস্যার সম্মুখীন হয়। হোমোজেনাস এপিটেক্সিয়াল GaN সাবস্ট্রেটগুলো প্রযুক্তির পরিপক্কতার কারণে সীমাবদ্ধ, এবং এই সাবস্ট্রেটগুলো এখনও ব্যাপকভাবে উৎপাদিত হয়নি। এর উৎপাদন খরচ বেশি, সাবস্ট্রেটের আকার ছোট এবং গুণমানও আদর্শ নয়। নতুন GaN এপিটেক্সিয়াল সাবস্ট্রেটের উন্নয়ন এবং এপিটেক্সিয়াল গুণমানের উন্নতি এখনও GaN এপিটেক্সিয়াল শিল্পের ভবিষ্যৎ অগ্রগতিকে সীমাবদ্ধকারী অন্যতম গুরুত্বপূর্ণ কারণ।

৪. GaN এপিট্যাক্সির সাধারণ পদ্ধতিসমূহ

এমওসিভিডি (রাসায়নিক বাষ্প জমা)

মনে হচ্ছে, GaN সাবস্ট্রেটের উপর হোমোজেনাস এপিট্যাক্সিই GaN এপিট্যাক্সির জন্য সেরা বিকল্প। তবে, যেহেতু কেমিক্যাল ভেপার ডিপোজিশনের প্রিকার্সর হলো ট্রাইমিথাইলগ্যালিয়াম ও অ্যামোনিয়া এবং ক্যারিয়ার গ্যাস হলো হাইড্রোজেন, তাই MOCVD-এর সাধারণ গ্রোথ তাপমাত্রা প্রায় ১০০০-১১০০℃ এবং এর গ্রোথ রেট প্রতি ঘন্টায় প্রায় কয়েক মাইক্রন। এটি পারমাণবিক স্তরে খাড়া ইন্টারফেস তৈরি করতে পারে, যা হেটেরোজংশন, কোয়ান্টাম ওয়েল, সুপারল্যাটিস এবং অন্যান্য কাঠামো তৈরির জন্য খুবই উপযুক্ত। এর দ্রুত গ্রোথ রেট, ভালো ইউনিফর্মিটি এবং বড় এলাকা ও একাধিক খণ্ডে গ্রোথের উপযুক্ততার কারণে এটি প্রায়শই শিল্প উৎপাদনে ব্যবহৃত হয়।
এমবিই (আণবিক রশ্মি এপিট্যাক্সি)
আণবিক রশ্মি এপিট্যাক্সিতে, Ga একটি মৌলিক উৎস হিসেবে ব্যবহৃত হয়, এবং সক্রিয় নাইট্রোজেন RF প্লাজমার মাধ্যমে নাইট্রোজেন থেকে প্রাপ্ত হয়। MOCVD পদ্ধতির তুলনায়, MBE বৃদ্ধির তাপমাত্রা প্রায় 350-400℃ কম। কম বৃদ্ধির তাপমাত্রা উচ্চ তাপমাত্রার পরিবেশের কারণে সৃষ্ট নির্দিষ্ট দূষণ এড়াতে পারে। MBE সিস্টেম অতি-উচ্চ ভ্যাকুয়ামের অধীনে কাজ করে, যা এটিকে আরও ইন-সিটু সনাক্তকরণ পদ্ধতি একীভূত করার সুযোগ দেয়। একই সময়ে, এর বৃদ্ধির হার এবং উৎপাদন ক্ষমতা MOCVD-এর সাথে তুলনীয় নয়, এবং এটি বৈজ্ঞানিক গবেষণায় বেশি ব্যবহৃত হয় [7]।

চিত্র 5 (a) Eiko-MBE স্কিম্যাটিক (b) MBE প্রধান প্রতিক্রিয়া চেম্বার পরিকল্পিত

HVPE পদ্ধতি (হাইড্রাইড বাষ্প পর্যায় এপিট্যাক্সি)

হাইড্রাইড ভেপার ফেজ এপিট্যাক্সি পদ্ধতির পূর্বসূরি হলো GaCl3 এবং NH3। ডেচপ্রোহম ও তার সহযোগীরা এই পদ্ধতি ব্যবহার করে একটি স্যাফায়ার সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠে কয়েকশ মাইক্রোন পুরু একটি GaN এপিট্যাক্সিয়াল স্তর তৈরি করেছিলেন। তাদের পরীক্ষায়, স্যাফায়ার সাবস্ট্রেট এবং এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের মধ্যে একটি বাফার স্তর হিসাবে ZnO-এর একটি স্তর তৈরি করা হয়েছিল এবং এপিট্যাক্সিয়াল স্তরটিকে সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠ থেকে তুলে ফেলা হয়েছিল। MOCVD এবং MBE-এর তুলনায়, HVPE পদ্ধতির প্রধান বৈশিষ্ট্য হলো এর উচ্চ বৃদ্ধির হার, যা পুরু স্তর এবং বাল্ক উপাদান উৎপাদনের জন্য উপযুক্ত। তবে, যখন এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের পুরুত্ব 20μm অতিক্রম করে, তখন এই পদ্ধতিতে উৎপাদিত এপিট্যাক্সিয়াল স্তরে ফাটল ধরার প্রবণতা দেখা দেয়।
আকিরা উসুই এই পদ্ধতির উপর ভিত্তি করে প্যাটার্নযুক্ত সাবস্ট্রেট প্রযুক্তি প্রবর্তন করেন। তারা প্রথমে MOCVD পদ্ধতি ব্যবহার করে একটি স্যাফায়ার সাবস্ট্রেটের উপর ১-১.৫ মাইক্রোমিটার পুরু একটি পাতলা GaN এপিটেক্সিয়াল স্তর তৈরি করেন। এই এপিটেক্সিয়াল স্তরটি নিম্ন তাপমাত্রায় তৈরি একটি ২০ ন্যানোমিটার পুরু GaN বাফার স্তর এবং উচ্চ তাপমাত্রায় তৈরি একটি GaN স্তর নিয়ে গঠিত ছিল। এরপর, ৪৩০℃ তাপমাত্রায় এপিটেক্সিয়াল স্তরের পৃষ্ঠে SiO2-এর একটি স্তর প্রলেপ দেওয়া হয় এবং ফটোলিথোগ্রাফির মাধ্যমে SiO2 ফিল্মের উপর উইন্ডো স্ট্রাইপ তৈরি করা হয়। স্ট্রাইপগুলোর মধ্যে দূরত্ব ছিল ৭ মাইক্রোমিটার এবং মাস্কের প্রস্থ ছিল ১ মাইক্রোমিটার থেকে ৪ মাইক্রোমিটার পর্যন্ত। এই উন্নতির পর, তারা ২-ইঞ্চি ব্যাসের স্যাফায়ার সাবস্ট্রেটের উপর এমন একটি GaN এপিটেক্সিয়াল স্তর পান যা কয়েক দশ বা এমনকি কয়েক শত মাইক্রোমিটার পর্যন্ত পুরুত্ব বৃদ্ধি পেলেও ফাটলমুক্ত এবং আয়নার মতো মসৃণ ছিল। প্রচলিত HVPE পদ্ধতির ত্রুটির ঘনত্ব 109-1010cm-2 থেকে প্রায় 6×107cm-2 এ হ্রাস করা হয়েছিল। তারা পরীক্ষায় আরও উল্লেখ করেছেন যে যখন বৃদ্ধির হার 75μm/h অতিক্রম করে, তখন নমুনার পৃষ্ঠ অমসৃণ হয়ে যায় [8]।

চিত্র ৬ সাবস্ট্রেটের গ্রাফিক্যাল নকশা

৫. সারসংক্ষেপ এবং ভবিষ্যৎ পরিকল্পনা

২০১৪ সালে নীল আলোর এলইডি পদার্থবিজ্ঞানে নোবেল পুরস্কার জেতার পর GaN উপাদানের আবির্ভাব ঘটতে শুরু করে এবং এটি কনজিউমার ইলেকট্রনিক্স ক্ষেত্রে দ্রুত চার্জিং অ্যাপ্লিকেশনের জগতে প্রবেশ করে। প্রকৃতপক্ষে, ৫জি বেস স্টেশনে ব্যবহৃত পাওয়ার অ্যামপ্লিফায়ার এবং আরএফ ডিভাইসের মতো এমন সব অ্যাপ্লিকেশনও নীরবে আত্মপ্রকাশ করেছে, যা বেশিরভাগ মানুষের চোখে পড়ে না। সাম্প্রতিক বছরগুলোতে, GaN-ভিত্তিক অটোমোটিভ-গ্রেড পাওয়ার ডিভাইসের যুগান্তকারী সাফল্য GaN উপাদানের অ্যাপ্লিকেশন বাজারের জন্য নতুন সম্ভাবনার দ্বার উন্মোচন করবে বলে আশা করা হচ্ছে।
বিপুল বাজার চাহিদা অবশ্যই GaN-সম্পর্কিত শিল্প ও প্রযুক্তির উন্নয়নে গতি আনবে। GaN-সম্পর্কিত শিল্প শৃঙ্খলের পরিপক্কতা ও উন্নতির সাথে সাথে, বর্তমান GaN এপিটেক্সিয়াল প্রযুক্তির সমস্যাগুলো অবশেষে উন্নত বা সমাধান করা হবে। ভবিষ্যতে, মানুষ অবশ্যই আরও নতুন এপিটেক্সিয়াল প্রযুক্তি এবং আরও উৎকৃষ্ট সাবস্ট্রেট বিকল্প উদ্ভাবন করবে। তখন, মানুষ বিভিন্ন প্রয়োগক্ষেত্রের বৈশিষ্ট্য অনুযায়ী সবচেয়ে উপযুক্ত বাহ্যিক গবেষণা প্রযুক্তি ও সাবস্ট্রেট বেছে নিতে এবং সবচেয়ে প্রতিযোগিতামূলক কাস্টমাইজড পণ্য উৎপাদন করতে সক্ষম হবে।