তৃতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর GaN এবং সম্পর্কিত এপিট্যাক্সিয়াল প্রযুক্তির সংক্ষিপ্ত ভূমিকা

১. তৃতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর

প্রথম প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর প্রযুক্তিটি Si এবং Ge এর মতো সেমিকন্ডাক্টর উপকরণের উপর ভিত্তি করে তৈরি করা হয়েছিল। এটি ট্রানজিস্টর এবং ইন্টিগ্রেটেড সার্কিট প্রযুক্তির বিকাশের জন্য উপাদানগত ভিত্তি। প্রথম প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর উপকরণগুলি বিংশ শতাব্দীতে ইলেকট্রনিক শিল্পের ভিত্তি স্থাপন করেছিল এবং ইন্টিগ্রেটেড সার্কিট প্রযুক্তির মৌলিক উপকরণ।

দ্বিতীয় প্রজন্মের অর্ধপরিবাহী উপকরণগুলির মধ্যে প্রধানত গ্যালিয়াম আর্সেনাইড, ইন্ডিয়াম ফসফাইড, গ্যালিয়াম ফসফাইড, ইন্ডিয়াম আর্সেনাইড, অ্যালুমিনিয়াম আর্সেনাইড এবং তাদের ত্রিমাত্রিক যৌগগুলি অন্তর্ভুক্ত। দ্বিতীয় প্রজন্মের অর্ধপরিবাহী উপকরণগুলি অপটোইলেকট্রনিক তথ্য শিল্পের ভিত্তি। এই ভিত্তিতে, আলো, প্রদর্শন, লেজার এবং ফটোভোলটাইকের মতো সম্পর্কিত শিল্পগুলি বিকশিত হয়েছে। সমসাময়িক তথ্য প্রযুক্তি এবং অপটোইলেকট্রনিক প্রদর্শন শিল্পে এগুলি ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়।

তৃতীয় প্রজন্মের অর্ধপরিবাহী উপকরণের প্রতিনিধিত্বমূলক উপকরণগুলির মধ্যে রয়েছে গ্যালিয়াম নাইট্রাইড এবং সিলিকন কার্বাইড। তাদের প্রশস্ত ব্যান্ড গ্যাপ, উচ্চ ইলেকট্রন স্যাচুরেশন ড্রিফ্ট বেগ, উচ্চ তাপ পরিবাহিতা এবং উচ্চ ব্রেকডাউন ফিল্ড শক্তির কারণে, এগুলি উচ্চ-শক্তি ঘনত্ব, উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি এবং কম-ক্ষতি ইলেকট্রনিক ডিভাইস তৈরির জন্য আদর্শ উপকরণ। এর মধ্যে, সিলিকন কার্বাইড পাওয়ার ডিভাইসগুলির উচ্চ শক্তি ঘনত্ব, কম শক্তি খরচ এবং ছোট আকারের সুবিধা রয়েছে এবং নতুন শক্তি যানবাহন, ফটোভোলটাইক, রেল পরিবহন, বড় ডেটা এবং অন্যান্য ক্ষেত্রে ব্যাপক প্রয়োগের সম্ভাবনা রয়েছে। গ্যালিয়াম নাইট্রাইড আরএফ ডিভাইসগুলির উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সি, উচ্চ শক্তি, প্রশস্ত ব্যান্ডউইথ, কম শক্তি খরচ এবং ছোট আকারের সুবিধা রয়েছে এবং 5G যোগাযোগ, ইন্টারনেট অফ থিংস, সামরিক রাডার এবং অন্যান্য ক্ষেত্রে ব্যাপক প্রয়োগের সম্ভাবনা রয়েছে। এছাড়াও, গ্যালিয়াম নাইট্রাইড-ভিত্তিক পাওয়ার ডিভাইসগুলি কম-ভোল্টেজ ক্ষেত্রে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়েছে। এছাড়াও, সাম্প্রতিক বছরগুলিতে, উদীয়মান গ্যালিয়াম অক্সাইড উপকরণগুলি বিদ্যমান SiC এবং GaN প্রযুক্তির সাথে প্রযুক্তিগত পরিপূরকতা তৈরি করবে এবং কম-ফ্রিকোয়েন্সি এবং উচ্চ-ভোল্টেজ ক্ষেত্রে সম্ভাব্য প্রয়োগের সম্ভাবনা থাকবে বলে আশা করা হচ্ছে।

দ্বিতীয় প্রজন্মের অর্ধপরিবাহী উপকরণের তুলনায়, তৃতীয় প্রজন্মের অর্ধপরিবাহী উপকরণগুলির ব্যান্ডগ্যাপ প্রস্থ আরও বিস্তৃত (প্রথম প্রজন্মের অর্ধপরিবাহী উপাদানের একটি সাধারণ উপাদান Si-এর ব্যান্ডগ্যাপ প্রস্থ প্রায় 1.1eV, দ্বিতীয় প্রজন্মের অর্ধপরিবাহী উপাদানের একটি সাধারণ উপাদান GaA-এর ব্যান্ডগ্যাপ প্রস্থ প্রায় 1.42eV, এবং তৃতীয় প্রজন্মের অর্ধপরিবাহী উপাদানের একটি সাধারণ উপাদান GaN-এর ব্যান্ডগ্যাপ প্রস্থ 2.3eV-এর উপরে), শক্তিশালী বিকিরণ প্রতিরোধ ক্ষমতা, বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র ভাঙ্গনের জন্য শক্তিশালী প্রতিরোধ এবং উচ্চ তাপমাত্রা প্রতিরোধ ক্ষমতা। বিস্তৃত ব্যান্ডগ্যাপ প্রস্থ সহ তৃতীয় প্রজন্মের অর্ধপরিবাহী উপকরণগুলি বিকিরণ-প্রতিরোধী, উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি, উচ্চ-শক্তি এবং উচ্চ-সংহতকরণ-ঘনত্ব ইলেকট্রনিক ডিভাইস উৎপাদনের জন্য বিশেষভাবে উপযুক্ত। মাইক্রোওয়েভ রেডিও ফ্রিকোয়েন্সি ডিভাইস, LED, লেজার, পাওয়ার ডিভাইস এবং অন্যান্য ক্ষেত্রে তাদের প্রয়োগগুলি অনেক মনোযোগ আকর্ষণ করেছে এবং তারা মোবাইল যোগাযোগ, স্মার্ট গ্রিড, রেল ট্রানজিট, নতুন শক্তি যানবাহন, ভোক্তা ইলেকট্রনিক্স এবং অতিবেগুনী এবং নীল-সবুজ আলো ডিভাইসগুলিতে বিস্তৃত উন্নয়ন সম্ভাবনা দেখিয়েছে [1]।

ছবির উৎস: CASA, ঝেশাং সিকিউরিটিজ রিসার্চ ইনস্টিটিউট

চিত্র ১ GaN পাওয়ার ডিভাইসের সময় স্কেল এবং পূর্বাভাস

II GaN উপাদানের গঠন এবং বৈশিষ্ট্য

GaN হল একটি সরাসরি ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর। ঘরের তাপমাত্রায় wurtzite কাঠামোর ব্যান্ডগ্যাপ প্রস্থ প্রায় 3.26eV। GaN পদার্থের তিনটি প্রধান স্ফটিক কাঠামো থাকে, যথা wurtzite কাঠামো, sphalerite কাঠামো এবং শিলা লবণ কাঠামো। এর মধ্যে, wurtzite কাঠামো হল সবচেয়ে স্থিতিশীল স্ফটিক কাঠামো। চিত্র 2 হল GaN এর ষড়ভুজাকার wurtzite কাঠামোর একটি চিত্র। GaN উপাদানের wurtzite কাঠামো একটি ষড়ভুজাকার ক্লোজ-প্যাকড কাঠামোর অন্তর্গত। প্রতিটি ইউনিট কোষে 12টি পরমাণু থাকে, যার মধ্যে 6টি N পরমাণু এবং 6টি Ga পরমাণু থাকে। প্রতিটি Ga (N) পরমাণু 4টি নিকটতম N (Ga) পরমাণুর সাথে একটি বন্ধন তৈরি করে এবং [0001] দিক [2] বরাবর ABABAB... এর ক্রমানুসারে স্তুপীকৃত হয়।

চিত্র 2 Wurtzite গঠন GaN স্ফটিক কোষ চিত্র

III GaN এপিট্যাক্সির জন্য সাধারণত ব্যবহৃত সাবস্ট্রেট

মনে হচ্ছে GaN সাবস্ট্রেটের উপর সমজাতীয় এপিট্যাক্সি হল GaN এপিট্যাক্সির জন্য সর্বোত্তম পছন্দ। তবে, GaN এর বৃহৎ বন্ধন শক্তির কারণে, যখন তাপমাত্রা 2500℃ এর গলনাঙ্কে পৌঁছায়, তখন এর সংশ্লিষ্ট পচন চাপ প্রায় 4.5GPa হয়। যখন পচন চাপ এই চাপের চেয়ে কম হয়, তখন GaN গলে না বরং সরাসরি পচে যায়। এটি Czochralski পদ্ধতির মতো পরিপক্ক সাবস্ট্রেট প্রস্তুতি প্রযুক্তিগুলিকে GaN একক স্ফটিক সাবস্ট্রেট তৈরির জন্য অনুপযুক্ত করে তোলে, যার ফলে GaN সাবস্ট্রেটগুলি ভর উৎপাদন করা কঠিন এবং ব্যয়বহুল হয়ে ওঠে। অতএব, GaN এপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধিতে সাধারণত ব্যবহৃত সাবস্ট্রেটগুলি হল প্রধানত Si, SiC, নীলকান্তমণি ইত্যাদি [3]।

চার্ট ৩: সাধারণত ব্যবহৃত সাবস্ট্রেট উপকরণের GaN এবং পরামিতি

নীলকান্তমণির উপর GaN এপিট্যাক্সি

নীলকান্তমণির রাসায়নিক বৈশিষ্ট্য স্থিতিশীল, সস্তা এবং বৃহৎ উৎপাদন শিল্পের জন্য উচ্চ পরিপক্কতা রয়েছে। অতএব, এটি সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইস ইঞ্জিনিয়ারিংয়ে প্রাচীনতম এবং সর্বাধিক ব্যবহৃত সাবস্ট্রেট উপকরণগুলির মধ্যে একটি হয়ে উঠেছে। GaN এপিট্যাক্সির জন্য সাধারণত ব্যবহৃত সাবস্ট্রেটগুলির মধ্যে একটি হিসাবে, নীলকান্তমণির সাবস্ট্রেটগুলির জন্য যে প্রধান সমস্যাগুলি সমাধান করা প্রয়োজন তা হল:

✔ নীলকান্তমণি (Al2O3) এবং GaN (প্রায় 15%) এর মধ্যে বৃহৎ জালির অমিলের কারণে, এপিট্যাক্সিয়াল স্তর এবং সাবস্ট্রেটের মধ্যবর্তী স্থানে ত্রুটির ঘনত্ব খুব বেশি। এর প্রতিকূল প্রভাব কমাতে, এপিট্যাক্সিয়া প্রক্রিয়া শুরু হওয়ার আগে সাবস্ট্রেটটিকে জটিল প্রিট্রিটমেন্টের শিকার হতে হবে। নীলকান্তমণি সাবস্ট্রেটগুলিতে GaN এপিট্যাক্সিয়া বৃদ্ধির আগে, দূষণকারী পদার্থ, অবশিষ্ট পলিশিং ক্ষতি ইত্যাদি অপসারণের জন্য এবং ধাপ এবং ধাপ পৃষ্ঠের কাঠামো তৈরি করার জন্য প্রথমে সাবস্ট্রেট পৃষ্ঠটি কঠোরভাবে পরিষ্কার করতে হবে। তারপরে, এপিট্যাক্সিয়া স্তরের ভেজা বৈশিষ্ট্য পরিবর্তন করার জন্য সাবস্ট্রেট পৃষ্ঠটি নাইট্রাইড করা হয়। অবশেষে, একটি পাতলা AlN বাফার স্তর (সাধারণত 10-100nm পুরু) সাবস্ট্রেট পৃষ্ঠে জমা করতে হবে এবং চূড়ান্ত এপিট্যাক্সিয়া বৃদ্ধির জন্য প্রস্তুত করার জন্য কম তাপমাত্রায় অ্যানিল করতে হবে। তবুও, নীলকান্তমণি স্তরে জন্মানো GaN এপিট্যাক্সিয়াল ফিল্মের স্থানচ্যুতি ঘনত্ব হোমিওপিট্যাক্সিয়াল ফিল্মের তুলনায় এখনও বেশি (প্রায় 1010cm-2, সিলিকন হোমিওপিট্যাক্সিয়াল ফিল্ম বা গ্যালিয়াম আর্সেনাইড হোমিওপিট্যাক্সিয়াল ফিল্মে মূলত শূন্য স্থানচ্যুতি ঘনত্বের তুলনায়, অথবা 102 এবং 104cm-2 এর মধ্যে)। উচ্চতর ত্রুটি ঘনত্ব ক্যারিয়ারের গতিশীলতা হ্রাস করে, যার ফলে মাইনরিটি ক্যারিয়ারের জীবনকাল সংক্ষিপ্ত হয় এবং তাপ পরিবাহিতা হ্রাস পায়, যার সবকটিই ডিভাইসের কর্মক্ষমতা হ্রাস করবে [4];

✔ নীলকান্তমণির তাপীয় প্রসারণ সহগ GaN এর চেয়ে বেশি, তাই জমা তাপমাত্রা থেকে ঘরের তাপমাত্রায় শীতল হওয়ার প্রক্রিয়া চলাকালীন এপিট্যাক্সিয়াল স্তরে দ্বিঅক্ষীয় সংকোচনশীল চাপ তৈরি হবে। ঘন এপিট্যাক্সিয়াল ফিল্মের জন্য, এই চাপ ফিল্ম বা এমনকি সাবস্ট্রেটের ফাটল সৃষ্টি করতে পারে;

✔ অন্যান্য সাবস্ট্রেটের তুলনায়, নীলকান্তমণি সাবস্ট্রেটের তাপ পরিবাহিতা কম (প্রায় 0.25W*cm-1*K-1 100℃ তাপমাত্রায়), এবং তাপ অপচয় কর্মক্ষমতা খারাপ;

✔ এর দুর্বল পরিবাহিতার কারণে, নীলকান্তমণি স্তরগুলি অন্যান্য অর্ধপরিবাহী ডিভাইসের সাথে তাদের একীকরণ এবং প্রয়োগের জন্য উপযুক্ত নয়।

যদিও নীলকান্তমণি স্তরগুলিতে জন্মানো GaN এপিট্যাক্সিয়াল স্তরগুলির ত্রুটির ঘনত্ব বেশি, তবুও এটি GaN-ভিত্তিক নীল-সবুজ LED-এর অপটোইলেক্ট্রনিক কর্মক্ষমতা উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস করবে বলে মনে হয় না, তাই নীলকান্তমণি স্তরগুলি এখনও GaN-ভিত্তিক LED-এর জন্য সাধারণত ব্যবহৃত স্তর।

লেজার বা অন্যান্য উচ্চ-ঘনত্বের পাওয়ার ডিভাইসের মতো GaN ডিভাইসের আরও নতুন অ্যাপ্লিকেশনের বিকাশের সাথে সাথে, নীলকান্তমণি সাবস্ট্রেটের অন্তর্নিহিত ত্রুটিগুলি তাদের প্রয়োগের ক্ষেত্রে ক্রমবর্ধমান সীমাবদ্ধতা হয়ে উঠেছে। এছাড়াও, SiC সাবস্ট্রেট বৃদ্ধি প্রযুক্তির বিকাশ, খরচ হ্রাস এবং Si সাবস্ট্রেটগুলিতে GaN এপিট্যাক্সিয়াল প্রযুক্তির পরিপক্কতার সাথে, নীলকান্তমণি সাবস্ট্রেটগুলিতে GaN এপিট্যাক্সিয়াল স্তর বৃদ্ধির উপর আরও গবেষণা ধীরে ধীরে শীতল প্রবণতা দেখিয়েছে।

SiC-তে GaN এপিট্যাক্সি

নীলকান্তমণির তুলনায়, SiC সাবস্ট্রেট (4H- এবং 6H-ক্রিস্টাল) এর GaN এপিট্যাক্সিয়াল স্তরগুলির সাথে একটি ছোট জালির অমিল রয়েছে (3.1%, [0001] ওরিয়েন্টেড এপিট্যাক্সিয়াল ফিল্মের সমতুল্য), উচ্চ তাপ পরিবাহিতা (প্রায় 3.8W*cm-1*K-1), ইত্যাদি। এছাড়াও, SiC সাবস্ট্রেটের পরিবাহিতা সাবস্ট্রেটের পিছনে বৈদ্যুতিক যোগাযোগ তৈরি করতেও সাহায্য করে, যা ডিভাইসের কাঠামোকে সহজ করতে সাহায্য করে। এই সুবিধাগুলির অস্তিত্ব সিলিকন কার্বাইড সাবস্ট্রেটগুলিতে GaN এপিট্যাক্সি নিয়ে কাজ করার জন্য আরও বেশি গবেষককে আকৃষ্ট করেছে।

তবে, GaN এপিলেয়ার বৃদ্ধি এড়াতে সরাসরি SiC সাবস্ট্রেটের উপর কাজ করার ফলেও বেশ কিছু অসুবিধার সম্মুখীন হতে হয়, যার মধ্যে রয়েছে:

✔ SiC সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠের রুক্ষতা নীলকান্তমণি সাবস্ট্রেটের তুলনায় অনেক বেশি (নীলকান্তমণি রুক্ষতা 0.1nm RMS, SiC রুক্ষতা 1nm RMS), SiC সাবস্ট্রেটের কঠোরতা উচ্চ এবং প্রক্রিয়াকরণ কর্মক্ষমতা দুর্বল, এবং এই রুক্ষতা এবং অবশিষ্ট পলিশিং ক্ষতিও GaN এপিলেয়ারের ত্রুটির অন্যতম উৎস।

✔ SiC সাবস্ট্রেটের স্ক্রু স্থানচ্যুতি ঘনত্ব বেশি (স্থানচ্যুতি ঘনত্ব 103-104cm-2), স্ক্রু স্থানচ্যুতি GaN এপিলেয়ারে ছড়িয়ে পড়তে পারে এবং ডিভাইসের কর্মক্ষমতা হ্রাস করতে পারে;

✔ সাবস্ট্রেট পৃষ্ঠের পারমাণবিক বিন্যাস GaN এপিলেয়ারে স্ট্যাকিং ফল্ট (BSFs) গঠনের কারণ হয়। SiC সাবস্ট্রেটের এপিট্যাক্সিয়াল GaN-এর ক্ষেত্রে, সাবস্ট্রেটের উপর একাধিক সম্ভাব্য পারমাণবিক বিন্যাস ক্রম থাকে, যার ফলে এপিট্যাক্সিয়াল GaN স্তরের প্রাথমিক পারমাণবিক স্ট্যাকিং ক্রম অসামঞ্জস্যপূর্ণ হয়, যা স্ট্যাকিং ফল্টের ঝুঁকিতে থাকে। স্ট্যাকিং ফল্ট (SFs) c-অক্ষ বরাবর অন্তর্নির্মিত বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র প্রবর্তন করে, যার ফলে বিমানের ক্যারিয়ার বিচ্ছেদ ডিভাইসের লিকেজ ইত্যাদি সমস্যা দেখা দেয়;

✔ SiC সাবস্ট্রেটের তাপীয় সম্প্রসারণ সহগ AlN এবং GaN এর তুলনায় ছোট, যা শীতলকরণ প্রক্রিয়ার সময় এপিট্যাক্সিয়াল স্তর এবং সাবস্ট্রেটের মধ্যে তাপীয় চাপ জমা করে। ওয়াল্টেরিট এবং ব্র্যান্ড তাদের গবেষণার ফলাফলের উপর ভিত্তি করে ভবিষ্যদ্বাণী করেছেন যে পাতলা, সুসংগতভাবে স্ট্রেন করা AlN নিউক্লিয়েশন স্তরগুলিতে GaN এপিট্যাক্সিয়াল স্তর বৃদ্ধি করে এই সমস্যাটি উপশম বা সমাধান করা যেতে পারে;

✔ Ga পরমাণুর দুর্বল ভেজাতা সমস্যা। SiC পৃষ্ঠে সরাসরি GaN এপিট্যাক্সিয়াল স্তর বৃদ্ধি করার সময়, দুটি পরমাণুর মধ্যে দুর্বল ভেজাতা কারণে, GaN সাবস্ট্রেট পৃষ্ঠে 3D দ্বীপ বৃদ্ধির প্রবণতা রাখে। GaN এপিট্যাক্সিয়ায় এপিট্যাক্সিয়াল উপাদানের মান উন্নত করার জন্য একটি বাফার স্তর প্রবর্তন করা সবচেয়ে বেশি ব্যবহৃত সমাধান। একটি AlN বা AlxGa1-xN বাফার স্তর প্রবর্তন করলে SiC পৃষ্ঠের ভেজাতা কার্যকরভাবে উন্নত হতে পারে এবং GaN এপিট্যাক্সিয়াল স্তরটি দুটি মাত্রায় বৃদ্ধি পেতে পারে। এছাড়াও, এটি চাপ নিয়ন্ত্রণ করতে পারে এবং সাবস্ট্রেট ত্রুটিগুলিকে GaN এপিট্যাক্সিয়ায় প্রসারিত হতে বাধা দিতে পারে;

✔ SiC সাবস্ট্রেটের প্রস্তুতির প্রযুক্তি অপরিণত, সাবস্ট্রেটের খরচ বেশি, এবং সরবরাহকারীর সংখ্যা কম এবং সরবরাহও কম।

টরেস এবং অন্যান্যদের গবেষণায় দেখা গেছে যে উচ্চ তাপমাত্রায় (১৬০০°C) এপিট্যাক্সির আগে SiC সাবস্ট্রেটকে H2 দিয়ে খোদাই করলে সাবস্ট্রেট পৃষ্ঠে আরও সুশৃঙ্খল ধাপের কাঠামো তৈরি হতে পারে, যার ফলে মূল সাবস্ট্রেট পৃষ্ঠে সরাসরি জন্মানোর চেয়ে উচ্চ মানের AlN এপিট্যাক্সিয়াল ফিল্ম পাওয়া যায়। Xie এবং তার দলের গবেষণায় আরও দেখা গেছে যে সিলিকন কার্বাইড সাবস্ট্রেটের এচিং প্রিট্রিটমেন্ট GaN এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের পৃষ্ঠের রূপবিদ্যা এবং স্ফটিকের গুণমান উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত করতে পারে। স্মিথ এবং অন্যান্যরা দেখেছেন যে সাবস্ট্রেট/বাফার স্তর এবং বাফার স্তর/এপিট্যাক্সিয়াল স্তর ইন্টারফেস থেকে উদ্ভূত থ্রেডিং স্থানচ্যুতি সাবস্ট্রেটের সমতলতার সাথে সম্পর্কিত [5]।

চিত্র ৪: বিভিন্ন পৃষ্ঠ চিকিত্সার পরিস্থিতিতে 6H-SiC সাবস্ট্রেট (0001) এ জন্মানো GaN এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের নমুনার TEM রূপবিদ্যা (a) রাসায়নিক পরিষ্কার; (b) রাসায়নিক পরিষ্কার + হাইড্রোজেন প্লাজমা চিকিত্সা; (c) রাসায়নিক পরিষ্কার + হাইড্রোজেন প্লাজমা চিকিত্সা + 1300℃ হাইড্রোজেন তাপ চিকিত্সা 30 মিনিটের জন্য

Si-তে GaN এপিট্যাক্সি

সিলিকন কার্বাইড, নীলকান্তমণি এবং অন্যান্য সাবস্ট্রেটের তুলনায়, সিলিকন সাবস্ট্রেট প্রস্তুতি প্রক্রিয়াটি পরিপক্ক, এবং এটি স্থিতিশীলভাবে উচ্চ খরচের কর্মক্ষমতা সহ পরিপক্ক বৃহৎ আকারের সাবস্ট্রেট সরবরাহ করতে পারে। একই সময়ে, তাপ পরিবাহিতা এবং বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা ভাল, এবং Si ইলেকট্রনিক ডিভাইস প্রক্রিয়াটি পরিপক্ক। ভবিষ্যতে Si ইলেকট্রনিক ডিভাইসের সাথে অপটোইলেকট্রনিক GaN ডিভাইসগুলিকে নিখুঁতভাবে একীভূত করার সম্ভাবনাও সিলিকনে GaN এপিট্যাক্সির বৃদ্ধিকে খুব আকর্ষণীয় করে তোলে।

যাইহোক, Si সাবস্ট্রেট এবং GaN উপাদানের মধ্যে জালি ধ্রুবকের বৃহৎ পার্থক্যের কারণে, Si সাবস্ট্রেটের উপর GaN এর ভিন্নধর্মী এপিট্যাক্সি একটি সাধারণ বৃহৎ অমিল এপিট্যাক্সি, এবং এটিকে একাধিক সমস্যার সম্মুখীন হতে হয়:

✔ পৃষ্ঠ ইন্টারফেস শক্তি সমস্যা। যখন GaN একটি Si সাবস্ট্রেটে বৃদ্ধি পায়, তখন Si সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠ প্রথমে নাইট্রাইড হয়ে একটি নিরাকার সিলিকন নাইট্রাইড স্তর তৈরি করবে যা উচ্চ-ঘনত্বের GaN এর নিউক্লিয়াস এবং বৃদ্ধির জন্য সহায়ক নয়। এছাড়াও, Si পৃষ্ঠ প্রথমে Ga এর সাথে যোগাযোগ করবে, যা Si সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠকে ক্ষয় করবে। উচ্চ তাপমাত্রায়, Si পৃষ্ঠের পচন GaN এপিট্যাক্সিয়াল স্তরে ছড়িয়ে পড়বে এবং কালো সিলিকন দাগ তৈরি করবে।

✔ GaN এবং Si এর মধ্যে ল্যাটিস ধ্রুবক অমিল বড় (~17%), যা উচ্চ-ঘনত্বের থ্রেডিং স্থানচ্যুতি তৈরি করবে এবং এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের গুণমান উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস করবে;

✔ Si এর তুলনায়, GaN এর তাপীয় সম্প্রসারণ সহগ বৃহত্তর (GaN এর তাপীয় সম্প্রসারণ সহগ প্রায় 5.6×10-6K-1, Si এর তাপীয় সম্প্রসারণ সহগ প্রায় 2.6×10-6K-1), এবং এপিট্যাক্সিয়াল তাপমাত্রা ঘরের তাপমাত্রায় ঠান্ডা করার সময় GaN এপিট্যাক্সিয়াল স্তরে ফাটল তৈরি হতে পারে;

✔ Si উচ্চ তাপমাত্রায় NH3 এর সাথে বিক্রিয়া করে পলিক্রিস্টালাইন SiNx তৈরি করে। AlN পলিক্রিস্টালাইন SiNx-এর উপর একটি পছন্দসইভাবে কেন্দ্রীভূত নিউক্লিয়াস তৈরি করতে পারে না, যার ফলে পরবর্তীকালে বেড়ে ওঠা GaN স্তরের একটি বিশৃঙ্খল অভিযোজন এবং প্রচুর সংখ্যক ত্রুটি দেখা দেয়, যার ফলে GaN এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের স্ফটিকের গুণমান খারাপ হয় এবং এমনকি একটি একক-স্ফটিকলাইন GaN এপিট্যাক্সিয়াল স্তর তৈরিতেও অসুবিধা হয় [6]।

বৃহৎ জালির অমিলের সমস্যা সমাধানের জন্য, গবেষকরা Si সাবস্ট্রেটগুলিতে বাফার স্তর হিসাবে AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO এবং SiC এর মতো উপকরণ প্রবর্তন করার চেষ্টা করেছেন। পলিক্রিস্টালাইন SiNx গঠন এড়াতে এবং GaN/AlN/Si (111) উপকরণের স্ফটিক মানের উপর এর প্রতিকূল প্রভাব কমাতে, AlN বাফার স্তরের এপিট্যাক্সিয়াল বৃদ্ধির আগে TMAl সাধারণত একটি নির্দিষ্ট সময়ের জন্য প্রবর্তন করা প্রয়োজন যাতে NH3 উন্মুক্ত Si পৃষ্ঠের সাথে প্রতিক্রিয়া করে SiNx তৈরি করতে না পারে। এছাড়াও, প্যাটার্নযুক্ত সাবস্ট্রেট প্রযুক্তির মতো এপিট্যাক্সিয়াল প্রযুক্তিগুলি এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের গুণমান উন্নত করতে ব্যবহার করা যেতে পারে। এই প্রযুক্তিগুলির বিকাশ এপিট্যাক্সিয়াল ইন্টারফেসে SiNx গঠনকে বাধা দিতে, GaN এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের দ্বি-মাত্রিক বৃদ্ধিকে উৎসাহিত করতে এবং এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের বৃদ্ধির গুণমান উন্নত করতে সহায়তা করে। এছাড়াও, সিলিকন সাবস্ট্রেটের GaN এপিট্যাক্সিয়াল স্তরে ফাটল এড়াতে তাপীয় সম্প্রসারণ সহগের পার্থক্যের কারণে সৃষ্ট প্রসার্য চাপ পূরণ করার জন্য একটি AlN বাফার স্তর প্রবর্তন করা হয়। ক্রোস্টের গবেষণা দেখায় যে AlN বাফার স্তরের পুরুত্ব এবং স্ট্রেন হ্রাসের মধ্যে একটি ইতিবাচক সম্পর্ক রয়েছে। যখন বাফার স্তরের পুরুত্ব 12nm এ পৌঁছায়, তখন 6μm এর চেয়ে পুরু একটি এপিট্যাক্সিয়াল স্তর একটি উপযুক্ত বৃদ্ধি প্রকল্পের মাধ্যমে একটি সিলিকন সাবস্ট্রেটে এপিট্যাক্সিয়াল স্তর ফাটল ছাড়াই জন্মানো যেতে পারে।

গবেষকদের দীর্ঘমেয়াদী প্রচেষ্টার পর, সিলিকন সাবস্ট্রেটে জন্মানো GaN এপিট্যাক্সিয়াল স্তরগুলির গুণমান উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত হয়েছে এবং ফিল্ড এফেক্ট ট্রানজিস্টর, স্কটকি ব্যারিয়ার আল্ট্রাভায়োলেট ডিটেক্টর, নীল-সবুজ LED এবং অতিবেগুনী লেজারের মতো ডিভাইসগুলি উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি অর্জন করেছে।

সংক্ষেপে, যেহেতু সাধারণভাবে ব্যবহৃত GaN এপিট্যাক্সিয়াল সাবস্ট্রেটগুলি সকলেই ভিন্ন ভিন্ন এপিট্যাক্সি, তাই এগুলি সকলেই সাধারণ সমস্যার সম্মুখীন হয় যেমন জালির অমিল এবং বিভিন্ন মাত্রায় তাপীয় সম্প্রসারণ সহগের বৃহৎ পার্থক্য। সমজাতীয় এপিট্যাক্সিয়াল GaN সাবস্ট্রেটগুলি প্রযুক্তির পরিপক্কতার দ্বারা সীমাবদ্ধ, এবং সাবস্ট্রেটগুলি এখনও ভর-উত্পাদিত হয়নি। উৎপাদন খরচ বেশি, সাবস্ট্রেটের আকার ছোট, এবং সাবস্ট্রেটের গুণমান আদর্শ নয়। নতুন GaN এপিট্যাক্সিয়াল সাবস্ট্রেটের বিকাশ এবং এপিট্যাক্সিয়াল মানের উন্নতি এখনও GaN এপিট্যাক্সিয়াল শিল্পের আরও বিকাশকে সীমাবদ্ধ করার গুরুত্বপূর্ণ কারণগুলির মধ্যে একটি।

IV. GaN এপিট্যাক্সির জন্য সাধারণ পদ্ধতি

MOCVD (রাসায়নিক বাষ্প জমা)

মনে হচ্ছে GaN সাবস্ট্রেটের উপর সমজাতীয় এপিট্যাক্সি GaN এপিট্যাক্সির জন্য সর্বোত্তম পছন্দ। তবে, যেহেতু রাসায়নিক বাষ্প জমার পূর্বসূরী হল ট্রাইমিথাইলগ্যালিয়াম এবং অ্যামোনিয়া, এবং বাহক গ্যাস হল হাইড্রোজেন, তাই MOCVD বৃদ্ধির তাপমাত্রা প্রায় 1000-1100℃, এবং MOCVD এর বৃদ্ধির হার প্রতি ঘন্টায় প্রায় কয়েক মাইক্রন। এটি পারমাণবিক স্তরে খাড়া ইন্টারফেস তৈরি করতে পারে, যা হেটেরোজংশন, কোয়ান্টাম ওয়েল, সুপারল্যাটিস এবং অন্যান্য কাঠামো বৃদ্ধির জন্য খুবই উপযুক্ত। এর দ্রুত বৃদ্ধির হার, ভাল অভিন্নতা এবং বৃহৎ-ক্ষেত্র এবং বহু-খণ্ড বৃদ্ধির জন্য উপযুক্ততা প্রায়শই শিল্প উৎপাদনে ব্যবহৃত হয়।
MBE (আণবিক রশ্মি এপিট্যাক্সি)
আণবিক রশ্মি এপিট্যাক্সিতে, Ga একটি মৌলিক উৎস ব্যবহার করে এবং RF প্লাজমার মাধ্যমে নাইট্রোজেন থেকে সক্রিয় নাইট্রোজেন পাওয়া যায়। MOCVD পদ্ধতির তুলনায়, MBE বৃদ্ধির তাপমাত্রা প্রায় 350-400℃ কম। নিম্ন বৃদ্ধির তাপমাত্রা উচ্চ তাপমাত্রার পরিবেশের কারণে সৃষ্ট কিছু দূষণ এড়াতে পারে। MBE সিস্টেম অতি-উচ্চ ভ্যাকুয়ামের অধীনে কাজ করে, যা এটিকে আরও বেশি ইন-সিটু সনাক্তকরণ পদ্ধতি সংহত করতে দেয়। একই সময়ে, এর বৃদ্ধির হার এবং উৎপাদন ক্ষমতা MOCVD এর সাথে তুলনা করা যায় না 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 বাষ্প পর্যায় এপিট্যাক্সি পদ্ধতির পূর্বসূরী হল GaCl3 এবং NH3। ডেচপ্রোম এবং অন্যান্যরা নীলকান্তমণি সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠে শত শত মাইক্রন পুরু একটি GaN এপিট্যাক্সিয়াল স্তর তৈরি করতে এই পদ্ধতিটি ব্যবহার করেছিলেন। তাদের পরীক্ষায়, নীলকান্তমণি সাবস্ট্রেট এবং এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের মধ্যে একটি বাফার স্তর হিসাবে ZnO এর একটি স্তর তৈরি করা হয়েছিল এবং এপিট্যাক্সিয়াল স্তরটি সাবস্ট্রেট পৃষ্ঠ থেকে খোসা ছাড়ানো হয়েছিল। MOCVD এবং MBE এর সাথে তুলনা করে, HVPE পদ্ধতির প্রধান বৈশিষ্ট্য হল এর উচ্চ বৃদ্ধির হার, যা পুরু স্তর এবং বাল্ক উপকরণ উৎপাদনের জন্য উপযুক্ত। তবে, যখন এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের পুরুত্ব 20μm অতিক্রম করে, তখন এই পদ্ধতি দ্বারা উৎপাদিত এপিট্যাক্সিয়াল স্তরটি ফাটলের ঝুঁকিতে থাকে।
এই পদ্ধতির উপর ভিত্তি করে আকিরা USUI প্যাটার্নযুক্ত সাবস্ট্রেট প্রযুক্তি চালু করে। তারা প্রথমে MOCVD পদ্ধতি ব্যবহার করে একটি নীলকান্তমণি সাবস্ট্রেটের উপর একটি পাতলা 1-1.5μm পুরু GaN এপিট্যাক্সিয়াল স্তর তৈরি করে। এপিট্যাক্সিয়াল স্তরে কম তাপমাত্রায় জন্মানো 20nm পুরু GaN বাফার স্তর এবং উচ্চ তাপমাত্রায় জন্মানো 1 GaN স্তর থাকে। তারপর, 430℃ তাপমাত্রায়, এপিট্যাক্সিয়াল স্তরের পৃষ্ঠে SiO2 এর একটি স্তর প্রলেপ দেওয়া হয় এবং ফটোলিথোগ্রাফি দ্বারা SiO2 ফিল্মের উপর জানালার স্ট্রাইপ তৈরি করা হয়। স্ট্রাইপের ব্যবধান ছিল 7μm এবং মুখোশের প্রস্থ ছিল 1μm থেকে 4μm পর্যন্ত। এই উন্নতির পরে, তারা 2-ইঞ্চি ব্যাসের নীলকান্তমণি সাবস্ট্রেটের উপর একটি GaN এপিট্যাক্সিয়াল স্তর তৈরি করে যা ফাটলমুক্ত এবং আয়নার মতো মসৃণ ছিল, এমনকি যখন পুরুত্ব দশ বা এমনকি শত শত মাইক্রন পর্যন্ত বৃদ্ধি পায়। ত্রুটির ঘনত্ব ঐতিহ্যবাহী HVPE পদ্ধতির 109-1010cm-2 থেকে কমিয়ে প্রায় 6×107cm-2 করা হয়। তারা পরীক্ষায় আরও উল্লেখ করেছেন যে যখন বৃদ্ধির হার 75μm/h অতিক্রম করে, তখন নমুনা পৃষ্ঠটি রুক্ষ হয়ে যাবে [8]।

চিত্র 6 গ্রাফিক্যাল সাবস্ট্রেট স্কিম্যাটিক

ভি. সারাংশ এবং দৃষ্টিভঙ্গি

২০১৪ সালে যখন নীল আলোর LED পদার্থবিদ্যায় নোবেল পুরস্কার জিতে নেয়, তখন GaN উপকরণের আবির্ভাব শুরু হয় এবং ভোক্তা ইলেকট্রনিক্স ক্ষেত্রে দ্রুত চার্জিং অ্যাপ্লিকেশনের ক্ষেত্রে জনসাধারণের জন্য এটি প্রবেশ করে। প্রকৃতপক্ষে, 5G বেস স্টেশনগুলিতে ব্যবহৃত পাওয়ার অ্যামপ্লিফায়ার এবং RF ডিভাইসের অ্যাপ্লিকেশনগুলি যা বেশিরভাগ মানুষ দেখতে পায় না, তাও নীরবে আবির্ভূত হয়েছে। সাম্প্রতিক বছরগুলিতে, GaN-ভিত্তিক অটোমোটিভ-গ্রেড পাওয়ার ডিভাইসগুলির অগ্রগতি GaN উপাদান অ্যাপ্লিকেশন বাজারের জন্য নতুন বৃদ্ধির পয়েন্ট উন্মোচন করবে বলে আশা করা হচ্ছে।
বিশাল বাজার চাহিদা অবশ্যই GaN-সম্পর্কিত শিল্প ও প্রযুক্তির বিকাশকে উৎসাহিত করবে। GaN-সম্পর্কিত শিল্প শৃঙ্খলের পরিপক্কতা এবং উন্নতির সাথে সাথে, বর্তমান GaN এপিট্যাক্সিয়াল প্রযুক্তির সম্মুখীন সমস্যাগুলি অবশেষে উন্নত বা কাটিয়ে উঠবে। ভবিষ্যতে, মানুষ অবশ্যই আরও নতুন এপিট্যাক্সিয়াল প্রযুক্তি এবং আরও চমৎকার সাবস্ট্রেট বিকল্প তৈরি করবে। ততক্ষণে, মানুষ অ্যাপ্লিকেশন পরিস্থিতির বৈশিষ্ট্য অনুসারে বিভিন্ন অ্যাপ্লিকেশন পরিস্থিতির জন্য সবচেয়ে উপযুক্ত বহিরাগত গবেষণা প্রযুক্তি এবং সাবস্ট্রেট বেছে নিতে সক্ষম হবে এবং সবচেয়ে প্রতিযোগিতামূলক কাস্টমাইজড পণ্য তৈরি করতে পারবে।