معرفی مختصر نیمه‌هادی نسل سوم GaN و فناوری اپیتاکسیال مرتبط

۱. نیمه‌هادی‌های نسل سوم

فناوری نیمه‌هادی نسل اول بر اساس مواد نیمه‌هادی مانند Si و Ge توسعه یافت. این مواد، اساس مادی توسعه ترانزیستورها و فناوری مدار مجتمع هستند. مواد نیمه‌هادی نسل اول، پایه و اساس صنعت الکترونیک را در قرن بیستم بنا نهادند و مواد اولیه برای فناوری مدار مجتمع هستند.

مواد نیمه‌هادی نسل دوم عمدتاً شامل گالیوم آرسنید، ایندیوم فسفید، گالیوم فسفید، ایندیوم آرسنید، آلومینیوم آرسنید و ترکیبات سه‌تایی آنها هستند. مواد نیمه‌هادی نسل دوم پایه و اساس صنعت اطلاعات اپتوالکترونیک هستند. بر این اساس، صنایع مرتبط مانند روشنایی، نمایشگر، لیزر و فتوولتائیک توسعه یافته‌اند. آنها به طور گسترده در فناوری اطلاعات معاصر و صنایع نمایشگر اپتوالکترونیک استفاده می‌شوند.

مواد نماینده مواد نیمه‌هادی نسل سوم شامل نیترید گالیم و کاربید سیلیکون هستند. به دلیل شکاف باند پهن، سرعت رانش اشباع الکترونی بالا، رسانایی حرارتی بالا و قدرت میدان شکست بالا، این مواد ایده‌آلی برای تهیه دستگاه‌های الکترونیکی با چگالی توان بالا، فرکانس بالا و تلفات کم هستند. در میان آنها، دستگاه‌های قدرت کاربید سیلیکون دارای مزایای چگالی انرژی بالا، مصرف انرژی کم و اندازه کوچک هستند و چشم‌انداز کاربرد گسترده‌ای در وسایل نقلیه با انرژی جدید، فتوولتائیک، حمل و نقل ریلی، کلان داده و سایر زمینه‌ها دارند. دستگاه‌های فرکانس رادیویی نیترید گالیم دارای مزایای فرکانس بالا، توان بالا، پهنای باند وسیع، مصرف توان کم و اندازه کوچک هستند و چشم‌انداز کاربرد گسترده‌ای در ارتباطات 5G، اینترنت اشیا، رادار نظامی و سایر زمینه‌ها دارند. علاوه بر این، دستگاه‌های قدرت مبتنی بر نیترید گالیم به طور گسترده در زمینه ولتاژ پایین مورد استفاده قرار گرفته‌اند. علاوه بر این، در سال‌های اخیر، انتظار می‌رود مواد اکسید گالیم نوظهور مکمل فنی با فناوری‌های موجود SiC و GaN تشکیل دهند و چشم‌انداز کاربرد بالقوه‌ای در زمینه‌های فرکانس پایین و ولتاژ بالا داشته باشند.

در مقایسه با مواد نیمه‌هادی نسل دوم، مواد نیمه‌هادی نسل سوم دارای پهنای باند وسیع‌تری هستند (پهنای باند Si، یک ماده معمولی از مواد نیمه‌هادی نسل اول، حدود 1.1eV، پهنای باند GaAs، یک ماده معمولی از مواد نیمه‌هادی نسل دوم، حدود 1.42eV و پهنای باند GaN، یک ماده معمولی از مواد نیمه‌هادی نسل سوم، بالای 2.3eV است)، مقاومت در برابر تابش قوی‌تر، مقاومت قوی‌تر در برابر شکست میدان الکتریکی و مقاومت در برابر دمای بالاتر. مواد نیمه‌هادی نسل سوم با پهنای باند وسیع‌تر به ویژه برای تولید دستگاه‌های الکترونیکی مقاوم در برابر تابش، فرکانس بالا، توان بالا و چگالی ادغام بالا مناسب هستند. کاربردهای آنها در دستگاه‌های فرکانس رادیویی مایکروویو، LEDها، لیزرها، دستگاه‌های قدرت و سایر زمینه‌ها توجه زیادی را به خود جلب کرده است و چشم‌انداز توسعه گسترده‌ای را در ارتباطات سیار، شبکه‌های هوشمند، حمل و نقل ریلی، وسایل نقلیه انرژی جدید، لوازم الکترونیکی مصرفی و دستگاه‌های نور ماوراء بنفش و آبی-سبز نشان داده‌اند [1].

منبع تصویر: CASA، موسسه تحقیقات اوراق بهادار ژشانگ

شکل 1 مقیاس زمانی و پیش‌بینی دستگاه قدرت GaN

ساختار و ویژگی‌های ماده‌ی II GaN

GaN یک نیمه‌رسانای با شکاف باند مستقیم است. پهنای شکاف باند ساختار ورتزیت در دمای اتاق حدود 3.26 الکترون‌ولت است. مواد GaN دارای سه ساختار کریستالی اصلی هستند، یعنی ساختار ورتزیت، ساختار اسفالریت و ساختار نمک سنگی. در میان آنها، ساختار ورتزیت پایدارترین ساختار کریستالی است. شکل 2 نموداری از ساختار ورتزیت شش ضلعی GaN را نشان می‌دهد. ساختار ورتزیت ماده GaN متعلق به یک ساختار شش ضلعی فشرده است. هر سلول واحد دارای 12 اتم است که شامل 6 اتم N و 6 اتم Ga است. هر اتم Ga (N) با 4 اتم N (Ga) نزدیک پیوند تشکیل می‌دهد و به ترتیب ABABAB… در امتداد جهت [0001] [2] روی هم قرار می‌گیرد.

شکل 2 نمودار سلول کریستالی GaN با ساختار وورتزیت

III زیرلایه‌های رایج برای اپیتاکسی GaN

به نظر می‌رسد که اپیتاکسی همگن روی زیرلایه‌های GaN بهترین انتخاب برای اپیتاکسی GaN است. با این حال، به دلیل انرژی پیوند زیاد GaN، هنگامی که دما به نقطه ذوب 2500 درجه سانتیگراد می‌رسد، فشار تجزیه مربوطه آن حدود 4.5 گیگا پاسکال است. هنگامی که فشار تجزیه کمتر از این فشار باشد، GaN ذوب نمی‌شود بلکه مستقیماً تجزیه می‌شود. این امر باعث می‌شود فناوری‌های آماده‌سازی زیرلایه بالغ مانند روش Czochralski برای تهیه زیرلایه‌های تک کریستالی GaN نامناسب باشند و تولید انبوه زیرلایه‌های GaN را دشوار و پرهزینه کنند. بنابراین، زیرلایه‌هایی که معمولاً در رشد اپیتاکسی GaN استفاده می‌شوند، عمدتاً Si، SiC، یاقوت کبود و غیره هستند [3].

نمودار 3 GaN و پارامترهای مواد زیرلایه متداول

اپیتاکسی GaN روی یاقوت کبود

یاقوت کبود خواص شیمیایی پایداری دارد، ارزان است و از بلوغ بالایی در صنعت تولید در مقیاس بزرگ برخوردار است. بنابراین، به یکی از اولین و پرکاربردترین مواد زیرلایه در مهندسی دستگاه‌های نیمه‌هادی تبدیل شده است. به عنوان یکی از زیرلایه‌های رایج برای اپیتاکسی GaN، مشکلات اصلی که باید برای زیرلایه‌های یاقوت کبود حل شوند عبارتند از:

✔ به دلیل عدم تطابق زیاد شبکه بین یاقوت کبود (Al2O3) و GaN (حدود 15٪)، چگالی نقص در سطح مشترک بین لایه اپیتاکسیال و زیرلایه بسیار زیاد است. به منظور کاهش اثرات نامطلوب آن، زیرلایه باید قبل از شروع فرآیند اپیتاکسی تحت پیش تصفیه پیچیده قرار گیرد. قبل از رشد اپیتاکسی GaN روی زیرلایه‌های یاقوت کبود، ابتدا باید سطح زیرلایه به طور کامل تمیز شود تا آلودگی‌ها، آسیب‌های ناشی از پرداخت باقی مانده و غیره از بین بروند و ساختارهای سطحی پله‌ای و پلکانی ایجاد شود. سپس، سطح زیرلایه نیتریده می‌شود تا خواص ترشوندگی لایه اپیتاکسیال تغییر کند. در نهایت، یک لایه بافر نازک AlN (معمولاً با ضخامت 10 تا 100 نانومتر) باید روی سطح زیرلایه رسوب داده شود و در دمای پایین آنیل شود تا برای رشد نهایی اپیتاکسیال آماده شود. با این حال، چگالی نابجایی در لایه‌های اپیتاکسیال GaN رشد یافته روی زیرلایه‌های یاقوت کبود هنوز بالاتر از لایه‌های همواپیتاکسیال است (حدود 1010 سانتی‌متر مربع، در مقایسه با چگالی نابجایی اساساً صفر در لایه‌های همواپیتاکسیال سیلیکون یا لایه‌های همواپیتاکسیال گالیوم آرسنید، یا بین 102 تا 104 سانتی‌متر مربع). چگالی بالاتر نقص، تحرک حامل را کاهش می‌دهد، در نتیجه طول عمر حامل اقلیت را کوتاه می‌کند و رسانایی حرارتی را کاهش می‌دهد، که همه اینها عملکرد دستگاه را کاهش می‌دهد [4].

✔ ضریب انبساط حرارتی یاقوت کبود بیشتر از GaN است، بنابراین در طول فرآیند خنک شدن از دمای رسوب تا دمای اتاق، تنش فشاری دو محوره در لایه اپیتاکسیال ایجاد می‌شود. برای لایه‌های اپیتاکسیال ضخیم‌تر، این تنش ممکن است باعث ترک خوردن لایه یا حتی زیرلایه شود؛

✔ در مقایسه با سایر زیرلایه‌ها، رسانایی حرارتی زیرلایه‌های یاقوت کبود کمتر است (حدود 0.25W*cm-1*K-1 در دمای 100 درجه سانتیگراد) و عملکرد اتلاف حرارت ضعیف است.

✔ به دلیل رسانایی ضعیف، زیرلایه‌های یاقوت کبود برای ادغام و کاربرد با سایر دستگاه‌های نیمه‌هادی مناسب نیستند.

اگرچه چگالی نقص لایه‌های اپیتاکسیال GaN رشد یافته روی زیرلایه‌های یاقوت کبود زیاد است، اما به نظر نمی‌رسد که عملکرد اپتوالکترونیکی LEDهای آبی-سبز مبتنی بر GaN را به طور قابل توجهی کاهش دهد، بنابراین زیرلایه‌های یاقوت کبود هنوز هم به عنوان زیرلایه‌های رایج برای LEDهای مبتنی بر GaN استفاده می‌شوند.

با توسعه کاربردهای جدیدتر دستگاه‌های GaN مانند لیزرها یا سایر دستگاه‌های قدرت با چگالی بالا، نقص‌های ذاتی زیرلایه‌های یاقوت کبود به طور فزاینده‌ای به محدودیتی در کاربرد آنها تبدیل شده است. علاوه بر این، با توسعه فناوری رشد زیرلایه SiC، کاهش هزینه و بلوغ فناوری اپیتاکسیال GaN روی زیرلایه‌های Si، تحقیقات بیشتر در مورد رشد لایه‌های اپیتاکسیال GaN روی زیرلایه‌های یاقوت کبود به تدریج روند خنک‌سازی را نشان داده است.

اپیتاکسی GaN روی SiC

در مقایسه با یاقوت کبود، زیرلایه‌های SiC (بلورهای 4H و 6H) عدم تطابق شبکه‌ای کمتری با لایه‌های اپیتاکسیال GaN (3.1٪، معادل فیلم‌های اپیتاکسیال جهت‌دار [0001])، رسانایی حرارتی بالاتر (حدود 3.8W*cm-1*K-1) و غیره دارند. علاوه بر این، رسانایی زیرلایه‌های SiC همچنین امکان ایجاد تماس‌های الکتریکی در پشت زیرلایه را فراهم می‌کند که به ساده‌سازی ساختار دستگاه کمک می‌کند. وجود این مزایا، محققان بیشتری را به کار بر روی اپیتاکسی GaN بر روی زیرلایه‌های کاربید سیلیکون جذب کرده است.

با این حال، کار مستقیم روی زیرلایه‌های SiC برای جلوگیری از رشد اپی‌لایه‌های GaN نیز با یک سری معایب از جمله موارد زیر مواجه است:

✔ زبری سطح زیرلایه‌های SiC بسیار بیشتر از زیرلایه‌های یاقوت کبود است (زبری یاقوت کبود 0.1nm RMS، زبری SiC 1nm RMS)، زیرلایه‌های SiC سختی بالا و عملکرد پردازش ضعیفی دارند و این زبری و آسیب‌های ناشی از پرداخت باقیمانده نیز یکی از منابع نقص در اپی‌لایه‌های GaN هستند.

✔ چگالی نابجایی پیچی زیرلایه‌های SiC بالا است (چگالی نابجایی 103-104cm-2)، نابجایی‌های پیچی ممکن است به لایه اپی‌لایه GaN منتشر شوند و عملکرد دستگاه را کاهش دهند.

✔ آرایش اتمی روی سطح زیرلایه باعث تشکیل گسل‌های چیدمان (BSF) در لایه اپیتاکسیال GaN می‌شود. برای GaN اپیتاکسیال روی زیرلایه‌های SiC، چندین ترتیب چیدمان اتمی ممکن روی زیرلایه وجود دارد که منجر به ترتیب چیدمان اتمی اولیه ناهماهنگ لایه GaN اپیتاکسیال روی آن می‌شود که مستعد گسل‌های چیدمان است. گسل‌های چیدمان (SF) میدان‌های الکتریکی داخلی را در امتداد محور c ایجاد می‌کنند و منجر به مشکلاتی مانند نشت دستگاه‌های جداسازی حامل درون صفحه‌ای می‌شوند.

✔ ضریب انبساط حرارتی زیرلایه SiC کمتر از AlN و GaN است که باعث تجمع تنش حرارتی بین لایه اپیتاکسیال و زیرلایه در طول فرآیند خنک‌سازی می‌شود. والترایت و برند بر اساس نتایج تحقیقات خود پیش‌بینی کردند که این مشکل را می‌توان با رشد لایه‌های اپیتاکسیال GaN روی لایه‌های هسته‌زایی AlN نازک و همدوس کرنش یافته، کاهش داد یا حل کرد؛

✔ مشکل ترشوندگی ضعیف اتم‌های گالیم. هنگام رشد لایه‌های اپیتاکسیال GaN مستقیماً روی سطح SiC، به دلیل ترشوندگی ضعیف بین دو اتم، GaN مستعد رشد جزیره‌ای سه‌بعدی روی سطح زیرلایه است. معرفی یک لایه بافر رایج‌ترین راه حل برای بهبود کیفیت مواد اپیتاکسیال در اپیتاکسی GaN است. معرفی یک لایه بافر AlN یا AlxGa1-xN می‌تواند به طور مؤثر ترشوندگی سطح SiC را بهبود بخشد و باعث شود لایه اپیتاکسی GaN در دو بعد رشد کند. علاوه بر این، می‌تواند تنش را تنظیم کرده و از گسترش نقص‌های زیرلایه به اپیتاکسی GaN جلوگیری کند.

✔ فناوری آماده‌سازی زیرلایه‌های SiC نابالغ است، هزینه زیرلایه بالا است و تأمین‌کنندگان کمی وجود دارد و عرضه کمی صورت می‌گیرد.

تحقیقات تورس و همکارانش نشان می‌دهد که اچ کردن زیرلایه SiC با H2 در دمای بالا (1600 درجه سانتیگراد) قبل از اپیتاکسی می‌تواند ساختار پله‌ای منظم‌تری روی سطح زیرلایه ایجاد کند و در نتیجه یک فیلم اپیتاکسی AlN با کیفیت بالاتر نسبت به زمانی که مستقیماً روی سطح زیرلایه اصلی رشد داده می‌شود، به دست آورد. تحقیقات شی و تیمش همچنین نشان می‌دهد که پیش عملیات اچ کردن زیرلایه کاربید سیلیکون می‌تواند مورفولوژی سطح و کیفیت کریستالی لایه اپیتاکسی GaN را به طور قابل توجهی بهبود بخشد. اسمیت و همکارانش دریافتند که نابجایی‌های رزوه‌دار ناشی از فصل مشترک زیرلایه/لایه بافر و لایه بافر/لایه اپیتاکسیال به صافی زیرلایه مربوط می‌شوند [5].

شکل 4 مورفولوژی TEM نمونه‌های لایه اپیتاکسیال GaN رشد یافته بر روی زیرلایه 6H-SiC (0001) تحت شرایط مختلف عملیات سطحی (الف) تمیزکاری شیمیایی؛ (ب) تمیزکاری شیمیایی + عملیات پلاسمای هیدروژن؛ (ج) تمیزکاری شیمیایی + عملیات پلاسمای هیدروژن + عملیات حرارتی هیدروژنی 1300 درجه سانتیگراد به مدت 30 دقیقه

اپیتاکسی GaN روی Si

در مقایسه با کاربید سیلیکون، یاقوت کبود و سایر زیرلایه‌ها، فرآیند آماده‌سازی زیرلایه سیلیکونی بالغ است و می‌تواند به طور پایدار زیرلایه‌های بالغ با اندازه بزرگ و عملکرد با هزینه بالا را فراهم کند. در عین حال، رسانایی حرارتی و رسانایی الکتریکی خوب است و فرآیند ساخت قطعات الکترونیکی Si بالغ است. امکان ادغام کامل دستگاه‌های GaN اپتوالکترونیکی با دستگاه‌های الکترونیکی Si در آینده نیز رشد اپیتاکسی GaN روی سیلیکون را بسیار جذاب می‌کند.

با این حال، به دلیل تفاوت زیاد در ثابت‌های شبکه بین زیرلایه Si و ماده GaN، اپیتاکسی ناهمگن GaN روی زیرلایه Si یک اپیتاکسی با عدم تطابق بزرگ معمولی است و همچنین باید با یک سری مشکلات روبرو شود:

✔ مشکل انرژی سطح مشترک. هنگامی که GaN روی یک زیرلایه Si رشد می‌کند، سطح زیرلایه Si ابتدا نیتریده می‌شود تا یک لایه نیترید سیلیکون آمورف تشکیل شود که برای هسته‌زایی و رشد GaN با چگالی بالا مساعد نیست. علاوه بر این، سطح Si ابتدا با Ga تماس پیدا می‌کند که باعث خوردگی سطح زیرلایه Si می‌شود. در دماهای بالا، تجزیه سطح Si به لایه اپیتاکسیال GaN نفوذ می‌کند و لکه‌های سیلیکونی سیاه تشکیل می‌دهد.

✔ عدم تطابق ثابت شبکه بین GaN و Si زیاد است (حدود ۱۷٪)، که منجر به تشکیل نابجایی‌های رزوه‌دار با چگالی بالا شده و کیفیت لایه اپیتاکسیال را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.

✔ در مقایسه با Si، GaN ضریب انبساط حرارتی بزرگتری دارد (ضریب انبساط حرارتی GaN حدود 5.6×10-6K-1 و ضریب انبساط حرارتی Si حدود 2.6×10-6K-1 است) و ممکن است در لایه اپیتاکسیال GaN در حین سرد شدن دمای اپیتاکسیال تا دمای اتاق، ترک‌هایی ایجاد شود.

✔ Si در دماهای بالا با NH3 واکنش می‌دهد و SiNx پلی‌کریستالی تشکیل می‌دهد. AlN نمی‌تواند یک هسته با جهت‌گیری ترجیحی روی SiNx پلی‌کریستالی تشکیل دهد، که منجر به جهت‌گیری نامنظم لایه GaN رشد یافته بعدی و تعداد زیادی نقص می‌شود که منجر به کیفیت کریستالی ضعیف لایه اپیتاکسیال GaN و حتی مشکل در تشکیل یک لایه اپیتاکسیال GaN تک کریستالی می‌شود [6].

به منظور حل مشکل عدم تطابق زیاد شبکه، محققان تلاش کرده‌اند موادی مانند AlAs، GaAs، AlN، GaN، ZnO و SiC را به عنوان لایه‌های بافر روی زیرلایه‌های Si معرفی کنند. به منظور جلوگیری از تشکیل SiNx پلی‌کریستالی و کاهش اثرات نامطلوب آن بر کیفیت کریستالی مواد GaN/AlN/Si (111)، معمولاً لازم است TMAl برای مدت زمان مشخصی قبل از رشد اپیتاکسیالی لایه بافر AlN معرفی شود تا از واکنش NH3 با سطح Si در معرض برای تشکیل SiNx جلوگیری شود. علاوه بر این، می‌توان از فناوری‌های اپیتاکسیالی مانند فناوری بستر طرح‌دار برای بهبود کیفیت لایه اپیتاکسیالی استفاده کرد. توسعه این فناوری‌ها به مهار تشکیل SiNx در فصل مشترک اپیتاکسیالی، ترویج رشد دو بعدی لایه اپیتاکسیالی GaN و بهبود کیفیت رشد لایه اپیتاکسیالی کمک می‌کند. علاوه بر این، یک لایه بافر AlN برای جبران تنش کششی ناشی از تفاوت در ضرایب انبساط حرارتی معرفی شده است تا از ترک خوردن لایه اپیتاکسیال GaN روی زیرلایه سیلیکونی جلوگیری شود. تحقیقات کروست نشان می‌دهد که بین ضخامت لایه بافر AlN و کاهش کرنش همبستگی مثبت وجود دارد. هنگامی که ضخامت لایه بافر به 12 نانومتر می‌رسد، می‌توان یک لایه اپیتاکسیال ضخیم‌تر از 6 میکرومتر را از طریق یک طرح رشد مناسب بدون ترک خوردن لایه اپیتاکسیال روی زیرلایه سیلیکونی رشد داد.

پس از تلاش‌های طولانی‌مدت محققان، کیفیت لایه‌های اپیتاکسیال GaN رشد یافته روی زیرلایه‌های سیلیکونی به طور قابل توجهی بهبود یافته است و دستگاه‌هایی مانند ترانزیستورهای اثر میدانی، آشکارسازهای فرابنفش مانع شاتکی، LEDهای آبی-سبز و لیزرهای فرابنفش پیشرفت قابل توجهی داشته‌اند.

به طور خلاصه، از آنجایی که زیرلایه‌های اپیتاکسیال GaN که معمولاً استفاده می‌شوند، همگی اپیتاکسی ناهمگن هستند، همه آنها با مشکلات رایجی مانند عدم تطابق شبکه و تفاوت‌های زیاد در ضرایب انبساط حرارتی در درجات مختلف مواجه هستند. زیرلایه‌های اپیتاکسیال GaN همگن به دلیل بلوغ فناوری محدود هستند و این زیرلایه‌ها هنوز به تولید انبوه نرسیده‌اند. هزینه تولید بالا است، اندازه زیرلایه کوچک است و کیفیت زیرلایه ایده‌آل نیست. توسعه زیرلایه‌های اپیتاکسیال GaN جدید و بهبود کیفیت اپیتاکسیال هنوز یکی از عوامل مهم محدودکننده توسعه بیشتر صنعت اپیتاکسیال GaN است.

IV. روش‌های رایج برای اپیتاکسی GaN

MOCVD (رسوب شیمیایی بخار)

به نظر می‌رسد که اپیتاکسی همگن روی زیرلایه‌های GaN بهترین انتخاب برای اپیتاکسی GaN باشد. با این حال، از آنجایی که پیش‌سازهای رسوب بخار شیمیایی، تری‌متیل‌گالیوم و آمونیاک هستند و گاز حامل هیدروژن است، دمای رشد MOCVD معمولی حدود 1000 تا 1100 درجه سانتیگراد و سرعت رشد MOCVD حدود چند میکرون در ساعت است. این روش می‌تواند فصل مشترک‌های شیب‌داری در سطح اتمی ایجاد کند که برای رشد ناهمگون‌ها، چاه‌های کوانتومی، ابرشبکه‌ها و سایر ساختارها بسیار مناسب است. سرعت رشد سریع، یکنواختی خوب و مناسب بودن آن برای رشد در سطح بزرگ و چند تکه‌ای اغلب در تولید صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
اپیتکسی پرتو مولکولی (MBE)
در اپیتاکسی پرتو مولکولی، گالیوم از یک منبع عنصری استفاده می‌کند و نیتروژن فعال از طریق پلاسمای RF از نیتروژن به دست می‌آید. در مقایسه با روش MOCVD، دمای رشد MBE حدود 350 تا 400 درجه سانتیگراد پایین‌تر است. دمای رشد پایین‌تر می‌تواند از آلودگی‌های خاصی که ممکن است در محیط‌های با دمای بالا ایجاد شود، جلوگیری کند. سیستم MBE تحت خلاء فوق العاده بالا کار می‌کند که به آن امکان می‌دهد روش‌های تشخیص درجا بیشتری را ادغام کند. در عین حال، سرعت رشد و ظرفیت تولید آن با MOCVD قابل مقایسه نیست و بیشتر در تحقیقات علمی استفاده می‌شود [7].

شکل 5 (الف) شماتیک Eiko-MBE (ب) شماتیک محفظه واکنش اصلی MBE

روش HVPE (اپیتاکسی فاز بخار هیدرید)

پیش‌سازهای روش اپیتاکسی فاز بخار هیدرید، GaCl3 و NH3 هستند. دچپروم و همکارانش از این روش برای رشد یک لایه اپیتاکسیال GaN با ضخامت صدها میکرون بر روی سطح یک زیرلایه یاقوت کبود استفاده کردند. در آزمایش آنها، یک لایه ZnO بین زیرلایه یاقوت کبود و لایه اپیتاکسیال به عنوان یک لایه بافر رشد داده شد و لایه اپیتاکسیال از سطح زیرلایه جدا شد. در مقایسه با MOCVD و MBE، ویژگی اصلی روش HVPE نرخ رشد بالای آن است که برای تولید لایه‌های ضخیم و مواد حجیم مناسب است. با این حال، هنگامی که ضخامت لایه اپیتاکسیال از 20 میکرومتر بیشتر شود، لایه اپیتاکسیال تولید شده با این روش مستعد ترک خوردن است.
آکیرا USUI فناوری بستر طرح‌دار را بر اساس این روش معرفی کرد. آنها ابتدا با استفاده از روش MOCVD یک لایه اپیتاکسیال GaN نازک با ضخامت 1 تا 1.5 میکرومتر را روی یک بستر یاقوت کبود رشد دادند. لایه اپیتاکسیال شامل یک لایه بافر GaN با ضخامت 20 نانومتر بود که در شرایط دمای پایین رشد کرده و یک لایه GaN که در شرایط دمای بالا رشد کرده بود. سپس، در دمای 430 درجه سانتیگراد، یک لایه SiO2 روی سطح لایه اپیتاکسیال آبکاری شد و نوارهای پنجره‌ای روی فیلم SiO2 با استفاده از فوتولیتوگرافی ایجاد شد. فاصله نوارها 7 میکرومتر و عرض ماسک از 1 میکرومتر تا 4 میکرومتر متغیر بود. پس از این بهبود، آنها یک لایه اپیتاکسیال GaN روی یک بستر یاقوت کبود با قطر 2 اینچ به دست آوردند که بدون ترک و به صافی یک آینه بود، حتی زمانی که ضخامت به ده‌ها یا حتی صدها میکرون افزایش یافت. چگالی نقص از 109-1010 سانتی‌متر مربع در روش سنتی HVPE به حدود 6×107 سانتی‌متر مربع کاهش یافت. آنها همچنین در آزمایش اشاره کردند که وقتی سرعت رشد از 75 میکرومتر بر ساعت فراتر رود، سطح نمونه زبر می‌شود [8].

شکل 6 شماتیک گرافیکی زیرلایه

خلاصه و چشم‌انداز

مواد GaN در سال ۲۰۱۴، زمانی که LED نور آبی در آن سال جایزه نوبل فیزیک را از آن خود کرد، ظهور کردند و وارد حوزه عمومی کاربردهای شارژ سریع در حوزه لوازم الکترونیکی مصرفی شدند. در واقع، کاربردهایی در تقویت‌کننده‌های توان و دستگاه‌های RF مورد استفاده در ایستگاه‌های پایه ۵G که اکثر مردم قادر به دیدن آنها نیستند نیز بی‌سروصدا پدیدار شده‌اند. در سال‌های اخیر، انتظار می‌رود که پیشرفت دستگاه‌های توان مبتنی بر GaN در سطح خودرو، نقاط رشد جدیدی را برای بازار کاربرد مواد GaN ایجاد کند.
تقاضای عظیم بازار مطمئناً توسعه صنایع و فناوری‌های مرتبط با GaN را ارتقا خواهد داد. با بلوغ و بهبود زنجیره صنعتی مرتبط با GaN، مشکلاتی که فناوری اپیتاکسیال فعلی GaN با آن مواجه است، در نهایت بهبود یافته یا برطرف خواهد شد. در آینده، مطمئناً فناوری‌های اپیتاکسیال جدید و گزینه‌های بستر عالی‌تری توسعه خواهند یافت. تا آن زمان، افراد قادر خواهند بود مناسب‌ترین فناوری تحقیقاتی خارجی و بستر را برای سناریوهای کاربردی مختلف با توجه به ویژگی‌های سناریوهای کاربردی انتخاب کنند و رقابتی‌ترین محصولات سفارشی را تولید کنند.