૧. ત્રીજી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર
પ્રથમ પેઢીની સેમિકન્ડક્ટર ટેકનોલોજી Si અને Ge જેવી સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીના આધારે વિકસાવવામાં આવી હતી. તે ટ્રાન્ઝિસ્ટર અને ઇન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટ ટેકનોલોજીના વિકાસ માટેનો ભૌતિક આધાર છે. પ્રથમ પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રીએ 20મી સદીમાં ઇલેક્ટ્રોનિક ઉદ્યોગનો પાયો નાખ્યો હતો અને ઇન્ટિગ્રેટેડ સર્કિટ ટેકનોલોજી માટે મૂળભૂત સામગ્રી છે.
બીજી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલ્સમાં મુખ્યત્વે ગેલિયમ આર્સેનાઇડ, ઇન્ડિયમ ફોસ્ફાઇડ, ગેલિયમ ફોસ્ફાઇડ, ઇન્ડિયમ આર્સેનાઇડ, એલ્યુમિનિયમ આર્સેનાઇડ અને તેમના ટર્નરી સંયોજનોનો સમાવેશ થાય છે. બીજી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલ્સ ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક માહિતી ઉદ્યોગનો પાયો છે. આ આધારે, લાઇટિંગ, ડિસ્પ્લે, લેસર અને ફોટોવોલ્ટેઇક્સ જેવા સંબંધિત ઉદ્યોગો વિકસાવવામાં આવ્યા છે. સમકાલીન માહિતી ટેકનોલોજી અને ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક ડિસ્પ્લે ઉદ્યોગોમાં તેનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે.
ત્રીજી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલ્સના પ્રતિનિધિ મટિરિયલ્સમાં ગેલિયમ નાઇટ્રાઇડ અને સિલિકોન કાર્બાઇડનો સમાવેશ થાય છે. તેમના વિશાળ બેન્ડ ગેપ, ઉચ્ચ ઇલેક્ટ્રોન સંતૃપ્તિ ડ્રિફ્ટ વેલોસિટી, ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા અને ઉચ્ચ બ્રેકડાઉન ફિલ્ડ સ્ટ્રેન્થને કારણે, તે ઉચ્ચ-પાવર ડેન્સિટી, ઉચ્ચ-આવર્તન અને ઓછા-નુકસાનવાળા ઇલેક્ટ્રોનિક ડિવાઇસ તૈયાર કરવા માટે આદર્શ મટિરિયલ છે. તેમાંથી, સિલિકોન કાર્બાઇડ પાવર ડિવાઇસમાં ઉચ્ચ ઉર્જા ઘનતા, ઓછી ઉર્જા વપરાશ અને નાના કદના ફાયદા છે, અને નવા ઉર્જા વાહનો, ફોટોવોલ્ટેઇક્સ, રેલ પરિવહન, મોટા ડેટા અને અન્ય ક્ષેત્રોમાં વ્યાપક એપ્લિકેશન સંભાવનાઓ છે. ગેલિયમ નાઇટ્રાઇડ RF ડિવાઇસમાં ઉચ્ચ આવર્તન, ઉચ્ચ શક્તિ, વિશાળ બેન્ડવિડ્થ, ઓછી પાવર વપરાશ અને નાના કદના ફાયદા છે, અને 5G કોમ્યુનિકેશન, ઇન્ટરનેટ ઓફ થિંગ્સ, લશ્કરી રડાર અને અન્ય ક્ષેત્રોમાં વ્યાપક એપ્લિકેશન સંભાવનાઓ છે. વધુમાં, ગેલિયમ નાઇટ્રાઇડ-આધારિત પાવર ડિવાઇસનો લો-વોલ્ટેજ ફિલ્ડમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગ થયો છે. વધુમાં, તાજેતરના વર્ષોમાં, ઉભરતી ગેલિયમ ઓક્સાઇડ મટિરિયલ્સ હાલની SiC અને GaN ટેક્નોલોજીઓ સાથે તકનીકી પૂરકતા બનાવે તેવી અપેક્ષા છે, અને લો-આવર્તન અને ઉચ્ચ-વોલ્ટેજ ફિલ્ડમાં સંભવિત એપ્લિકેશન સંભાવનાઓ ધરાવે છે.
બીજી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલ્સની તુલનામાં, ત્રીજી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલ્સમાં વિશાળ બેન્ડગેપ પહોળાઈ હોય છે (પ્રથમ પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલની લાક્ષણિક સામગ્રી Si ની બેન્ડગેપ પહોળાઈ લગભગ 1.1eV છે, બીજી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલની લાક્ષણિક સામગ્રી GaA ની બેન્ડગેપ પહોળાઈ લગભગ 1.42eV છે, અને ત્રીજી પેઢીના સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલની લાક્ષણિક સામગ્રી GaN ની બેન્ડગેપ પહોળાઈ 2.3eV થી વધુ છે), મજબૂત કિરણોત્સર્ગ પ્રતિકાર, ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ બ્રેકડાઉન માટે મજબૂત પ્રતિકાર અને ઉચ્ચ તાપમાન પ્રતિકાર. પહોળી બેન્ડગેપ પહોળાઈ ધરાવતી ત્રીજી પેઢીની સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલ્સ ખાસ કરીને રેડિયેશન-પ્રતિરોધક, ઉચ્ચ-આવર્તન, ઉચ્ચ-શક્તિ અને ઉચ્ચ-સંકલન-ઘનતા ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોના ઉત્પાદન માટે યોગ્ય છે. માઇક્રોવેવ રેડિયો ફ્રીક્વન્સી ડિવાઇસ, LED, લેસરો, પાવર ડિવાઇસ અને અન્ય ક્ષેત્રોમાં તેમના ઉપયોગોએ ખૂબ ધ્યાન ખેંચ્યું છે, અને તેઓએ મોબાઇલ કોમ્યુનિકેશન્સ, સ્માર્ટ ગ્રીડ, રેલ ટ્રાન્ઝિટ, નવા ઉર્જા વાહનો, ગ્રાહક ઇલેક્ટ્રોનિક્સ અને અલ્ટ્રાવાયોલેટ અને વાદળી-લીલા પ્રકાશ ઉપકરણોમાં વ્યાપક વિકાસ સંભાવનાઓ દર્શાવી છે [1].
છબી સ્ત્રોત: CASA, ઝેશાંગ સિક્યોરિટીઝ રિસર્ચ ઇન્સ્ટિટ્યૂટ
આકૃતિ 1 GaN પાવર ડિવાઇસ ટાઇમ સ્કેલ અને આગાહી
II GaN સામગ્રીની રચના અને લાક્ષણિકતાઓ
GaN એ ડાયરેક્ટ બેન્ડગેપ સેમિકન્ડક્ટર છે. ઓરડાના તાપમાને વર્ટઝાઇટ સ્ટ્રક્ચરની બેન્ડગેપ પહોળાઈ લગભગ 3.26eV છે. GaN મટિરિયલ્સમાં ત્રણ મુખ્ય સ્ફટિક માળખાં હોય છે, જેમ કે વર્ટઝાઇટ સ્ટ્રક્ચર, સ્ફેલેરાઇટ સ્ટ્રક્ચર અને રોક સોલ્ટ સ્ટ્રક્ચર. તેમાંથી, વર્ટઝાઇટ સ્ટ્રક્ચર સૌથી સ્થિર સ્ફટિક માળખું છે. આકૃતિ 2 એ GaN ની ષટ્કોણ વર્ટઝાઇટ સ્ટ્રક્ચરનો આકૃતિ છે. GaN મટિરિયલનું વર્ટઝાઇટ સ્ટ્રક્ચર ષટ્કોણ ક્લોઝ-પેક્ડ સ્ટ્રક્ચરનું છે. દરેક યુનિટ કોષમાં 12 અણુઓ હોય છે, જેમાં 6 N અણુઓ અને 6 Ga અણુઓનો સમાવેશ થાય છે. દરેક Ga (N) અણુ 4 નજીકના N (Ga) અણુઓ સાથે બંધન બનાવે છે અને ABABAB ના ક્રમમાં સ્ટેક થયેલ છે... [0001] દિશા [2] સાથે.
આકૃતિ 2 વુર્ટઝાઇટ માળખું GaN સ્ફટિક કોષ આકૃતિ
III GaN એપિટાક્સી માટે સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા સબસ્ટ્રેટ્સ
એવું લાગે છે કે GaN સબસ્ટ્રેટ્સ પર સજાતીય એપિટાક્સી એ GaN એપિટાક્સી માટે શ્રેષ્ઠ પસંદગી છે. જો કે, GaN ની મોટી બોન્ડ ઉર્જાને કારણે, જ્યારે તાપમાન 2500℃ ના ગલનબિંદુ સુધી પહોંચે છે, ત્યારે તેનું અનુરૂપ વિઘટન દબાણ લગભગ 4.5GPa હોય છે. જ્યારે વિઘટન દબાણ આ દબાણ કરતા ઓછું હોય છે, ત્યારે GaN ઓગળતું નથી પરંતુ સીધું વિઘટન થાય છે. આ પરિપક્વ સબસ્ટ્રેટ તૈયારી તકનીકો જેમ કે Czochralski પદ્ધતિ GaN સિંગલ ક્રિસ્ટલ સબસ્ટ્રેટ્સની તૈયારી માટે અયોગ્ય બનાવે છે, જેના કારણે GaN સબસ્ટ્રેટ્સનું મોટા પ્રમાણમાં ઉત્પાદન કરવું મુશ્કેલ અને ખર્ચાળ બને છે. તેથી, GaN એપિટાક્સીયલ વૃદ્ધિમાં સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા સબસ્ટ્રેટ્સ મુખ્યત્વે Si, SiC, નીલમ, વગેરે છે [3].
ચાર્ટ 3 સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતી સબસ્ટ્રેટ સામગ્રીના GaN અને પરિમાણો
નીલમ પર GaN એપિટાક્સી
નીલમમાં સ્થિર રાસાયણિક ગુણધર્મો છે, તે સસ્તું છે, અને મોટા પાયે ઉત્પાદન ઉદ્યોગમાં ઉચ્ચ પરિપક્વતા ધરાવે છે. તેથી, તે સેમિકન્ડક્ટર ડિવાઇસ એન્જિનિયરિંગમાં સૌથી પહેલા અને સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતા સબસ્ટ્રેટ સામગ્રીમાંનું એક બની ગયું છે. GaN એપિટાક્સી માટે સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા સબસ્ટ્રેટમાંના એક તરીકે, નીલમ સબસ્ટ્રેટ માટે ઉકેલવાની જરૂર હોય તેવી મુખ્ય સમસ્યાઓ છે:
✔ નીલમ (Al2O3) અને GaN (લગભગ 15%) વચ્ચે મોટી જાળીના મેળ ખાતી ન હોવાથી, એપિટેક્સિયલ સ્તર અને સબસ્ટ્રેટ વચ્ચેના ઇન્ટરફેસ પર ખામી ઘનતા ખૂબ ઊંચી છે. તેની પ્રતિકૂળ અસરો ઘટાડવા માટે, એપિટેક્સિયલ પ્રક્રિયા શરૂ થાય તે પહેલાં સબસ્ટ્રેટને જટિલ પ્રીટ્રીટમેન્ટ કરાવવી આવશ્યક છે. નીલમ સબસ્ટ્રેટ પર GaN એપિટેક્સિ ઉગાડતા પહેલા, સબસ્ટ્રેટ સપાટીને પહેલા દૂષકો, અવશેષ પોલિશિંગ નુકસાન વગેરે દૂર કરવા અને સ્ટેપ્સ અને સ્ટેપ સપાટી માળખાં ઉત્પન્ન કરવા માટે સખત રીતે સાફ કરવી આવશ્યક છે. પછી, એપિટેક્સિયલ સ્તરના ભીનાશ ગુણધર્મોને બદલવા માટે સબસ્ટ્રેટ સપાટીને નાઇટ્રાઇડ કરવામાં આવે છે. અંતે, સબસ્ટ્રેટ સપાટી પર એક પાતળું AlN બફર સ્તર (સામાન્ય રીતે 10-100nm જાડાઈ) જમા કરવાની જરૂર છે અને અંતિમ એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિ માટે તૈયાર કરવા માટે ઓછા તાપમાને એનિલ કરવાની જરૂર છે. તેમ છતાં, નીલમ સબસ્ટ્રેટ પર ઉગાડવામાં આવતી GaN એપિટેક્સિયલ ફિલ્મોમાં ડિસલોકેશન ડેન્સિટી હજુ પણ હોમોએપિટેક્સિયલ ફિલ્મો કરતા વધારે છે (લગભગ 1010cm-2, સિલિકોન હોમોએપિટેક્સિયલ ફિલ્મો અથવા ગેલિયમ આર્સેનાઇડ હોમોએપિટેક્સિયલ ફિલ્મોમાં શૂન્ય ડિસલોકેશન ડેન્સિટીની સરખામણીમાં, અથવા 102 અને 104cm-2 વચ્ચે). ઉચ્ચ ખામી ઘનતા વાહક ગતિશીલતા ઘટાડે છે, જેનાથી લઘુમતી વાહકનું જીવનકાળ ટૂંકું થાય છે અને થર્મલ વાહકતા ઘટે છે, જે બધા ઉપકરણની કામગીરીમાં ઘટાડો કરશે [4];
✔ નીલમનો થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક GaN કરતા વધારે છે, તેથી ડિપોઝિશન તાપમાનથી ઓરડાના તાપમાને ઠંડકની પ્રક્રિયા દરમિયાન એપિટેક્સિયલ સ્તરમાં દ્વિઅક્ષીય સંકુચિત તાણ ઉત્પન્ન થશે. જાડા એપિટેક્સિયલ ફિલ્મો માટે, આ તાણ ફિલ્મ અથવા સબસ્ટ્રેટમાં પણ તિરાડનું કારણ બની શકે છે;
✔ અન્ય સબસ્ટ્રેટની તુલનામાં, નીલમ સબસ્ટ્રેટની થર્મલ વાહકતા ઓછી હોય છે (લગભગ 0.25W*cm-1*K-1 100℃ પર), અને ગરમીનું વિસર્જન પ્રદર્શન નબળું હોય છે;
✔ તેની નબળી વાહકતાને કારણે, નીલમ સબસ્ટ્રેટ અન્ય સેમિકન્ડક્ટર ઉપકરણો સાથે તેમના એકીકરણ અને ઉપયોગ માટે અનુકૂળ નથી.
નીલમ સબસ્ટ્રેટ પર ઉગાડવામાં આવતા GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરોની ખામી ઘનતા ઊંચી હોવા છતાં, તે GaN-આધારિત વાદળી-લીલા LED ના ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક પ્રદર્શનમાં નોંધપાત્ર ઘટાડો કરે તેવું લાગતું નથી, તેથી નીલમ સબસ્ટ્રેટ હજુ પણ GaN-આધારિત LED માટે સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા સબસ્ટ્રેટ છે.
લેસર અથવા અન્ય ઉચ્ચ-ઘનતા પાવર ઉપકરણો જેવા GaN ઉપકરણોના વધુ નવા ઉપયોગોના વિકાસ સાથે, નીલમ સબસ્ટ્રેટની અંતર્ગત ખામીઓ તેમના ઉપયોગ પર વધુને વધુ મર્યાદા બની ગઈ છે. વધુમાં, SiC સબસ્ટ્રેટ વૃદ્ધિ ટેકનોલોજીના વિકાસ, ખર્ચમાં ઘટાડો અને Si સબસ્ટ્રેટ પર GaN એપિટેક્સિયલ ટેકનોલોજીની પરિપક્વતા સાથે, નીલમ સબસ્ટ્રેટ પર GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરો ઉગાડવા પર વધુ સંશોધન ધીમે ધીમે ઠંડકનું વલણ દર્શાવે છે.
SiC પર GaN એપિટાક્સી
નીલમની તુલનામાં, SiC સબસ્ટ્રેટ્સ (4H- અને 6H-સ્ફટિકો) માં GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરો (3.1%, [0001] લક્ષી એપિટેક્સિયલ ફિલ્મોની સમકક્ષ), ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા (લગભગ 3.8W*cm-1*K-1), વગેરે સાથે નાની જાળીની અસંગતતા છે. વધુમાં, SiC સબસ્ટ્રેટ્સની વાહકતા સબસ્ટ્રેટની પાછળના ભાગમાં વિદ્યુત સંપર્કો બનાવવા માટે પણ પરવાનગી આપે છે, જે ઉપકરણની રચનાને સરળ બનાવવામાં મદદ કરે છે. આ ફાયદાઓના અસ્તિત્વથી સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટ્સ પર GaN એપિટેક્સિ પર કામ કરવા માટે વધુને વધુ સંશોધકો આકર્ષાયા છે.
જોકે, GaN એપિલેયર ઉગાડવાનું ટાળવા માટે સીધા SiC સબસ્ટ્રેટ પર કામ કરવાથી પણ અનેક ગેરફાયદાઓનો સામનો કરવો પડે છે, જેમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છે:
✔ SiC સબસ્ટ્રેટની સપાટીની ખરબચડી નીલમ સબસ્ટ્રેટ કરતા ઘણી વધારે છે (નીલમ ખરબચડી 0.1nm RMS, SiC ખરબચડી 1nm RMS), SiC સબસ્ટ્રેટમાં ઉચ્ચ કઠિનતા અને નબળી પ્રક્રિયા કામગીરી હોય છે, અને આ ખરબચડી અને શેષ પોલિશિંગ નુકસાન પણ GaN એપિલેયર્સમાં ખામીઓના સ્ત્રોતોમાંનું એક છે.
✔ SiC સબસ્ટ્રેટની સ્ક્રુ ડિસલોકેશન ઘનતા ઊંચી છે (ડિસલોકેશન ઘનતા 103-104cm-2), સ્ક્રુ ડિસલોકેશન GaN એપિલેયરમાં ફેલાઈ શકે છે અને ઉપકરણની કામગીરી ઘટાડી શકે છે;
✔ સબસ્ટ્રેટ સપાટી પરની અણુ ગોઠવણી GaN એપિલેયરમાં સ્ટેકીંગ ફોલ્ટ્સ (BSFs) ની રચનાને પ્રેરિત કરે છે. SiC સબસ્ટ્રેટ્સ પર એપિટેક્સિયલ GaN માટે, સબસ્ટ્રેટ પર બહુવિધ શક્ય અણુ ગોઠવણી ક્રમ હોય છે, જેના પરિણામે તેના પરના એપિટેક્સિયલ GaN સ્તરનો પ્રારંભિક અણુ સ્ટેકીંગ ક્રમ અસંગત બને છે, જે સ્ટેકીંગ ફોલ્ટ્સ માટે સંવેદનશીલ હોય છે. સ્ટેકીંગ ફોલ્ટ્સ (SFs) c-અક્ષ સાથે બિલ્ટ-ઇન ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ્સ રજૂ કરે છે, જે ઇન-પ્લેન કેરિયર સેપરેશન ડિવાઇસના લિકેજ જેવી સમસ્યાઓ તરફ દોરી જાય છે;
✔ SiC સબસ્ટ્રેટનો થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક AlN અને GaN કરતા નાનો છે, જે ઠંડક પ્રક્રિયા દરમિયાન એપિટેક્સિયલ સ્તર અને સબસ્ટ્રેટ વચ્ચે થર્મલ તણાવ સંચયનું કારણ બને છે. વોલ્ટેરિટ અને બ્રાન્ડે તેમના સંશોધન પરિણામોના આધારે આગાહી કરી હતી કે પાતળા, સુસંગત રીતે તાણવાળા AlN ન્યુક્લિયેશન સ્તરો પર GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરો ઉગાડીને આ સમસ્યાને દૂર કરી શકાય છે અથવા ઉકેલી શકાય છે;
✔ Ga અણુઓની નબળી ભીનાશની સમસ્યા. જ્યારે GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરો સીધા SiC સપાટી પર ઉગાડવામાં આવે છે, ત્યારે બે અણુઓ વચ્ચે નબળી ભીનાશને કારણે, GaN સબસ્ટ્રેટ સપાટી પર 3D ટાપુ વૃદ્ધિ માટે સંવેદનશીલ હોય છે. GaN એપિટેક્સિયલ સામગ્રીની ગુણવત્તા સુધારવા માટે બફર લેયર રજૂ કરવું એ સૌથી સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતો ઉકેલ છે. AlN અથવા AlxGa1-xN બફર લેયર રજૂ કરવાથી SiC સપાટીની ભીનાશને અસરકારક રીતે સુધારી શકાય છે અને GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરને બે પરિમાણમાં વૃદ્ધિ પામે છે. વધુમાં, તે તાણને પણ નિયંત્રિત કરી શકે છે અને સબસ્ટ્રેટ ખામીઓને GaN એપિટેક્સિયલ સુધી વિસ્તરતા અટકાવી શકે છે;
✔ SiC સબસ્ટ્રેટની તૈયારી ટેકનોલોજી અપરિપક્વ છે, સબસ્ટ્રેટની કિંમત ઊંચી છે, અને સપ્લાયર્સ ઓછા છે અને પુરવઠો ઓછો છે.
ટોરેસ એટ અલ. ના સંશોધન દર્શાવે છે કે એપિટાક્સી પહેલાં ઉચ્ચ તાપમાન (1600°C) પર H2 સાથે SiC સબસ્ટ્રેટને એચિંગ કરવાથી સબસ્ટ્રેટ સપાટી પર વધુ ક્રમબદ્ધ સ્ટેપ સ્ટ્રક્ચર ઉત્પન્ન થઈ શકે છે, જેનાથી મૂળ સબસ્ટ્રેટ સપાટી પર સીધી ઉગાડવામાં આવે છે તેના કરતાં ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળી AlN એપિટાક્સિયલ ફિલ્મ પ્રાપ્ત થાય છે. ઝી અને તેમની ટીમના સંશોધન એ પણ દર્શાવે છે કે સિલિકોન કાર્બાઇડ સબસ્ટ્રેટની એચિંગ પ્રીટ્રીટમેન્ટ GaN એપિટાક્સિયલ સ્તરની સપાટીના આકારશાસ્ત્ર અને સ્ફટિક ગુણવત્તામાં નોંધપાત્ર સુધારો કરી શકે છે. સ્મિથ એટ અલ. એ શોધી કાઢ્યું કે સબસ્ટ્રેટ/બફર સ્તર અને બફર સ્તર/એપિટાક્સિયલ સ્તર ઇન્ટરફેસમાંથી ઉદ્ભવતા થ્રેડીંગ ડિસલોકેશન સબસ્ટ્રેટની સપાટતા સાથે સંબંધિત છે [5].
આકૃતિ 4 વિવિધ સપાટી સારવાર પરિસ્થિતિઓ હેઠળ 6H-SiC સબસ્ટ્રેટ (0001) પર ઉગાડવામાં આવેલા GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરના નમૂનાઓનું TEM મોર્ફોલોજી (a) રાસાયણિક સફાઈ; (b) રાસાયણિક સફાઈ + હાઇડ્રોજન પ્લાઝ્મા સારવાર; (c) રાસાયણિક સફાઈ + હાઇડ્રોજન પ્લાઝ્મા સારવાર + 1300℃ હાઇડ્રોજન ગરમી સારવાર 30 મિનિટ માટે
Si પર GaN એપિટાક્સી
સિલિકોન કાર્બાઇડ, નીલમ અને અન્ય સબસ્ટ્રેટની તુલનામાં, સિલિકોન સબસ્ટ્રેટ તૈયારી પ્રક્રિયા પરિપક્વ છે, અને તે સ્થિર રીતે ઉચ્ચ ખર્ચ પ્રદર્શન સાથે પરિપક્વ મોટા કદના સબસ્ટ્રેટ પ્રદાન કરી શકે છે. તે જ સમયે, થર્મલ વાહકતા અને વિદ્યુત વાહકતા સારી છે, અને Si ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણ પ્રક્રિયા પરિપક્વ છે. ભવિષ્યમાં ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક GaN ઉપકરણોને Si ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો સાથે સંપૂર્ણ રીતે સંકલિત કરવાની શક્યતા પણ સિલિકોન પર GaN એપિટાક્સીના વિકાસને ખૂબ જ આકર્ષક બનાવે છે.
જોકે, Si સબસ્ટ્રેટ અને GaN સામગ્રી વચ્ચે જાળી સ્થિરાંકોમાં મોટા તફાવતને કારણે, Si સબસ્ટ્રેટ પર GaN ની વિજાતીય એપિટાક્સી એક લાક્ષણિક મોટી મિસમેચ એપિટાક્સી છે, અને તેને શ્રેણીબદ્ધ સમસ્યાઓનો સામનો કરવાની પણ જરૂર છે:
✔ સપાટી ઇન્ટરફેસ ઊર્જા સમસ્યા. જ્યારે GaN Si સબસ્ટ્રેટ પર ઉગે છે, ત્યારે Si સબસ્ટ્રેટની સપાટીને પહેલા નાઇટ્રાઇડ કરવામાં આવશે જેથી એક આકારહીન સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ સ્તર બને જે ઉચ્ચ-ઘનતા GaN ના ન્યુક્લિયેશન અને વૃદ્ધિ માટે અનુકૂળ નથી. વધુમાં, Si સપાટી પહેલા Ga નો સંપર્ક કરશે, જે Si સબસ્ટ્રેટની સપાટીને કાટ લાગશે. ઊંચા તાપમાને, Si સપાટીનું વિઘટન GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરમાં ફેલાય છે અને કાળા સિલિકોન ફોલ્લીઓ બનાવે છે.
✔ GaN અને Si વચ્ચે જાળી સતત મેળ ખાતી નથી (~17%), જે ઉચ્ચ-ઘનતાવાળા થ્રેડીંગ ડિસલોકેશનની રચના તરફ દોરી જશે અને એપિટેક્સિયલ સ્તરની ગુણવત્તામાં નોંધપાત્ર ઘટાડો કરશે;
✔ Si ની તુલનામાં, GaN માં થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક મોટો છે (GaN નો થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક લગભગ 5.6×10-6K-1 છે, Si નો થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંક લગભગ 2.6×10-6K-1 છે), અને એપિટેક્સિયલ તાપમાનને ઓરડાના તાપમાને ઠંડુ કરતી વખતે GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરમાં તિરાડો ઉત્પન્ન થઈ શકે છે;
✔ Si ઊંચા તાપમાને NH3 સાથે પ્રતિક્રિયા આપીને પોલીક્રિસ્ટલાઇન SiNx બનાવે છે. પોલીક્રિસ્ટલાઇન SiNx પર AlN પ્રાધાન્યલક્ષી ન્યુક્લિયસ બનાવી શકતું નથી, જે ત્યારબાદ ઉગાડવામાં આવેલા GaN સ્તરનું અવ્યવસ્થિત દિશા અને મોટી સંખ્યામાં ખામીઓ તરફ દોરી જાય છે, જેના પરિણામે GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરની સ્ફટિક ગુણવત્તા નબળી પડે છે, અને સિંગલ-સ્ફટિકીય GaN એપિટેક્સિયલ સ્તર બનાવવામાં પણ મુશ્કેલી પડે છે [6].
મોટી જાળીના મેળ ખાતી ન હોવાની સમસ્યાને ઉકેલવા માટે, સંશોધકોએ Si સબસ્ટ્રેટ્સ પર બફર સ્તરો તરીકે AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO અને SiC જેવી સામગ્રી રજૂ કરવાનો પ્રયાસ કર્યો છે. પોલીક્રિસ્ટલાઇન SiNx ની રચના ટાળવા અને GaN/AlN/Si (111) સામગ્રીની સ્ફટિક ગુણવત્તા પર તેની પ્રતિકૂળ અસરો ઘટાડવા માટે, AlN બફર સ્તરના એપિટેક્સિયલ વિકાસ પહેલાં TMAl ને ચોક્કસ સમયગાળા માટે રજૂ કરવું જરૂરી છે જેથી NH3 ને ખુલ્લી Si સપાટી સાથે પ્રતિક્રિયા કરીને SiNx બનતા અટકાવી શકાય. વધુમાં, પેટર્નવાળી સબસ્ટ્રેટ ટેકનોલોજી જેવી એપિટેક્સિયલ તકનીકોનો ઉપયોગ એપિટેક્સિયલ સ્તરની ગુણવત્તા સુધારવા માટે કરી શકાય છે. આ તકનીકોનો વિકાસ એપિટેક્સિયલ ઇન્ટરફેસ પર SiNx ની રચનાને અટકાવવામાં, GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરના દ્વિ-પરિમાણીય વિકાસને પ્રોત્સાહન આપવા અને એપિટેક્સિયલ સ્તરની વૃદ્ધિ ગુણવત્તામાં સુધારો કરવામાં મદદ કરે છે. વધુમાં, સિલિકોન સબસ્ટ્રેટ પર GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરમાં તિરાડો ટાળવા માટે થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંકમાં તફાવતને કારણે થતા તાણ તણાવને વળતર આપવા માટે AlN બફર સ્તર રજૂ કરવામાં આવે છે. ક્રોસ્ટનું સંશોધન દર્શાવે છે કે AlN બફર સ્તરની જાડાઈ અને તાણમાં ઘટાડો વચ્ચે સકારાત્મક સંબંધ છે. જ્યારે બફર સ્તરની જાડાઈ 12nm સુધી પહોંચે છે, ત્યારે 6μm કરતા જાડા એપિટેક્સિયલ સ્તરને એપિટેક્સિયલ સ્તર ક્રેકીંગ વિના યોગ્ય વૃદ્ધિ યોજના દ્વારા સિલિકોન સબસ્ટ્રેટ પર ઉગાડી શકાય છે.
સંશોધકોના લાંબા ગાળાના પ્રયાસો પછી, સિલિકોન સબસ્ટ્રેટ પર ઉગાડવામાં આવેલા GaN એપિટેક્સિયલ સ્તરોની ગુણવત્તામાં નોંધપાત્ર સુધારો થયો છે, અને ફિલ્ડ ઇફેક્ટ ટ્રાન્ઝિસ્ટર, સ્કોટ્કી બેરિયર અલ્ટ્રાવાયોલેટ ડિટેક્ટર, બ્લુ-ગ્રીન LED અને અલ્ટ્રાવાયોલેટ લેસર જેવા ઉપકરણોએ નોંધપાત્ર પ્રગતિ કરી છે.
સારાંશમાં, સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા GaN એપિટેક્સિયલ સબસ્ટ્રેટ્સ બધા વિજાતીય એપિટાક્સિ હોવાથી, તે બધા સામાન્ય સમસ્યાઓનો સામનો કરે છે જેમ કે જાળીનો મેળ ખાતો નથી અને થર્મલ વિસ્તરણ ગુણાંકમાં વિવિધ ડિગ્રી સુધી મોટો તફાવત. એકરૂપ એપિટાક્સિયલ GaN સબસ્ટ્રેટ્સ ટેકનોલોજીની પરિપક્વતા દ્વારા મર્યાદિત છે, અને સબસ્ટ્રેટ્સ હજુ સુધી મોટા પ્રમાણમાં ઉત્પાદિત થયા નથી. ઉત્પાદન ખર્ચ ઊંચો છે, સબસ્ટ્રેટનું કદ નાનું છે, અને સબસ્ટ્રેટ ગુણવત્તા આદર્શ નથી. નવા GaN એપિટાક્સિયલ સબસ્ટ્રેટ્સનો વિકાસ અને એપિટાક્સિયલ ગુણવત્તામાં સુધારો હજુ પણ GaN એપિટાક્સિયલ ઉદ્યોગના વધુ વિકાસને પ્રતિબંધિત કરતા મહત્વપૂર્ણ પરિબળોમાંનું એક છે.
IV. GaN એપિટાક્સી માટે સામાન્ય પદ્ધતિઓ
MOCVD (રાસાયણિક વરાળ નિક્ષેપ)
એવું લાગે છે કે GaN સબસ્ટ્રેટ્સ પર સજાતીય એપિટાક્સી એ GaN એપિટાક્સી માટે શ્રેષ્ઠ પસંદગી છે. જો કે, રાસાયણિક વરાળ નિક્ષેપના પુરોગામી ટ્રાઇમેથાઇલગેલિયમ અને એમોનિયા હોવાથી, અને વાહક વાયુ હાઇડ્રોજન હોવાથી, લાક્ષણિક MOCVD વૃદ્ધિ તાપમાન લગભગ 1000-1100℃ છે, અને MOCVD નો વિકાસ દર પ્રતિ કલાક થોડા માઇક્રોન છે. તે અણુ સ્તરે સીધા ઇન્ટરફેસ ઉત્પન્ન કરી શકે છે, જે હેટરોજંક્શન, ક્વોન્ટમ કુવાઓ, સુપરલેટીસ અને અન્ય માળખાં ઉગાડવા માટે ખૂબ જ યોગ્ય છે. તેનો ઝડપી વિકાસ દર, સારી એકરૂપતા અને મોટા-ક્ષેત્ર અને બહુ-ભાગ વૃદ્ધિ માટે યોગ્યતાનો ઉપયોગ ઘણીવાર ઔદ્યોગિક ઉત્પાદનમાં થાય છે.
MBE (મોલેક્યુલર બીમ એપિટાક્સી)
મોલેક્યુલર બીમ એપિટાક્સીમાં, Ga એક એલિમેન્ટલ સ્ત્રોતનો ઉપયોગ કરે છે, અને સક્રિય નાઇટ્રોજન RF પ્લાઝ્મા દ્વારા નાઇટ્રોજનમાંથી મેળવવામાં આવે છે. MOCVD પદ્ધતિની તુલનામાં, MBE વૃદ્ધિ તાપમાન લગભગ 350-400℃ ઓછું છે. નીચું વૃદ્ધિ તાપમાન ઉચ્ચ તાપમાન વાતાવરણને કારણે થતા ચોક્કસ પ્રદૂષણને ટાળી શકે છે. MBE સિસ્ટમ અલ્ટ્રા-હાઇ વેક્યુમ હેઠળ કાર્ય કરે છે, જે તેને વધુ ઇન-સીટુ ડિટેક્શન પદ્ધતિઓને એકીકૃત કરવાની મંજૂરી આપે છે. તે જ સમયે, તેનો વિકાસ દર અને ઉત્પાદન ક્ષમતા MOCVD સાથે સરખાવી શકાતી નથી, અને તેનો વૈજ્ઞાનિક સંશોધનમાં વધુ ઉપયોગ થાય છે [7].
આકૃતિ 5 (a) Eiko-MBE યોજનાકીય (b) MBE મુખ્ય પ્રતિક્રિયા ચેમ્બર યોજનાકીય
HVPE પદ્ધતિ (હાઇડ્રાઇડ વેપર ફેઝ એપિટાક્સી)
હાઇડ્રાઇડ વેપર ફેઝ એપિટાક્સી પદ્ધતિના પુરોગામી GaCl3 અને NH3 છે. ડેચપ્રોહમ વગેરેએ આ પદ્ધતિનો ઉપયોગ નીલમ સબસ્ટ્રેટની સપાટી પર સેંકડો માઇક્રોન જાડા GaN એપિટાક્સિયલ સ્તર ઉગાડવા માટે કર્યો હતો. તેમના પ્રયોગમાં, નીલમ સબસ્ટ્રેટ અને એપિટાક્સિયલ સ્તર વચ્ચે બફર સ્તર તરીકે ZnO નું એક સ્તર ઉગાડવામાં આવ્યું હતું, અને એપિટાક્સિયલ સ્તરને સબસ્ટ્રેટ સપાટી પરથી છાલવામાં આવ્યું હતું. MOCVD અને MBE ની તુલનામાં, HVPE પદ્ધતિનું મુખ્ય લક્ષણ તેનો ઉચ્ચ વૃદ્ધિ દર છે, જે જાડા સ્તરો અને બલ્ક સામગ્રીના ઉત્પાદન માટે યોગ્ય છે. જો કે, જ્યારે એપિટાક્સિયલ સ્તરની જાડાઈ 20μm કરતાં વધી જાય છે, ત્યારે આ પદ્ધતિ દ્વારા ઉત્પાદિત એપિટાક્સિયલ સ્તર તિરાડો માટે સંવેદનશીલ હોય છે.
આ પદ્ધતિના આધારે પેટર્નવાળી સબસ્ટ્રેટ ટેકનોલોજી રજૂ કરી. તેઓએ સૌપ્રથમ MOCVD પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને નીલમ સબસ્ટ્રેટ પર પાતળું 1-1.5μm જાડાઈનું GaN એપિટેક્સિયલ સ્તર ઉગાડ્યું. એપિટેક્સિયલ સ્તરમાં નીચા તાપમાનની સ્થિતિમાં ઉગાડવામાં આવતા 20nm જાડા GaN બફર સ્તર અને ઉચ્ચ તાપમાનની સ્થિતિમાં ઉગાડવામાં આવતા GaN સ્તરનો સમાવેશ થતો હતો. પછી, 430℃ પર, એપિટેક્સિયલ સ્તરની સપાટી પર SiO2 નું સ્તર પ્લેટેડ કરવામાં આવ્યું, અને ફોટોલિથોગ્રાફી દ્વારા SiO2 ફિલ્મ પર વિન્ડો સ્ટ્રીપ્સ બનાવવામાં આવ્યા. પટ્ટાઓનું અંતર 7μm હતું અને માસ્કની પહોળાઈ 1μm થી 4μm સુધી હતી. આ સુધારા પછી, તેઓએ 2-ઇંચ વ્યાસના નીલમ સબસ્ટ્રેટ પર GaN એપિટેક્સિયલ સ્તર મેળવ્યું જે ક્રેક-મુક્ત હતું અને જાડાઈ દસ કે સેંકડો માઇક્રોન સુધી વધી હોવા છતાં પણ અરીસા જેટલું સરળ હતું. પરંપરાગત HVPE પદ્ધતિના ખામી ઘનતા 109-1010cm-2 થી ઘટાડીને લગભગ 6×107cm-2 કરવામાં આવી. તેઓએ પ્રયોગમાં એ પણ નિર્દેશ કર્યો કે જ્યારે વૃદ્ધિ દર 75μm/h કરતાં વધી જાય છે, ત્યારે નમૂનાની સપાટી ખરબચડી બની જશે[8].
આકૃતિ 6 ગ્રાફિકલ સબસ્ટ્રેટ સ્કીમેટિક
V. સારાંશ અને આઉટલુક
2014 માં જ્યારે વાદળી પ્રકાશ LED ને ભૌતિકશાસ્ત્રમાં નોબેલ પુરસ્કાર મળ્યો ત્યારે GaN સામગ્રીનો ઉદભવ શરૂ થયો, અને ગ્રાહક ઇલેક્ટ્રોનિક્સ ક્ષેત્રમાં ઝડપી ચાર્જિંગ એપ્લિકેશનોના જાહેર ક્ષેત્રમાં પ્રવેશ કર્યો. હકીકતમાં, 5G બેઝ સ્ટેશનોમાં ઉપયોગમાં લેવાતા પાવર એમ્પ્લીફાયર અને RF ઉપકરણોમાં એપ્લિકેશનો જે મોટાભાગના લોકો જોઈ શકતા નથી તે પણ શાંતિથી ઉભરી આવ્યા છે. તાજેતરના વર્ષોમાં, GaN-આધારિત ઓટોમોટિવ-ગ્રેડ પાવર ઉપકરણોની પ્રગતિ GaN સામગ્રી એપ્લિકેશન બજાર માટે નવા વિકાસ બિંદુઓ ખોલવાની અપેક્ષા છે.
વિશાળ બજાર માંગ ચોક્કસપણે GaN-સંબંધિત ઉદ્યોગો અને ટેકનોલોજીના વિકાસને પ્રોત્સાહન આપશે. GaN-સંબંધિત ઔદ્યોગિક શૃંખલાની પરિપક્વતા અને સુધારણા સાથે, વર્તમાન GaN એપિટેક્સિયલ ટેકનોલોજી દ્વારા સામનો કરવામાં આવતી સમસ્યાઓ આખરે સુધારી અથવા દૂર કરવામાં આવશે. ભવિષ્યમાં, લોકો ચોક્કસપણે વધુ નવી એપિટેક્સિયલ ટેકનોલોજી અને વધુ ઉત્તમ સબસ્ટ્રેટ વિકલ્પો વિકસાવશે. ત્યાં સુધીમાં, લોકો એપ્લિકેશન દૃશ્યોની લાક્ષણિકતાઓ અનુસાર વિવિધ એપ્લિકેશન દૃશ્યો માટે સૌથી યોગ્ય બાહ્ય સંશોધન તકનીક અને સબસ્ટ્રેટ પસંદ કરી શકશે, અને સૌથી વધુ સ્પર્ધાત્મક કસ્ટમાઇઝ્ડ ઉત્પાદનોનું ઉત્પાદન કરી શકશે.
પોસ્ટ સમય: જૂન-28-2024