तीसरी पीढ़ी के सेमीकंडक्टर GaN और संबंधित एपिटैक्सियल तकनीक का संक्षिप्त परिचय

1. तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक

पहली पीढ़ी की अर्धचालक तकनीक सिलिकॉन (Si) और जर्मेनियम (Ge) जैसे अर्धचालक पदार्थों पर आधारित थी। यह ट्रांजिस्टर और एकीकृत परिपथ तकनीक के विकास का आधारभूत पदार्थ है। पहली पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थों ने 20वीं शताब्दी में इलेक्ट्रॉनिक उद्योग की नींव रखी और एकीकृत परिपथ तकनीक के लिए मूलभूत पदार्थ हैं।

दूसरी पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थों में मुख्य रूप से गैलियम आर्सेनाइड, इंडियम फॉस्फाइड, एल्युमीनियम आर्सेनाइड और इनके त्रिगुणीय यौगिक शामिल हैं। दूसरी पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थ ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक सूचना उद्योग की नींव हैं। इसी आधार पर प्रकाश व्यवस्था, डिस्प्ले, लेजर और फोटोवोल्टिक्स जैसे संबंधित उद्योगों का विकास हुआ है। इनका उपयोग समकालीन सूचना प्रौद्योगिकी और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक डिस्प्ले उद्योगों में व्यापक रूप से किया जाता है।

तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थों में गैलियम नाइट्राइड और सिलिकॉन कार्बाइड प्रमुख हैं। अपने व्यापक बैंड गैप, उच्च इलेक्ट्रॉन संतृप्ति बहाव वेग, उच्च तापीय चालकता और उच्च ब्रेकडाउन क्षेत्र शक्ति के कारण, ये उच्च शक्ति घनत्व, उच्च आवृत्ति और कम हानि वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के निर्माण के लिए आदर्श पदार्थ हैं। इनमें से, सिलिकॉन कार्बाइड विद्युत उपकरणों में उच्च ऊर्जा घनत्व, कम ऊर्जा खपत और छोटे आकार के लाभ हैं, और नई ऊर्जा वाहनों, फोटोवोल्टिक्स, रेल परिवहन, बिग डेटा और अन्य क्षेत्रों में इनके व्यापक अनुप्रयोग की संभावनाएं हैं। गैलियम नाइट्राइड आरएफ उपकरणों में उच्च आवृत्ति, उच्च शक्ति, व्यापक बैंडविड्थ, कम बिजली खपत और छोटे आकार के लाभ हैं, और 5जी संचार, इंटरनेट ऑफ थिंग्स, सैन्य रडार और अन्य क्षेत्रों में इनके व्यापक अनुप्रयोग की संभावनाएं हैं। इसके अलावा, गैलियम नाइट्राइड-आधारित विद्युत उपकरणों का उपयोग निम्न-वोल्टेज क्षेत्र में व्यापक रूप से किया जाता है। इसके अतिरिक्त, हाल के वर्षों में, उभरते हुए गैलियम ऑक्साइड पदार्थों से मौजूदा SiC और GaN प्रौद्योगिकियों के साथ तकनीकी पूरकता बनाने और कम आवृत्ति और उच्च वोल्टेज क्षेत्रों में संभावित अनुप्रयोग संभावनाएं होने की उम्मीद है।

दूसरी पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थों की तुलना में, तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थों में व्यापक बैंडगैप चौड़ाई होती है (पहली पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थ के एक विशिष्ट पदार्थ Si की बैंडगैप चौड़ाई लगभग 1.1 eV है, दूसरी पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थ के एक विशिष्ट पदार्थ GaAs की बैंडगैप चौड़ाई लगभग 1.42 eV है, और तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थ के एक विशिष्ट पदार्थ GaN की बैंडगैप चौड़ाई 2.3 eV से अधिक है), साथ ही इनमें मजबूत विकिरण प्रतिरोध, विद्युत क्षेत्र ब्रेकडाउन के प्रति मजबूत प्रतिरोध और उच्च तापमान प्रतिरोध होता है। व्यापक बैंडगैप चौड़ाई वाले तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थ विकिरण-प्रतिरोधी, उच्च-आवृत्ति, उच्च-शक्ति और उच्च-एकीकरण-घनत्व वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के उत्पादन के लिए विशेष रूप से उपयुक्त हैं। माइक्रोवेव रेडियो आवृत्ति उपकरणों, एलईडी, लेजर, विद्युत उपकरणों और अन्य क्षेत्रों में उनके अनुप्रयोगों ने बहुत ध्यान आकर्षित किया है, और उन्होंने मोबाइल संचार, स्मार्ट ग्रिड, रेल परिवहन, नई ऊर्जा वाहनों, उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स और पराबैंगनी और नीले-हरे प्रकाश उपकरणों में व्यापक विकास की संभावनाएं दिखाई हैं [1]।

छवि स्रोत: सीएएसए, ज़ेशेंग सिक्योरिटीज रिसर्च इंस्टीट्यूट

चित्र 1 GaN पावर डिवाइस का समय पैमाना और पूर्वानुमान

II GaN सामग्री की संरचना और विशेषताएँ

GaN एक प्रत्यक्ष बैंडगैप अर्धचालक है। कमरे के तापमान पर वुर्ट्ज़ाइट संरचना की बैंडगैप चौड़ाई लगभग 3.26eV है। GaN पदार्थों की तीन मुख्य क्रिस्टल संरचनाएँ होती हैं, अर्थात् वुर्ट्ज़ाइट संरचना, स्फेलेराइट संरचना और रॉक सॉल्ट संरचना। इनमें से, वुर्ट्ज़ाइट संरचना सबसे स्थिर क्रिस्टल संरचना है। चित्र 2 GaN की षट्कोणीय वुर्ट्ज़ाइट संरचना का आरेख है। GaN पदार्थ की वुर्ट्ज़ाइट संरचना एक षट्कोणीय क्लोज-पैक्ड संरचना है। प्रत्येक इकाई सेल में 12 परमाणु होते हैं, जिनमें 6 N परमाणु और 6 Ga परमाणु शामिल हैं। प्रत्येक Ga (N) परमाणु अपने निकटतम 4 N (Ga) परमाणुओं के साथ बंध बनाता है और [0001] दिशा के अनुदिश ABABAB… क्रम में व्यवस्थित होता है [2]।

चित्र 2. वुर्ट्ज़ाइट संरचना GaN क्रिस्टल सेल आरेख

III GaN एपिटैक्सी के लिए आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले सब्सट्रेट

ऐसा प्रतीत होता है कि GaN सबस्ट्रेट्स पर समरूप एपिटैक्सी GaN एपिटैक्सी के लिए सर्वोत्तम विकल्प है। हालाँकि, GaN की उच्च बंध ऊर्जा के कारण, जब तापमान 2500 ℃ के गलनांक तक पहुँचता है, तो इसका संगत अपघटन दाब लगभग 4.5 GPa होता है। जब अपघटन दाब इस दाब से कम होता है, तो GaN पिघलता नहीं है बल्कि सीधे विघटित हो जाता है। यह Czochralski विधि जैसी परिपक्व सबस्ट्रेट निर्माण तकनीकों को GaN एकल क्रिस्टल सबस्ट्रेट्स के निर्माण के लिए अनुपयुक्त बनाता है, जिससे GaN सबस्ट्रेट्स का बड़े पैमाने पर उत्पादन कठिन और महंगा हो जाता है। इसलिए, GaN एपिटैक्सियल वृद्धि में आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले सबस्ट्रेट्स मुख्य रूप से Si, SiC, नीलम आदि हैं [3]।

चार्ट 3 GaN और आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले सब्सट्रेट सामग्रियों के पैरामीटर

नीलम पर GaN एपिटैक्सी

नीलम के रासायनिक गुण स्थिर होते हैं, यह सस्ता होता है और बड़े पैमाने पर उत्पादन उद्योग में इसकी परिपक्वता काफी अधिक है। इसलिए, यह अर्धचालक उपकरण इंजीनियरिंग में सबसे पहले और सबसे व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले सब्सट्रेट सामग्रियों में से एक बन गया है। GaN एपिटैक्सी के लिए आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले सब्सट्रेट में से एक होने के नाते, नीलम सब्सट्रेट के लिए जिन मुख्य समस्याओं का समाधान करना आवश्यक है, वे हैं:

✔ नीलम (Al2O3) और GaN के बीच बड़े जाली बेमेल (लगभग 15%) के कारण, एपिटैक्सियल परत और सब्सट्रेट के बीच इंटरफ़ेस पर दोष घनत्व बहुत अधिक होता है। इसके प्रतिकूल प्रभावों को कम करने के लिए, एपिटैक्सी प्रक्रिया शुरू होने से पहले सब्सट्रेट को जटिल पूर्व-उपचार से गुजारना आवश्यक है। नीलम सब्सट्रेट पर GaN एपिटैक्सी विकसित करने से पहले, सब्सट्रेट की सतह को पहले दूषित पदार्थों, पॉलिशिंग से हुए अवशिष्ट नुकसान आदि को हटाने और चरणबद्ध सतह संरचनाएं बनाने के लिए अच्छी तरह से साफ किया जाना चाहिए। फिर, एपिटैक्सियल परत के वेटिंग गुणों को बदलने के लिए सब्सट्रेट की सतह को नाइट्राइड किया जाता है। अंत में, अंतिम एपिटैक्सियल वृद्धि की तैयारी के लिए सब्सट्रेट की सतह पर एक पतली AlN बफर परत (आमतौर पर 10-100nm मोटी) जमा की जाती है और कम तापमान पर एनिलिंग की जाती है। फिर भी, नीलम सब्सट्रेट पर उगाए गए GaN एपिटैक्सियल फिल्मों में विस्थापन घनत्व अभी भी होमोएपिटैक्सियल फिल्मों की तुलना में अधिक है (लगभग 1010 सेमी-2, सिलिकॉन होमोएपिटैक्सियल फिल्मों या गैलियम आर्सेनाइड होमोएपिटैक्सियल फिल्मों में अनिवार्य रूप से शून्य विस्थापन घनत्व की तुलना में, या 102 और 104 सेमी-2 के बीच)। उच्च दोष घनत्व वाहक गतिशीलता को कम करता है, जिससे अल्पसंख्यक वाहक जीवनकाल छोटा हो जाता है और थर्मल चालकता कम हो जाती है, ये सभी उपकरण प्रदर्शन को कम कर देंगे [4];

✔ नीलम का तापीय विस्तार गुणांक GaN की तुलना में अधिक होता है, इसलिए निक्षेपण तापमान से कमरे के तापमान तक ठंडा होने की प्रक्रिया के दौरान एपिटैक्सियल परत में द्विअक्षीय संपीडन तनाव उत्पन्न होगा। मोटी एपिटैक्सियल फिल्मों के लिए, यह तनाव फिल्म या यहां तक ​​कि सब्सट्रेट में दरार पैदा कर सकता है;

✔ अन्य सब्सट्रेटों की तुलना में, नीलम सब्सट्रेटों की तापीय चालकता कम होती है (100℃ पर लगभग 0.25W*cm-1*K-1), और ऊष्मा अपव्यय प्रदर्शन खराब होता है;

✔ अपनी खराब चालकता के कारण, नीलम के सब्सट्रेट अन्य अर्धचालक उपकरणों के साथ उनके एकीकरण और अनुप्रयोग के लिए उपयुक्त नहीं होते हैं।

हालांकि नीलम सब्सट्रेट पर उगाए गए GaN एपिटैक्सियल परतों का दोष घनत्व अधिक होता है, लेकिन ऐसा प्रतीत नहीं होता कि यह GaN-आधारित नीले-हरे एलईडी के ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से कम करता है, इसलिए नीलम सब्सट्रेट अभी भी GaN-आधारित एलईडी के लिए आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले सब्सट्रेट हैं।

लेजर या अन्य उच्च-घनत्व विद्युत उपकरणों जैसे GaN उपकरणों के नए अनुप्रयोगों के विकास के साथ, नीलम सब्सट्रेट के अंतर्निहित दोष उनके अनुप्रयोग पर एक बड़ी बाधा बनते जा रहे हैं। इसके अलावा, SiC सब्सट्रेट विकास तकनीक के विकास, लागत में कमी और Si सब्सट्रेट पर GaN एपिटैक्सियल तकनीक की परिपक्वता के साथ, नीलम सब्सट्रेट पर GaN एपिटैक्सियल परतें विकसित करने पर शोध में धीरे-धीरे कमी आ रही है।

SiC पर GaN एपिटैक्सी

नीलम की तुलना में, SiC सबस्ट्रेट्स (4H- और 6H-क्रिस्टल) में GaN एपिटैक्सियल परतों के साथ कम जाली बेमेल (3.1%, जो [0001] उन्मुख एपिटैक्सियल फिल्मों के बराबर है), उच्च तापीय चालकता (लगभग 3.8W*cm⁻¹*K⁻¹) आदि गुण होते हैं। इसके अतिरिक्त, SiC सबस्ट्रेट्स की चालकता सबस्ट्रेट के पीछे विद्युत संपर्क बनाने की अनुमति देती है, जिससे उपकरण संरचना को सरल बनाने में मदद मिलती है। इन लाभों के कारण अधिक से अधिक शोधकर्ता सिलिकॉन कार्बाइड सबस्ट्रेट्स पर GaN एपिटैक्सी पर काम करने के लिए आकर्षित हो रहे हैं।

हालांकि, GaN एपिलेयर्स को विकसित होने से बचाने के लिए सीधे SiC सब्सट्रेट पर काम करने में भी कई नुकसान हैं, जिनमें निम्नलिखित शामिल हैं:

✔ SiC सब्सट्रेट की सतह की खुरदरापन नीलम सब्सट्रेट की तुलना में काफी अधिक होती है (नीलम की खुरदरापन 0.1nm RMS, SiC की खुरदरापन 1nm RMS)। SiC सब्सट्रेट में उच्च कठोरता और खराब प्रसंस्करण प्रदर्शन होता है, और यह खुरदरापन और अवशिष्ट पॉलिशिंग क्षति भी GaN एपिलेयर्स में दोषों के स्रोतों में से एक है।

✔ SiC सब्सट्रेट की स्क्रू डिसलोकेशन घनत्व अधिक होती है (डिसलोकेशन घनत्व 103-104 सेमी-2), स्क्रू डिसलोकेशन GaN एपिलेयर तक फैल सकती है और डिवाइस के प्रदर्शन को कम कर सकती है;

✔ सबस्ट्रेट सतह पर परमाणु व्यवस्था GaN एपिलेयर में स्टैकिंग फॉल्ट (BSF) के निर्माण को प्रेरित करती है। SiC सबस्ट्रेट पर एपिटैक्सियल GaN के लिए, सबस्ट्रेट पर परमाणु व्यवस्था के कई संभावित क्रम होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप इस पर एपिटैक्सियल GaN परत का प्रारंभिक परमाणु स्टैकिंग क्रम असंगत होता है, जो स्टैकिंग फॉल्ट के लिए प्रवण होता है। स्टैकिंग फॉल्ट (SF) c-अक्ष के अनुदिश अंतर्निर्मित विद्युत क्षेत्र उत्पन्न करते हैं, जिससे इन-प्लेन कैरियर पृथक्करण उपकरणों के रिसाव जैसी समस्याएं उत्पन्न होती हैं;

✔ SiC सब्सट्रेट का तापीय विस्तार गुणांक AlN और GaN की तुलना में कम होता है, जिसके कारण शीतलन प्रक्रिया के दौरान एपिटैक्सियल परत और सब्सट्रेट के बीच तापीय तनाव का संचय होता है। वाल्टेरिट और ब्रांड ने अपने शोध परिणामों के आधार पर भविष्यवाणी की कि इस समस्या को पतली, सुसंगत रूप से तनावग्रस्त AlN न्यूक्लिएशन परतों पर GaN एपिटैक्सियल परतें उगाकर कम या हल किया जा सकता है;

✔ Ga परमाणुओं की कम वेटेबिलिटी की समस्या। SiC सतह पर सीधे GaN एपिटैक्सियल परतें उगाते समय, दोनों परमाणुओं के बीच कम वेटेबिलिटी के कारण, GaN सब्सट्रेट सतह पर 3D द्वीप वृद्धि के लिए प्रवण होता है। GaN एपिटैक्सी में एपिटैक्सियल सामग्रियों की गुणवत्ता में सुधार के लिए बफर परत का उपयोग सबसे आम समाधान है। AlN या AlxGa1-xN बफर परत का उपयोग SiC सतह की वेटेबिलिटी को प्रभावी ढंग से बेहतर बना सकता है और GaN एपिटैक्सियल परत को दो आयामों में विकसित कर सकता है। इसके अलावा, यह तनाव को भी नियंत्रित कर सकता है और सब्सट्रेट दोषों को GaN एपिटैक्सी तक फैलने से रोक सकता है।

✔ SiC सब्सट्रेट तैयार करने की तकनीक अभी अपरिपक्व है, सब्सट्रेट की लागत अधिक है, और आपूर्तिकर्ता कम हैं और आपूर्ति सीमित है।

टॉरेस एट अल. के शोध से पता चलता है कि एपिटैक्सी से पहले उच्च तापमान (1600°C) पर H2 के साथ SiC सब्सट्रेट को एचिंग करने से सब्सट्रेट सतह पर अधिक व्यवस्थित स्टेप संरचना उत्पन्न हो सकती है, जिससे मूल सब्सट्रेट सतह पर सीधे उगाए जाने की तुलना में उच्च गुणवत्ता वाली AlN एपिटैक्सियल फिल्म प्राप्त होती है। ज़ी और उनकी टीम के शोध से यह भी पता चलता है कि सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट के एचिंग प्रीट्रीटमेंट से GaN एपिटैक्सियल परत की सतह आकृति विज्ञान और क्रिस्टल गुणवत्ता में उल्लेखनीय सुधार हो सकता है। स्मिथ एट अल. ने पाया कि सब्सट्रेट/बफर परत और बफर परत/एपिटैक्सियल परत इंटरफेस से उत्पन्न होने वाले थ्रेडिंग डिसलोकेशन सब्सट्रेट की समतलता से संबंधित हैं [5]।

चित्र 4 विभिन्न सतह उपचार स्थितियों के तहत 6H-SiC सबस्ट्रेट (0001) पर उगाए गए GaN एपिटैक्सियल परत के नमूनों की TEM आकृति विज्ञान: (a) रासायनिक सफाई; (b) रासायनिक सफाई + हाइड्रोजन प्लाज्मा उपचार; (c) रासायनिक सफाई + हाइड्रोजन प्लाज्मा उपचार + 30 मिनट के लिए 1300℃ हाइड्रोजन ताप उपचार

Si पर GaN एपिटैक्सी

सिलिकॉन कार्बाइड, नीलम और अन्य सब्सट्रेटों की तुलना में, सिलिकॉन सब्सट्रेट निर्माण प्रक्रिया परिपक्व है और यह उच्च लागत-प्रदर्शन के साथ स्थिर रूप से परिपक्व बड़े आकार के सब्सट्रेट प्रदान कर सकती है। साथ ही, इसकी तापीय चालकता और विद्युत चालकता अच्छी है और सिलिकॉन इलेक्ट्रॉनिक उपकरण निर्माण प्रक्रिया भी परिपक्व है। भविष्य में ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक GaN उपकरणों को सिलिकॉन इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के साथ पूर्णतः एकीकृत करने की संभावना भी सिलिकॉन पर GaN एपिटैक्सी के विकास को अत्यंत आकर्षक बनाती है।

हालांकि, Si सबस्ट्रेट और GaN सामग्री के बीच जाली स्थिरांक में बड़े अंतर के कारण, Si सबस्ट्रेट पर GaN का विषम एपिटैक्सी एक विशिष्ट बड़ा बेमेल एपिटैक्सी है, और इसे कई समस्याओं का सामना भी करना पड़ता है:

✔ सतह इंटरफ़ेस ऊर्जा समस्या। जब GaN को Si सबस्ट्रेट पर उगाया जाता है, तो Si सबस्ट्रेट की सतह पहले नाइट्राइड होकर एक अनाकार सिलिकॉन नाइट्राइड परत बनाती है जो उच्च घनत्व वाले GaN के निर्माण और वृद्धि के लिए अनुकूल नहीं होती है। इसके अलावा, Si की सतह पहले Ga के संपर्क में आती है, जिससे Si सबस्ट्रेट की सतह का क्षरण होता है। उच्च तापमान पर, Si सतह का विघटन GaN एपिटैक्सियल परत में फैलकर काले सिलिकॉन के धब्बे बनाता है।

✔ GaN और Si के बीच जाली स्थिरांक बेमेल बड़ा (~17%) है, जिससे उच्च घनत्व वाले थ्रेडिंग अव्यवस्थाओं का निर्माण होगा और एपिटैक्सियल परत की गुणवत्ता में काफी कमी आएगी;

✔ Si की तुलना में, GaN का तापीय विस्तार गुणांक अधिक होता है (GaN का तापीय विस्तार गुणांक लगभग 5.6×10⁻⁶K⁻¹ है, Si का तापीय विस्तार गुणांक लगभग 2.6×10⁻⁶K⁻¹ है), और एपिटैक्सियल तापमान को कमरे के तापमान तक ठंडा करने के दौरान GaN एपिटैक्सियल परत में दरारें उत्पन्न हो सकती हैं;

✔ Si उच्च तापमान पर NH3 के साथ प्रतिक्रिया करके पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx बनाता है। AlN पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx पर अधिमानतः उन्मुख नाभिक नहीं बना सकता है, जिससे बाद में विकसित GaN परत का अव्यवस्थित अभिविन्यास और दोषों की उच्च संख्या होती है, जिसके परिणामस्वरूप GaN उप-कथन परत की क्रिस्टल गुणवत्ता खराब होती है, और यहां तक ​​कि एकल-क्रिस्टलीय GaN उप-कथन परत बनाने में भी कठिनाई होती है [6]।

बड़े लैटिस मिसमैच की समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने Si सबस्ट्रेट्स पर बफर लेयर्स के रूप में AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO और SiC जैसी सामग्रियों को शामिल करने का प्रयास किया है। पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx के निर्माण से बचने और GaN/AlN/Si (111) सामग्रियों की क्रिस्टल गुणवत्ता पर इसके प्रतिकूल प्रभावों को कम करने के लिए, AlN बफर लेयर के एपिटैक्सियल विकास से पहले एक निश्चित अवधि के लिए TMAl को शामिल करना आवश्यक होता है ताकि NH3 को उजागर Si सतह के साथ प्रतिक्रिया करके SiNx बनाने से रोका जा सके। इसके अलावा, पैटर्न वाले सबस्ट्रेट तकनीक जैसी एपिटैक्सियल तकनीकों का उपयोग एपिटैक्सियल लेयर की गुणवत्ता में सुधार के लिए किया जा सकता है। इन तकनीकों के विकास से एपिटैक्सियल इंटरफ़ेस पर SiNx के निर्माण को रोकने, GaN एपिटैक्सियल लेयर के द्वि-आयामी विकास को बढ़ावा देने और एपिटैक्सियल लेयर की विकास गुणवत्ता में सुधार करने में मदद मिलती है। इसके अतिरिक्त, सिलिकॉन सबस्ट्रेट पर GaN एपिटैक्सियल परत में दरारें पड़ने से बचने के लिए, तापीय विस्तार गुणांकों में अंतर के कारण उत्पन्न तनाव को संतुलित करने हेतु एक AlN बफर परत डाली जाती है। क्रोस्ट के शोध से पता चलता है कि AlN बफर परत की मोटाई और तनाव में कमी के बीच सकारात्मक संबंध है। जब बफर परत की मोटाई 12nm तक पहुँच जाती है, तो उपयुक्त वृद्धि योजना के माध्यम से सिलिकॉन सबस्ट्रेट पर 6μm से अधिक मोटी एपिटैक्सियल परत को बिना दरार पड़े उगाया जा सकता है।

शोधकर्ताओं के दीर्घकालिक प्रयासों के बाद, सिलिकॉन सब्सट्रेट पर उगाए गए GaN एपिटैक्सियल परतों की गुणवत्ता में काफी सुधार हुआ है, और फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर, शॉटकी बैरियर अल्ट्रावायलेट डिटेक्टर, ब्लू-ग्रीन एलईडी और अल्ट्रावायलेट लेजर जैसे उपकरणों ने महत्वपूर्ण प्रगति की है।

संक्षेप में, चूंकि आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले GaN एपिटैक्सियल सबस्ट्रेट्स सभी विषम एपिटैक्सी हैं, इसलिए उनमें जाली बेमेल और तापीय विस्तार गुणांकों में बड़े अंतर जैसी सामान्य समस्याएं अलग-अलग मात्रा में पाई जाती हैं। समरूप एपिटैक्सियल GaN सबस्ट्रेट्स प्रौद्योगिकी की परिपक्वता की कमी के कारण सीमित हैं और इनका अभी तक बड़े पैमाने पर उत्पादन नहीं हुआ है। उत्पादन लागत अधिक है, सबस्ट्रेट का आकार छोटा है और गुणवत्ता आदर्श नहीं है। नए GaN एपिटैक्सियल सबस्ट्रेट्स का विकास और एपिटैक्सियल गुणवत्ता में सुधार अभी भी GaN एपिटैक्सियल उद्योग के आगे विकास को बाधित करने वाले महत्वपूर्ण कारकों में से एक है।

IV. GaN एपिटैक्सी के लिए सामान्य विधियाँ

एमओसीवीडी (रासायनिक वाष्प निक्षेपण)

GaN सबस्ट्रेट्स पर समरूप एपिटैक्सी GaN एपिटैक्सी के लिए सर्वोत्तम विकल्प प्रतीत होता है। हालांकि, रासायनिक वाष्प निक्षेपण (MOCVD) के अग्रदूत ट्राइमिथाइलगैलियम और अमोनिया हैं, और वाहक गैस हाइड्रोजन है, इसलिए MOCVD का विशिष्ट वृद्धि तापमान लगभग 1000-1100℃ होता है, और इसकी वृद्धि दर कुछ माइक्रोन प्रति घंटा होती है। यह परमाणु स्तर पर तीव्र इंटरफेस उत्पन्न कर सकता है, जो हेटरोजंक्शन, क्वांटम वेल, सुपरलैटिस और अन्य संरचनाओं के विकास के लिए बहुत उपयुक्त है। इसकी तीव्र वृद्धि दर, अच्छी एकरूपता और बड़े क्षेत्र तथा बहु-भाग वृद्धि के लिए उपयुक्तता के कारण इसका उपयोग औद्योगिक उत्पादन में अक्सर किया जाता है।
एमबीई (आणविक बीम एपिटैक्सी)
आणविक बीम एपिटैक्सी में, Ga एक मौलिक स्रोत का उपयोग करता है, और सक्रिय नाइट्रोजन RF प्लाज्मा के माध्यम से नाइट्रोजन से प्राप्त किया जाता है। MOCVD विधि की तुलना में, MBE वृद्धि तापमान लगभग 350-400℃ कम होता है। कम वृद्धि तापमान उच्च तापमान वाले वातावरण के कारण होने वाले कुछ प्रदूषणों से बचा सकता है। MBE प्रणाली अति-उच्च निर्वात में संचालित होती है, जिससे इसमें अधिक इन-सीटू पहचान विधियों को एकीकृत किया जा सकता है। साथ ही, इसकी वृद्धि दर और उत्पादन क्षमता MOCVD से अतुलनीय है, और इसका उपयोग वैज्ञानिक अनुसंधान में अधिक किया जाता है [7]।

चित्र 5 (ए) ईको-एमबीई योजनाबद्ध (बी) एमबीई मुख्य प्रतिक्रिया कक्ष योजनाबद्ध

एचवीपीई विधि (हाइड्राइड वाष्प चरण एपिटैक्सी)

हाइड्राइड वाष्प चरण एपिटैक्सी विधि के अग्रदूत GaCl3 और NH3 हैं। डेचप्रोहम एट अल. ने इस विधि का उपयोग करके नीलम सब्सट्रेट की सतह पर सैकड़ों माइक्रोन मोटी GaN एपिटैक्सियल परत विकसित की। उनके प्रयोग में, नीलम सब्सट्रेट और एपिटैक्सियल परत के बीच बफर परत के रूप में ZnO की एक परत विकसित की गई थी, और एपिटैक्सियल परत को सब्सट्रेट की सतह से छीलकर अलग किया गया था। MOCVD और MBE की तुलना में, HVPE विधि की मुख्य विशेषता इसकी उच्च वृद्धि दर है, जो मोटी परतों और थोक सामग्रियों के उत्पादन के लिए उपयुक्त है। हालांकि, जब एपिटैक्सियल परत की मोटाई 20 μm से अधिक हो जाती है, तो इस विधि द्वारा निर्मित एपिटैक्सियल परत में दरारें पड़ने की संभावना बढ़ जाती है।
अकीरा उसुई ने इसी विधि पर आधारित पैटर्नयुक्त सबस्ट्रेट तकनीक का परिचय दिया। उन्होंने सबसे पहले MOCVD विधि का उपयोग करके नीलम सबस्ट्रेट पर 1-1.5 माइक्रोमीटर मोटी GaN एपिटैक्सियल परत विकसित की। इस एपिटैक्सियल परत में कम तापमान पर विकसित 20 नैनोमीटर मोटी GaN बफर परत और उच्च तापमान पर विकसित GaN परत शामिल थी। फिर, 430 ℃ पर, एपिटैक्सियल परत की सतह पर SiO2 की एक परत चढ़ाई गई और फोटोलिथोग्राफी द्वारा SiO2 फिल्म पर विंडो स्ट्राइप्स बनाई गईं। स्ट्राइप स्पेसिंग 7 माइक्रोमीटर थी और मास्क की चौड़ाई 1 माइक्रोमीटर से 4 माइक्रोमीटर तक थी। इस सुधार के बाद, उन्होंने 2 इंच व्यास वाले नीलम सबस्ट्रेट पर एक दरार रहित और दर्पण की तरह चिकनी GaN एपिटैक्सियल परत प्राप्त की, यहाँ तक कि जब मोटाई दसियों या सैकड़ों माइक्रोन तक बढ़ाई गई। दोष घनत्व को पारंपरिक एचवीपीई विधि के 109-1010 सेमी-2 से घटाकर लगभग 6 × 107 सेमी-2 कर दिया गया। उन्होंने प्रयोग में यह भी बताया कि जब वृद्धि दर 75 μm/h से अधिक हो जाती है, तो नमूना सतह खुरदरी हो जाएगी[8]।

चित्र 6 ग्राफिकल सब्सट्रेट योजनाबद्ध आरेख

V. सारांश और भविष्य की संभावनाएं

GaN सामग्री का प्रचलन 2014 में शुरू हुआ, जब उसी वर्ष नीली रोशनी वाली LED को भौतिकी का नोबेल पुरस्कार मिला। इसके बाद उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स क्षेत्र में तेज़ चार्जिंग अनुप्रयोगों के माध्यम से इसका प्रचलन आम लोगों के बीच फैल गया। वास्तव में, 5G बेस स्टेशनों में उपयोग होने वाले पावर एम्पलीफायर और RF उपकरणों में भी इसके अनुप्रयोग धीरे-धीरे सामने आने लगे हैं, जिन्हें आम लोग देख नहीं पाते। हाल के वर्षों में, GaN-आधारित ऑटोमोटिव-ग्रेड पावर उपकरणों में हुई प्रगति से GaN सामग्री के अनुप्रयोग बाजार में विकास के नए द्वार खुलने की उम्मीद है।
बाजार में भारी मांग से GaN से संबंधित उद्योगों और प्रौद्योगिकियों के विकास को निश्चित रूप से बढ़ावा मिलेगा। GaN से संबंधित औद्योगिक श्रृंखला की परिपक्वता और सुधार के साथ, वर्तमान GaN एपिटैक्सियल प्रौद्योगिकी में आने वाली समस्याओं का अंततः समाधान हो जाएगा या वे दूर हो जाएंगी। भविष्य में, लोग निश्चित रूप से अधिक नई एपिटैक्सियल प्रौद्योगिकियां और बेहतर सब्सट्रेट विकल्प विकसित करेंगे। तब तक, लोग विभिन्न अनुप्रयोग परिदृश्यों की विशेषताओं के अनुसार सबसे उपयुक्त बाहरी अनुसंधान प्रौद्योगिकी और सब्सट्रेट का चयन करने और सबसे प्रतिस्पर्धी अनुकूलित उत्पाद तैयार करने में सक्षम होंगे।