तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक GaN और संबंधित एपिटैक्सियल प्रौद्योगिकी का संक्षिप्त परिचय

1. तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक

पहली पीढ़ी की अर्धचालक तकनीक Si और Ge जैसे अर्धचालक पदार्थों के आधार पर विकसित की गई थी। यह ट्रांजिस्टर और एकीकृत सर्किट प्रौद्योगिकी के विकास के लिए भौतिक आधार है। पहली पीढ़ी की अर्धचालक सामग्रियों ने 20वीं सदी में इलेक्ट्रॉनिक उद्योग की नींव रखी और एकीकृत सर्किट प्रौद्योगिकी के लिए बुनियादी सामग्री हैं।

दूसरी पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थों में मुख्य रूप से गैलियम आर्सेनाइड, इंडियम फॉस्फाइड, गैलियम फॉस्फाइड, इंडियम आर्सेनाइड, एल्युमिनियम आर्सेनाइड और उनके त्रिगुण यौगिक शामिल हैं। दूसरी पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थ ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक सूचना उद्योग की नींव हैं। इस आधार पर, प्रकाश व्यवस्था, प्रदर्शन, लेजर और फोटोवोल्टिक्स जैसे संबंधित उद्योगों का विकास किया गया है। इनका व्यापक रूप से समकालीन सूचना प्रौद्योगिकी और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक प्रदर्शन उद्योगों में उपयोग किया जाता है।

तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थों की प्रतिनिधि सामग्रियों में गैलियम नाइट्राइड और सिलिकॉन कार्बाइड शामिल हैं। उनके विस्तृत बैंड गैप, उच्च इलेक्ट्रॉन संतृप्ति बहाव वेग, उच्च तापीय चालकता और उच्च विखंडन क्षेत्र शक्ति के कारण, वे उच्च-शक्ति घनत्व, उच्च-आवृत्ति और कम-हानि वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को तैयार करने के लिए आदर्श सामग्री हैं। उनमें से, सिलिकॉन कार्बाइड बिजली उपकरणों में उच्च ऊर्जा घनत्व, कम ऊर्जा खपत और छोटे आकार के फायदे हैं, और नई ऊर्जा वाहनों, फोटोवोल्टिक्स, रेल परिवहन, बड़े डेटा और अन्य क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं हैं। गैलियम नाइट्राइड आरएफ उपकरणों में उच्च आवृत्ति, उच्च शक्ति, विस्तृत बैंडविड्थ, कम बिजली की खपत और छोटे आकार के फायदे हैं, और 5 जी संचार, इंटरनेट ऑफ थिंग्स, सैन्य रडार और अन्य क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं हैं। इसके अलावा, गैलियम नाइट्राइड-आधारित बिजली उपकरणों का व्यापक रूप से कम वोल्टेज क्षेत्र में उपयोग किया गया है। इसके अतिरिक्त, हाल के वर्षों में, उभरती हुई गैलियम ऑक्साइड सामग्रियों से मौजूदा SiC और GaN प्रौद्योगिकियों के साथ तकनीकी अनुपूरकता बनाने की उम्मीद है, और निम्न-आवृत्ति और उच्च-वोल्टेज क्षेत्रों में संभावित अनुप्रयोग संभावनाएं हैं।

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

छवि स्रोत: CASA, ज़ेशांग सिक्योरिटीज रिसर्च इंस्टीट्यूट

चित्र 1 GaN पावर डिवाइस समय स्केल और पूर्वानुमान

II GaN सामग्री संरचना और विशेषताएं

GaN एक प्रत्यक्ष बैंडगैप अर्धचालक है। कमरे के तापमान पर वुर्टज़ाइट संरचना की बैंडगैप चौड़ाई लगभग 3.26eV है। GaN सामग्रियों में तीन मुख्य क्रिस्टल संरचनाएँ होती हैं, अर्थात् वुर्टज़ाइट संरचना, स्फेलेराइट संरचना और रॉक साल्ट संरचना। उनमें से, वुर्टज़ाइट संरचना सबसे स्थिर क्रिस्टल संरचना है। चित्र 2 GaN की हेक्सागोनल वुर्टज़ाइट संरचना का एक आरेख है। GaN सामग्री की वुर्टज़ाइट संरचना एक हेक्सागोनल क्लोज-पैक संरचना से संबंधित है। प्रत्येक यूनिट सेल में 12 परमाणु होते हैं, जिनमें 6 N परमाणु और 6 Ga परमाणु शामिल हैं। प्रत्येक Ga (N) परमाणु 4 निकटतम N (Ga) परमाणुओं के साथ एक बंधन बनाता है और ABABAB के क्रम में स्टैक्ड होता है ... [0001] दिशा [2] के साथ।

चित्र 2 वुर्टज़ाइट संरचना GaN क्रिस्टल सेल आरेख

III GaN एपिटैक्सी के लिए सामान्यतः प्रयुक्त सब्सट्रेट

ऐसा लगता है कि GaN सब्सट्रेट पर सजातीय एपिटेक्सी GaN एपिटेक्सी के लिए सबसे अच्छा विकल्प है। हालांकि, GaN की बड़ी बॉन्ड ऊर्जा के कारण, जब तापमान 2500 ℃ के गलनांक तक पहुँच जाता है, तो इसका संगत अपघटन दबाव लगभग 4.5GPa होता है। जब अपघटन दबाव इस दबाव से कम होता है, तो GaN पिघलता नहीं है बल्कि सीधे विघटित हो जाता है। यह परिपक्व सब्सट्रेट तैयारी तकनीकों जैसे कि Czochralski विधि को GaN सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेट की तैयारी के लिए अनुपयुक्त बनाता है, जिससे GaN सब्सट्रेट को बड़े पैमाने पर उत्पादन करना मुश्किल और महंगा हो जाता है। इसलिए, GaN एपिटैक्सियल ग्रोथ में आमतौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले सब्सट्रेट मुख्य रूप से Si, SiC, नीलम आदि हैं। [3]

चार्ट 3 GaN और आमतौर पर इस्तेमाल की जाने वाली सब्सट्रेट सामग्रियों के पैरामीटर

नीलम पर GaN एपिटैक्सी

नीलम में स्थिर रासायनिक गुण होते हैं, यह सस्ता होता है, और बड़े पैमाने पर उत्पादन उद्योग की उच्च परिपक्वता होती है। इसलिए, यह अर्धचालक उपकरण इंजीनियरिंग में सबसे शुरुआती और सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली सब्सट्रेट सामग्री में से एक बन गया है। GaN एपिटैक्सी के लिए आमतौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले सब्सट्रेट में से एक के रूप में, नीलम सब्सट्रेट के लिए हल की जाने वाली मुख्य समस्याएं हैं:

✔ नीलम (Al2O3) और GaN (लगभग 15%) के बीच बड़े जाली बेमेल के कारण, एपिटैक्सियल परत और सब्सट्रेट के बीच इंटरफेस पर दोष घनत्व बहुत अधिक है। इसके प्रतिकूल प्रभावों को कम करने के लिए, एपिटैक्सियल प्रक्रिया शुरू होने से पहले सब्सट्रेट को जटिल प्रीट्रीटमेंट के अधीन किया जाना चाहिए। नीलम सब्सट्रेट पर GaN एपिटैक्सियल बढ़ने से पहले, सब्सट्रेट की सतह को पहले दूषित पदार्थों, अवशिष्ट पॉलिशिंग क्षति आदि को हटाने और स्टेप्स और स्टेप सतह संरचनाओं का उत्पादन करने के लिए सख्ती से साफ किया जाना चाहिए। फिर, एपिटैक्सियल परत के गीलेपन के गुणों को बदलने के लिए सब्सट्रेट की सतह को नाइट्राइड किया जाता है। अंत में, एक पतली AlN बफर परत (आमतौर पर 10-100nm मोटी) को सब्सट्रेट की सतह पर जमा करने और अंतिम एपिटैक्सियल वृद्धि के लिए तैयार करने के लिए कम तापमान पर एनील करने की आवश्यकता होती है। फिर भी, नीलम सब्सट्रेट पर उगाए गए GaN एपिटैक्सियल फिल्मों में विस्थापन घनत्व अभी भी होमियोएपिटैक्सियल फिल्मों की तुलना में अधिक है (लगभग 1010 सेमी-2, सिलिकॉन होमियोएपिटैक्सियल फिल्मों या गैलियम आर्सेनाइड होमियोएपिटैक्सियल 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 तापीय चालकता कम हो जाती है, जो सभी डिवाइस के प्रदर्शन को कम कर देगा [4];

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

✔ अन्य सबस्ट्रेट्स की तुलना में, नीलम सबस्ट्रेट्स की तापीय चालकता कम है (100 डिग्री सेल्सियस पर लगभग 0.25W*cm-1*K-1), और गर्मी अपव्यय प्रदर्शन खराब है;

✔ इसकी खराब चालकता के कारण, नीलम सब्सट्रेट अन्य अर्धचालक उपकरणों के साथ एकीकरण और अनुप्रयोग के लिए अनुकूल नहीं हैं।

यद्यपि नीलम सब्सट्रेट पर विकसित GaN एपीटैक्सियल परतों का दोष घनत्व उच्च है, लेकिन यह GaN-आधारित नीले-हरे LED के ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक प्रदर्शन को महत्वपूर्ण रूप से कम नहीं करता है, इसलिए नीलम सब्सट्रेट अभी भी GaN-आधारित LED के लिए सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले सब्सट्रेट हैं।

लेजर या अन्य उच्च घनत्व वाले पावर डिवाइस जैसे GaN उपकरणों के अधिक नए अनुप्रयोगों के विकास के साथ, नीलम सब्सट्रेट के अंतर्निहित दोष तेजी से उनके अनुप्रयोग पर एक सीमा बन गए हैं। इसके अलावा, SiC सब्सट्रेट विकास प्रौद्योगिकी के विकास, लागत में कमी और Si सब्सट्रेट पर GaN एपिटैक्सियल प्रौद्योगिकी की परिपक्वता के साथ, नीलम सब्सट्रेट पर GaN एपिटैक्सियल परतों को विकसित करने पर अधिक शोध ने धीरे-धीरे एक ठंडा रुझान दिखाया है।

SiC पर GaN एपिटैक्सी

नीलम की तुलना में, SiC सब्सट्रेट (4H- और 6H-क्रिस्टल) में GaN एपिटैक्सियल परतों (3.1%, [0001] उन्मुख एपिटैक्सियल फिल्मों के बराबर), उच्च तापीय चालकता (लगभग 3.8W*cm-1*K-1), आदि के साथ एक छोटा जाली बेमेल है। इसके अलावा, SiC सब्सट्रेट की चालकता सब्सट्रेट के पीछे विद्युत संपर्क बनाने की भी अनुमति देती है, जो डिवाइस संरचना को सरल बनाने में मदद करती है। इन लाभों के अस्तित्व ने सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट पर GaN एपिटैक्सि पर काम करने के लिए अधिक से अधिक शोधकर्ताओं को आकर्षित किया है।

हालांकि, GaN एपिलेयर्स के विकास से बचने के लिए SiC सबस्ट्रेट्स पर सीधे काम करने से कई नुकसानों का भी सामना करना पड़ता है, जिनमें निम्नलिखित शामिल हैं:

✔ SiC सब्सट्रेट की सतह खुरदरापन नीलम सब्सट्रेट (नीलम खुरदरापन 0.1nm RMS, SiC खुरदरापन 1nm RMS) की तुलना में बहुत अधिक है, 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 सबस्ट्रेट्स का स्क्रू डिस्लोकेशन घनत्व उच्च है (डिस्लोकेशन घनत्व 103-104cm-2), स्क्रू डिस्लोकेशन GaN एपिलेयर तक फैल सकता है और डिवाइस के प्रदर्शन को कम कर सकता है;

✔ सब्सट्रेट सतह पर परमाणु व्यवस्था GaN एपिलेयर में स्टैकिंग फॉल्ट (BSF) के गठन को प्रेरित करती है। SiC सब्सट्रेट पर एपिटैक्सियल GaN के लिए, सब्सट्रेट पर कई संभावित परमाणु व्यवस्था क्रम हैं, जिसके परिणामस्वरूप उस पर एपिटैक्सियल GaN परत का असंगत प्रारंभिक परमाणु स्टैकिंग क्रम होता है, जो स्टैकिंग दोषों के लिए प्रवण होता है। स्टैकिंग दोष (SF) c-अक्ष के साथ अंतर्निहित विद्युत क्षेत्र पेश करते हैं, जिससे इन-प्लेन वाहक पृथक्करण उपकरणों के रिसाव जैसी समस्याएं होती हैं;

✔ SiC सब्सट्रेट का थर्मल विस्तार गुणांक AlN और GaN की तुलना में छोटा है, जो शीतलन प्रक्रिया के दौरान एपिटैक्सियल परत और सब्सट्रेट के बीच थर्मल तनाव संचय का कारण बनता है। वाल्टेराइट और ब्रांड ने अपने शोध परिणामों के आधार पर भविष्यवाणी की कि पतली, सुसंगत रूप से तनावग्रस्त AlN न्यूक्लियेशन परतों पर GaN एपिटैक्सियल परतों को विकसित करके इस समस्या को कम किया जा सकता है या हल किया जा सकता है;

✔ Ga परमाणुओं की खराब गीलापन की समस्या। जब SiC सतह पर सीधे GaN एपिटैक्सियल परतों को विकसित किया जाता है, तो दो परमाणुओं के बीच खराब गीलापन के कारण, GaN सब्सट्रेट सतह पर 3D द्वीप वृद्धि के लिए प्रवण होता है। GaN एपिटैक्सी में एपिटैक्सियल सामग्रियों की गुणवत्ता में सुधार करने के लिए बफर परत का परिचय सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला समाधान है। AlN या AlxGa1-xN बफर परत का परिचय SiC सतह की गीलापन को प्रभावी ढंग से सुधार 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 सबस्ट्रेट्स की तैयारी तकनीक अपरिपक्व है, सब्सट्रेट की लागत अधिक है, और आपूर्तिकर्ता कम हैं तथा आपूर्ति भी कम है।

टोरेस एट अल. के शोध से पता चलता है कि एपिटेक्सी से पहले उच्च तापमान (1600 डिग्री सेल्सियस) पर H2 के साथ SiC सब्सट्रेट की नक़्क़ाशी करने से सब्सट्रेट की सतह पर अधिक व्यवस्थित चरण संरचना का उत्पादन हो सकता है, जिससे मूल सब्सट्रेट सतह पर सीधे विकसित होने 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 की नक़्क़ाशी पूर्व उपचार GaN एपिटैक्सियल परत की सतह आकृति विज्ञान और क्रिस्टल गुणवत्ता में काफी सुधार कर सकता है। स्मिथ एट अल. ने पाया कि सब्सट्रेट/बफर परत और बफर परत/एपिटैक्सियल परत इंटरफेस से उत्पन्न थ्रेडिंग अव्यवस्थाएं सब्सट्रेट की समतलता से संबंधित हैं [5]।

चित्र 4 विभिन्न सतह उपचार स्थितियों के तहत 6H-SiC सब्सट्रेट (0001) पर उगाए गए GaN एपीटैक्सियल परत नमूनों की TEM आकृति विज्ञान (ए) रासायनिक सफाई; (बी) रासायनिक सफाई + हाइड्रोजन प्लाज्मा उपचार; (सी) रासायनिक सफाई + हाइड्रोजन प्लाज्मा उपचार + 30 मिनट के लिए 1300 डिग्री सेल्सियस हाइड्रोजन ताप उपचार

Si पर GaN एपिटैक्सी

सिलिकॉन कार्बाइड, नीलम और अन्य सब्सट्रेट्स की तुलना में, सिलिकॉन सब्सट्रेट तैयार करने की प्रक्रिया परिपक्व है, और यह उच्च लागत प्रदर्शन के साथ परिपक्व बड़े आकार के सब्सट्रेट्स को स्थिर रूप से प्रदान कर सकती है। साथ ही, थर्मल चालकता और विद्युत चालकता अच्छी है, और Si इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस प्रक्रिया परिपक्व है। भविष्य में ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक GaN उपकरणों को Si इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के साथ पूरी तरह से एकीकृत करने की संभावना भी सिलिकॉन पर GaN एपिटैक्सी के विकास को बहुत आकर्षक बनाती है।

हालाँकि, Si सब्सट्रेट और GaN सामग्री के बीच जाली स्थिरांक में बड़े अंतर के कारण, Si सब्सट्रेट पर GaN की विषम एपिटेक्सी एक विशिष्ट बड़ी बेमेल एपिटेक्सी है, और इसे कई समस्याओं का सामना भी करना पड़ता है:

✔ सतह इंटरफ़ेस ऊर्जा समस्या। जब GaN Si सब्सट्रेट पर बढ़ता है, तो Si सब्सट्रेट की सतह पहले नाइट्राइड हो जाएगी जिससे एक अनाकार सिलिकॉन नाइट्राइड परत बन जाएगी जो उच्च घनत्व वाले GaN के न्यूक्लियेशन और विकास के लिए अनुकूल नहीं है। इसके अलावा, Si सतह पहले Ga से संपर्क करेगी, जो Si सब्सट्रेट की सतह को खराब कर देगी। उच्च तापमान पर, Si सतह का अपघटन GaN एपिटैक्सियल परत में फैल जाएगा और काले सिलिकॉन धब्बे बनेंगे।

✔ GaN और Si के बीच जाली स्थिरांक का बेमेल बड़ा (~ 17%) है, जो उच्च घनत्व थ्रेडिंग अव्यवस्थाओं के गठन को जन्म देगा और एपिटैक्सियल परत की गुणवत्ता को काफी कम कर देगा;

✔ Si की तुलना में, GaN में बड़ा तापीय विस्तार गुणांक होता है (GaN का तापीय विस्तार गुणांक लगभग 5.6×10-6K-1 होता है, Si का तापीय विस्तार गुणांक लगभग 2.6×10-6K-1 होता 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 एक तरजीही उन्मुख नाभिक नहीं बना सकता है, जिसके कारण बाद में विकसित GaN परत का अव्यवस्थित अभिविन्यास और बड़ी संख्या में दोष उत्पन्न होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप GaN एपिटैक्सियल परत की खराब क्रिस्टल गुणवत्ता होती है, और यहाँ तक कि एकल-क्रिस्टलाइन GaN एपिटैक्सियल परत बनाने में भी कठिनाई होती है [6]।

बड़े जाली बेमेल की समस्या को हल करने के लिए, शोधकर्ताओं ने Si सब्सट्रेट पर बफर परतों के रूप में AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO और SiC जैसी सामग्रियों को पेश करने की कोशिश की है। पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx के गठन से बचने और GaN/AlN/Si (111) सामग्रियों की क्रिस्टल गुणवत्ता पर इसके प्रतिकूल प्रभावों को कम करने के लिए, आमतौर पर AlN बफर परत की एपिटैक्सियल वृद्धि से पहले एक निश्चित अवधि के लिए TMAl को पेश करने की आवश्यकता होती है ताकि NH3 को SiNx बनाने के लिए उजागर Si सतह के साथ प्रतिक्रिया करने से रोका जा सके। इसके अलावा, एपिटैक्सियल तकनीक जैसे पैटर्न वाली सब्सट्रेट तकनीक का उपयोग एपिटैक्सियल परत की गुणवत्ता में सुधार करने के लिए किया जा सकता है। इसके अलावा, सिलिकॉन सब्सट्रेट पर GaN एपिटैक्सियल परत में दरारों से बचने के लिए थर्मल विस्तार गुणांक में अंतर के कारण होने वाले तन्य तनाव की भरपाई के लिए एक AlN बफर परत पेश की जाती है। क्रॉस्ट के शोध से पता चलता है कि AlN बफर परत की मोटाई और तनाव में कमी के बीच एक सकारात्मक संबंध है। जब बफर परत की मोटाई 12nm तक पहुँच जाती है, तो एपिटैक्सियल परत में दरार के बिना एक उपयुक्त विकास योजना के माध्यम से सिलिकॉन सब्सट्रेट पर 6μm से अधिक मोटी एपिटैक्सियल परत विकसित की जा सकती है।

शोधकर्ताओं के दीर्घकालिक प्रयासों के बाद, सिलिकॉन सब्सट्रेट पर विकसित GaN एपीटैक्सियल परतों की गुणवत्ता में काफी सुधार हुआ है, और फील्ड इफेक्ट ट्रांजिस्टर, शॉटकी बैरियर पराबैंगनी डिटेक्टर, नीले-हरे एलईडी और पराबैंगनी लेजर जैसे उपकरणों ने महत्वपूर्ण प्रगति की है।

संक्षेप में, चूंकि आमतौर पर इस्तेमाल किए जाने वाले GaN एपिटैक्सियल सब्सट्रेट सभी विषम एपिटैक्सियल हैं, इसलिए वे सभी जाली बेमेल और अलग-अलग डिग्री के थर्मल विस्तार गुणांक में बड़े अंतर जैसी सामान्य समस्याओं का सामना करते हैं। सजातीय एपिटैक्सियल GaN सब्सट्रेट प्रौद्योगिकी की परिपक्वता द्वारा सीमित हैं, और सब्सट्रेट का अभी तक बड़े पैमाने पर उत्पादन नहीं किया गया है। उत्पादन लागत अधिक है, सब्सट्रेट का आकार छोटा है, और सब्सट्रेट की गुणवत्ता आदर्श नहीं है। नए GaN एपिटैक्सियल सब्सट्रेट का विकास और एपिटैक्सियल गुणवत्ता में सुधार अभी भी GaN एपिटैक्सियल उद्योग के आगे के विकास को प्रतिबंधित करने वाले महत्वपूर्ण कारकों में से एक है।

IV. GaN एपिटैक्सी के लिए सामान्य विधियाँ

एमओसीवीडी (रासायनिक वाष्प जमाव)

ऐसा लगता है कि GaN सब्सट्रेट पर सजातीय एपिटेक्सी GaN एपिटेक्सी के लिए सबसे अच्छा विकल्प है। हालाँकि, चूँकि रासायनिक वाष्प जमाव के अग्रदूत ट्राइमेथिलगैलियम और अमोनिया हैं, और वाहक गैस हाइड्रोजन है, इसलिए MOCVD का सामान्य विकास तापमान लगभग 1000-1100 ℃ है, और MOCVD की वृद्धि दर लगभग कुछ माइक्रोन प्रति घंटा है। यह परमाणु स्तर पर खड़ी इंटरफेस का उत्पादन कर सकता है, जो हेटेरोजंक्शन, क्वांटम कुओं, सुपरलैटिस और अन्य संरचनाओं को विकसित करने के लिए बहुत उपयुक्त है। इसकी तेज़ विकास दर, अच्छी एकरूपता और बड़े क्षेत्र और बहु-टुकड़े विकास के लिए उपयुक्तता अक्सर औद्योगिक उत्पादन में उपयोग की जाती है।
एमबीई (आणविक किरण एपिटैक्सी)
आणविक बीम एपिटेक्सी में, Ga एक मौलिक स्रोत का उपयोग करता है, और सक्रिय नाइट्रोजन आरएफ प्लाज्मा के माध्यम से नाइट्रोजन से प्राप्त किया जाता है। MOCVD विधि की तुलना में, MBE वृद्धि तापमान लगभग 350-400 ℃ कम है। कम वृद्धि तापमान कुछ प्रदूषण से बच सकता है जो उच्च तापमान वाले वातावरण के कारण हो सकता है। MBE प्रणाली अल्ट्रा-हाई वैक्यूम के तहत संचालित होती है, जो इसे अधिक इन-सीटू डिटेक्शन विधियों को एकीकृत करने की अनुमति देती है। साथ ही, इसकी वृद्धि दर और उत्पादन क्षमता की तुलना MOCVD से नहीं की जा सकती 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 एपिटैक्सि विधि के अग्रदूत GaCl3 और NH3 हैं। डेचप्रोहम एट अल ने नीलम सब्सट्रेट की सतह पर सैकड़ों माइक्रोन मोटी GaN एपिटैक्सिअल परत विकसित करने के लिए इस विधि का उपयोग किया। उनके प्रयोग में, नीलम सब्सट्रेट और एपिटैक्सिअल परत के बीच बफर परत के रूप में ZnO की एक परत उगाई गई, और एपिटैक्सिअल परत को सब्सट्रेट सतह से छील दिया गया। 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। हालाँकि, जब एपिटैक्सिअल परत की मोटाई 20μm से अधिक हो जाती है, तो इस विधि द्वारा उत्पादित एपिटैक्सिअल परत में दरारें पड़ने का खतरा होता है।
अकीरा यूएसयूआई ने इस पद्धति के आधार पर पैटर्नयुक्त सब्सट्रेट तकनीक शुरू की। उन्होंने सबसे पहले MOCVD पद्धति का उपयोग करके नीलम सब्सट्रेट पर एक पतली 1-1.5μm मोटी GaN एपिटैक्सियल परत विकसित की। एपिटैक्सियल परत में कम तापमान की स्थिति में विकसित 20nm मोटी GaN बफर परत और उच्च तापमान की स्थिति में विकसित GaN परत शामिल थी। फिर, 430 डिग्री सेल्सियस पर, एपिटैक्सियल परत की सतह पर SiO2 की एक परत चढ़ाई गई, और फोटोलिथोग्राफी द्वारा SiO2 फिल्म पर खिड़की की धारियाँ बनाई गईं। धारियों के बीच की दूरी 7μm थी और मास्क की चौड़ाई 1μm से 4μm तक थी। इस सुधार के बाद, उन्होंने 2 इंच व्यास वाले नीलम सब्सट्रेट पर एक GaN एपिटैक्सियल परत प्राप्त की जो दरार-रहित थी और मोटाई दसियों या सैकड़ों माइक्रोन तक बढ़ने पर भी दर्पण की तरह चिकनी थी। दोष घनत्व पारंपरिक एचवीपीई विधि के 109-1010 सेमी-2 से घटकर लगभग 6×107 सेमी-2 हो गया। उन्होंने प्रयोग में यह भी बताया कि जब वृद्धि दर 75μm/h से अधिक हो जाती है, तो नमूना सतह खुरदरी हो जाती है[8]।

चित्र 6 ग्राफिकल सब्सट्रेट योजनाबद्ध

V. सारांश और दृष्टिकोण

GaN सामग्री 2014 में उभरने लगी जब नीली रोशनी वाली एलईडी ने उस वर्ष भौतिकी में नोबेल पुरस्कार जीता, और उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स क्षेत्र में फास्ट चार्जिंग अनुप्रयोगों के सार्वजनिक क्षेत्र में प्रवेश किया। वास्तव में, 5G बेस स्टेशनों में उपयोग किए जाने वाले पावर एम्पलीफायरों और RF उपकरणों में अनुप्रयोग जिन्हें अधिकांश लोग नहीं देख सकते हैं, वे भी चुपचाप उभरे हैं। हाल के वर्षों में, GaN-आधारित ऑटोमोटिव-ग्रेड पावर डिवाइस की सफलता से GaN सामग्री अनुप्रयोग बाजार के लिए नए विकास बिंदु खुलने की उम्मीद है।
बाजार की भारी मांग निश्चित रूप से GaN से संबंधित उद्योगों और प्रौद्योगिकियों के विकास को बढ़ावा देगी। GaN से संबंधित औद्योगिक श्रृंखला की परिपक्वता और सुधार के साथ, वर्तमान GaN एपिटैक्सियल तकनीक के सामने आने वाली समस्याओं को अंततः सुधारा जाएगा या दूर किया जाएगा। भविष्य में, लोग निश्चित रूप से अधिक नई एपिटैक्सियल तकनीकें और अधिक उत्कृष्ट सब्सट्रेट विकल्प विकसित करेंगे। तब तक, लोग अनुप्रयोग परिदृश्यों की विशेषताओं के अनुसार विभिन्न अनुप्रयोग परिदृश्यों के लिए सबसे उपयुक्त बाहरी अनुसंधान तकनीक और सब्सट्रेट चुनने में सक्षम होंगे, और सबसे अधिक प्रतिस्पर्धी अनुकूलित उत्पादों का उत्पादन करेंगे।