Երրորդ սերնդի կիսահաղորդչային GaN-ի և դրան առնչվող էպիտաքսիալ տեխնոլոգիայի համառոտ ներածություն

1. Երրորդ սերնդի կիսահաղորդիչներ

Առաջին սերնդի կիսահաղորդչային տեխնոլոգիան մշակվել է կիսահաղորդչային նյութերի, ինչպիսիք են Si-ը և Ge-ն, հիման վրա: Այն տրանզիստորների և ինտեգրալ սխեմաների տեխնոլոգիայի մշակման նյութական հիմքն է: Առաջին սերնդի կիսահաղորդչային նյութերը հիմք դրեցին էլեկտրոնային արդյունաբերությանը 20-րդ դարում և ինտեգրալ սխեմաների տեխնոլոգիայի հիմնական նյութերն են:

Երկրորդ սերնդի կիսահաղորդչային նյութերը հիմնականում ներառում են գալիումի արսենիդ, ինդիումի ֆոսֆիդ, գալիումի ֆոսֆիդ, ինդիումի արսենիդ, ալյումինի արսենիդ և դրանց եռակի միացություններ: Երկրորդ սերնդի կիսահաղորդչային նյութերը օպտոէլեկտրոնային տեղեկատվական արդյունաբերության հիմքն են: Այս հիմքի վրա զարգացել են այնպիսի հարակից արդյունաբերություններ, ինչպիսիք են լուսավորությունը, էկրանը, լազերը և ֆոտովոլտայինները: Դրանք լայնորեն կիրառվում են ժամանակակից տեղեկատվական տեխնոլոգիաների և օպտոէլեկտրոնային էկրանների արդյունաբերություններում:

Երրորդ սերնդի կիսահաղորդչային նյութերի ներկայացուցչական նյութերից են գալիումի նիտրիդը և սիլիցիումի կարբիդը: Իրենց լայն գոտիային բացվածքի, էլեկտրոնային հագեցվածության բարձր դրիֆի արագության, բարձր ջերմային հաղորդունակության և բարձր քայքայման դաշտի ուժի շնորհիվ դրանք իդեալական նյութեր են բարձր հզորության խտության, բարձր հաճախականության և ցածր կորուստներով էլեկտրոնային սարքեր պատրաստելու համար: Դրանց թվում են սիլիցիումի կարբիդային էներգամատակարարման սարքերը, որոնք ունեն բարձր էներգիայի խտության, ցածր էներգիայի սպառման և փոքր չափի առավելություններ, և ունեն լայն կիրառման հեռանկարներ նոր էներգետիկ տրանսպորտային միջոցներում, ֆոտովոլտային համակարգերում, երկաթուղային տրանսպորտում, մեծ տվյալներում և այլ ոլորտներում: Գալիումի նիտրիդային ՌՖ սարքերն ունեն բարձր հաճախականության, բարձր հզորության, լայն թողունակության, ցածր էներգիայի սպառման և փոքր չափի առավելություններ, և ունեն լայն կիրառման հեռանկարներ 5G հաղորդակցություններում, իրերի ինտերնետում, ռազմական ռադարներում և այլ ոլորտներում: Բացի այդ, գալիումի նիտրիդի վրա հիմնված էներգամատակարարման սարքերը լայնորեն օգտագործվել են ցածր լարման ոլորտում: Բացի այդ, վերջին տարիներին, ի հայտ եկող գալիումի օքսիդային նյութերը, ինչպես սպասվում է, կձևավորեն տեխնիկական լրացում առկա SiC և GaN տեխնոլոգիաների հետ և կունենան պոտենցիալ կիրառման հեռանկարներ ցածր հաճախականության և բարձր լարման ոլորտներում:

Երկրորդ սերնդի կիսահաղորդչային նյութերի համեմատ, երրորդ սերնդի կիսահաղորդչային նյութերն ունեն ավելի լայն գոտիական բացվածքի լայնություն (Si-ի, առաջին սերնդի կիսահաղորդչային նյութի բնորոշ նյութի, գոտիական բացվածքի լայնությունը մոտ 1.1 էՎ է, երկրորդ սերնդի կիսահաղորդչային նյութի բնորոշ նյութ GaAs-ի, գոտիական բացվածքի լայնությունը մոտ 1.42 էՎ է, իսկ երրորդ սերնդի կիսահաղորդչային նյութի բնորոշ նյութ GaN-ի, գոտիական բացվածքի լայնությունը 2.3 էՎ-ից բարձր է), ավելի ուժեղ ճառագայթային դիմադրություն, էլեկտրական դաշտի խզման նկատմամբ ավելի ուժեղ դիմադրություն և ավելի բարձր ջերմաստիճանային դիմադրություն: Ավելի լայն գոտիական բացվածքի լայնությամբ երրորդ սերնդի կիսահաղորդչային նյութերը հատկապես հարմար են ճառագայթակայուն, բարձր հաճախականության, բարձր հզորության և բարձր ինտեգրման խտության էլեկտրոնային սարքերի արտադրության համար: Դրանց կիրառությունը միկրոալիքային ռադիոհաճախականության սարքերում, LED-ներում, լազերներում, հզորության սարքերում և այլ ոլորտներում մեծ ուշադրություն է գրավել, և դրանք լայն զարգացման հեռանկարներ են ցույց տվել բջջային կապի, խելացի ցանցերի, երկաթուղային տրանսպորտի, նոր էներգետիկ տրանսպորտային միջոցների, սպառողական էլեկտրոնիկայի և ուլտրամանուշակագույն և կապտականաչ լույսի սարքերի ոլորտներում [1]:

Պատկերի աղբյուր՝ CASA, Ժեշանգի արժեթղթերի հետազոտական ​​ինստիտուտ

Նկար 1. GaN հզորության սարքի ժամանակային մասշտաբը և կանխատեսումը

II GaN նյութի կառուցվածքը և բնութագրերը

GaN-ը ուղիղ գոտիական բացվածքով կիսահաղորդիչ է: Վուրցիտային կառուցվածքի գոտիական բացվածքի լայնությունը սենյակային ջերմաստիճանում մոտ 3.26 էՎ է: GaN նյութերն ունեն երեք հիմնական բյուրեղային կառուցվածք՝ վուրցիտային կառուցվածք, սֆալերիտային կառուցվածք և քարաղային կառուցվածք: Դրանց մեջ վուրցիտային կառուցվածքը ամենակայուն բյուրեղային կառուցվածքն է: Նկար 2-ը GaN-ի վեցանկյուն վուրցիտային կառուցվածքի դիագրամ է: GaN նյութի վուրցիտային կառուցվածքը պատկանում է վեցանկյուն փակ կառուցվածքի: Յուրաքանչյուր միավորային բջիջ ունի 12 ատոմ, այդ թվում՝ 6 N և 6 Ga ատոմ: Յուրաքանչյուր Ga (N) ատոմ կապ է առաջացնում մոտակա 4 N (Ga) ատոմների հետ և դասավորված է ABABAB… հերթականությամբ՝ [0001] ուղղությամբ [2]:

Նկար 2. Վուրցիտի կառուցվածքի GaN բյուրեղային բջիջի դիագրամ

III GaN էպիտաքսիայի համար լայնորեն օգտագործվող հիմքեր

Թվում է, թե GaN հիմքերի վրա համասեռ էպիտաքսիան GaN էպիտաքսիայի համար լավագույն ընտրությունն է: Սակայն, GaN-ի մեծ կապի էներգիայի պատճառով, երբ ջերմաստիճանը հասնում է 2500℃ հալման կետին, դրա համապատասխան քայքայման ճնշումը կազմում է մոտ 4.5 ԳՊա: Երբ քայքայման ճնշումը ցածր է այս ճնշումից, GaN-ը չի հալվում, այլ անմիջապես քայքայվում է: Սա հասուն հիմքերի պատրաստման տեխնոլոգիաները, ինչպիսին է Չոխրալսկու մեթոդը, դարձնում է անպիտան GaN միաբյուրեղային հիմքերի պատրաստման համար, ինչը GaN հիմքերը դարձնում է դժվար զանգվածային արտադրության և թանկ: Հետևաբար, GaN էպիտաքսիալ աճեցման մեջ սովորաբար օգտագործվող հիմքերը հիմնականում Si, SiC, շափյուղա և այլն են [3]:

Գծապատկեր 3. GaN-ը և լայնորեն օգտագործվող հիմքային նյութերի պարամետրերը

GaN էպիտաքսիա շափյուղայի վրա

Սապֆիրն ունի կայուն քիմիական հատկություններ, էժան է և ունի մեծածավալ արտադրության բարձր հասունություն։ Հետևաբար, այն դարձել է կիսահաղորդչային սարքերի ճարտարագիտության մեջ ամենավաղ և ամենատարածված հիմքային նյութերից մեկը։ Որպես GaN էպիտաքսիայի համար լայնորեն օգտագործվող հիմքերից մեկը, սապֆիրային հիմքերի համար լուծվող հիմնական խնդիրներն են՝

✔ Շափյուղայի (Al2O3) և GaN-ի միջև ցանցի մեծ անհամապատասխանության պատճառով (մոտ 15%), էպիտաքսիալ շերտի և հիմքի միջև ընկած հատվածում արատի խտությունը շատ բարձր է: Դրա անբարենպաստ ազդեցությունը նվազեցնելու համար, հիմքը պետք է ենթարկվի բարդ նախնական մշակման, նախքան էպիտաքսիալ գործընթացը սկսելը: Նախքան GaN էպիտաքսիալ աճեցումը շափյուղայի հիմքերի վրա, հիմքի մակերեսը նախ պետք է խստորեն մաքրվի՝ աղտոտիչները, մնացորդային փայլեցման վնասը և այլն հեռացնելու և աստիճաններ և աստիճանային մակերեսային կառուցվածքներ ստանալու համար: Այնուհետև, հիմքի մակերեսը նիտրացվում է՝ էպիտաքսիալ շերտի թրջող հատկությունները փոխելու համար: Վերջապես, հիմքի մակերեսին պետք է նստեցվի բարակ AlN բուֆերային շերտ (սովորաբար 10-100 նմ հաստությամբ) և թրծվի ցածր ջերմաստիճանում՝ վերջնական էպիտաքսիալ աճին նախապատրաստվելու համար: Այնուամենայնիվ, շափյուղայի հիմքերի վրա աճեցված GaN էպիտաքսիալ թաղանթներում դիսլոկացիայի խտությունը դեռևս ավելի բարձր է, քան հոմեէպիտաքսիալ թաղանթներում (մոտ 1010 սմ-2, համեմատած սիլիցիումային հոմեէպիտաքսիալ թաղանթներում կամ գալիումի արսենիդային հոմեէպիտաքսիալ թաղանթներում էապես զրոյական դիսլոկացիայի խտության հետ, կամ 102-ից 104 սմ-2 միջև): Ավելի բարձր արատների խտությունը նվազեցնում է կրողների շարժունակությունը, դրանով իսկ կրճատելով փոքրամասնությունների կրողների կյանքի տևողությունը և նվազեցնելով ջերմահաղորդականությունը, որոնք բոլորը կնվազեցնեն սարքի աշխատանքը [4]:

✔ Սապֆիրի ջերմային ընդարձակման գործակիցը մեծ է GaN-ից, ուստի էպիտաքսիալ շերտում երկառանցքային սեղմման լարում կառաջանա նստեցման ջերմաստիճանից սենյակային ջերմաստիճան սառեցման գործընթացում: Ավելի հաստ էպիտաքսիալ թաղանթների դեպքում այս լարումը կարող է առաջացնել թաղանթի կամ նույնիսկ հիմքի ճաքեր:

✔ Համեմատած այլ հիմքերի հետ, շափյուղայի հիմքերի ջերմահաղորդականությունն ավելի ցածր է (մոտ 0.25W*cm-1*K-1 100℃ ջերմաստիճանում), իսկ ջերմափոխանակման արդյունավետությունը՝ վատ։

✔ Վատ հաղորդունակության պատճառով, շափյուղայի հիմքերը չեն նպաստում դրանց ինտեգրմանը և կիրառմանը այլ կիսահաղորդչային սարքերի հետ։

Չնայած շափյուղայի հիմքերի վրա աճեցված GaN էպիտաքսիալ շերտերի արատների խտությունը բարձր է, այն, կարծես, էապես չի նվազեցնում GaN-ի վրա հիմնված կապտականաչ լուսադիոդների օպտոէլեկտրոնային աշխատանքը, ուստի շափյուղայի հիմքերը դեռևս լայնորեն օգտագործվող հիմքեր են GaN-ի վրա հիմնված լուսադիոդների համար։

GaN սարքերի, ինչպիսիք են լազերները կամ այլ բարձր խտության հզորության սարքերը, ավելի ու ավելի շատ նոր կիրառությունների զարգացման հետ մեկտեղ, շափյուղայի հիմքերի բնորոշ թերությունները գնալով ավելի ու ավելի են դառնում դրանց կիրառման սահմանափակում: Բացի այդ, SiC հիմքերի աճեցման տեխնոլոգիայի զարգացման, ծախսերի կրճատման և Si հիմքերի վրա GaN էպիտաքսիալ տեխնոլոգիայի հասունացման հետ մեկտեղ, շափյուղայի հիմքերի վրա GaN էպիտաքսիալ շերտերի աճեցման վերաբերյալ ավելի շատ հետազոտություններ աստիճանաբար ցույց են տվել սառեցման միտում:

GaN էպիտաքսիա SiC-ի վրա

Սապֆիրի համեմատ, SiC հիմքերը (4H- և 6H-բյուրեղներ) ունեն GaN էպիտաքսիալ շերտերի հետ ավելի փոքր ցանցային անհամապատասխանություն (3.1%, համարժեք է [0001] կողմնորոշված ​​էպիտաքսիալ թաղանթներին), ավելի բարձր ջերմահաղորդականություն (մոտ 3.8W*cm-1*K-1) և այլն: Բացի այդ, SiC հիմքերի հաղորդականությունը թույլ է տալիս նաև էլեկտրական շփումներ կատարել հիմքի հետևի մասում, ինչը նպաստում է սարքի կառուցվածքի պարզեցմանը: Այս առավելությունների առկայությունը ավելի ու ավելի շատ հետազոտողների է ներգրավել սիլիցիումի կարբիդային հիմքերի վրա GaN էպիտաքսիայի վրա աշխատելու համար:

Այնուամենայնիվ, GaN էպիշերտերի աճից խուսափելու համար SiC հիմքերի վրա անմիջապես աշխատելը նույնպես բախվում է մի շարք թերությունների, այդ թվում՝ հետևյալի.

✔ SiC հիմքերի մակերևույթի կոպտությունը շատ ավելի բարձր է, քան շափյուղային հիմքերինը (շափյուղայի կոպտությունը՝ 0.1 նմ RMS, SiC կոպտությունը՝ 1 նմ RMS), SiC հիմքերը ունեն բարձր կարծրություն և վատ մշակման արդյունավետություն, և այս կոպտությունը և մնացորդային հղկման վնասը նույնպես GaN էպիշերների թերությունների աղբյուրներից մեկն են։

✔ SiC հիմքերի պտուտակային տեղաշարժերի խտությունը բարձր է (տեղաշարժերի խտություն 103-104 սմ-2), պտուտակային տեղաշարժերը կարող են տարածվել GaN էպիշորին և նվազեցնել սարքի աշխատանքը։

✔ Հիմքի մակերեսին ատոմների դասավորությունը հանգեցնում է GaN էպիտակսային խզումների (BSF) առաջացմանը GaN էպիտակսային շերտում: SiC հիմքերի վրա էպիտաքսիալ GaN-ի դեպքում հիմքի վրա կան բազմաթիվ հնարավոր ատոմային դասավորության կարգեր, ինչը հանգեցնում է էպիտաքսիալ GaN շերտի ատոմների դասավորման անհամապատասխան սկզբնական կարգի, որը հակված է կուտակման խզումների: Կույտային խզումները (SF) ներմուծում են ներկառուցված էլեկտրական դաշտեր c-առանցքի երկայնքով, ինչը հանգեցնում է այնպիսի խնդիրների, ինչպիսիք են հարթության մեջ գտնվող կրողների բաժանման սարքերի արտահոսքը:

✔ SiC հիմքի ջերմային ընդարձակման գործակիցը փոքր է AlN-ի և GaN-ի ջերմային ընդարձակման գործակիցից, ինչը սառեցման գործընթացում առաջացնում է էպիտաքսիալ շերտի և հիմքի միջև ջերմային լարման կուտակում: Վալտերեյտը և Բրենդը իրենց հետազոտության արդյունքների հիման վրա կանխատեսել են, որ այս խնդիրը կարող է մեղմվել կամ լուծվել՝ GaN էպիտաքսիալ շերտերը բարակ, կոհերենտ լարված AlN միջուկագոյացման շերտերի վրա աճեցնելով։

✔ Ga ատոմների վատ թրջվելու խնդիրը։ Երբ GaN էպիտաքսիալ շերտերը ուղղակիորեն SiC մակերեսին են աճեցվում, երկու ատոմների միջև վատ թրջվելու պատճառով GaN-ը հակված է եռաչափ կղզյակների աճի հիմքի մակերեսին։ Բուֆերային շերտի ներդրումը GaN էպիտաքսիալ նյութերի որակը բարելավելու ամենատարածված լուծումն է։ AlN կամ AlxGa1-xN բուֆերային շերտի ներդրումը կարող է արդյունավետորեն բարելավել SiC մակերեսի թրջվելու ունակությունը և GaN էպիտաքսիալ շերտը երկչափ աճեցնել։ Բացի այդ, այն կարող է նաև կարգավորել լարվածությունը և կանխել հիմքի արատների տարածումը GaN էպիտաքսիալ շերտի վրա։

✔ SiC հիմքերի պատրաստման տեխնոլոգիան անհասուն է, հիմքի արժեքը բարձր է, մատակարարները քիչ են, իսկ մատակարարումը՝ քիչ։

Տոռեսի և այլոց հետազոտությունը ցույց է տալիս, որ SiC հիմքը H2-ով բարձր ջերմաստիճանում (1600°C) փորագրելը էպիտաքսիայից առաջ կարող է հիմքի մակերեսին առաջացնել ավելի կարգավորված աստիճանական կառուցվածք, այդպիսով ստանալով ավելի բարձր որակի AlN էպիտաքսիալ թաղանթ, քան այն դեպքում, երբ այն անմիջապես աճեցվում է սկզբնական հիմքի մակերեսին: Շիեի և նրա թիմի հետազոտությունը նաև ցույց է տալիս, որ սիլիցիումի կարբիդային հիմքի փորագրային նախնական մշակումը կարող է զգալիորեն բարելավել GaN էպիտաքսիալ շերտի մակերեսային ձևաբանությունը և բյուրեղային որակը: Սմիթը և այլք պարզել են, որ հիմք/բուֆերային շերտ և բուֆերային շերտ/էպիտաքսիալ շերտ միջերեսներից առաջացող թելային տեղաշարժերը կապված են հիմքի հարթության հետ [5]:

Նկար 4. GaN էպիտաքսիալ շերտի նմուշների TEM ձևաբանությունը, որոնք աճեցվել են 6H-SiC հիմքի (0001) վրա՝ տարբեր մակերևութային մշակման պայմաններում (ա) քիմիական մաքրում; (բ) քիմիական մաքրում + ջրածնային պլազմային մշակում; (գ) քիմիական մաքրում + ջրածնային պլազմային մշակում + 1300℃ ջրածնային ջերմային մշակում 30 րոպեի ընթացքում:

GaN էպիտաքսիա Si-ի վրա

Սիլիցիումի կարբիդի, շափյուղայի և այլ հիմքերի համեմատ, սիլիցիումի հիմքի պատրաստման գործընթացը հասուն է, և այն կարող է կայուն կերպով ապահովել հասուն մեծ չափի հիմքեր՝ բարձր ծախսային կատարողականությամբ։ Միևնույն ժամանակ, ջերմահաղորդականությունը և էլեկտրահաղորդականությունը լավն են, և Si էլեկտրոնային սարքերի ստեղծման գործընթացը հասուն է։ Ապագայում օպտոէլեկտրոնային GaN սարքերը Si էլեկտրոնային սարքերի հետ կատարյալ ինտեգրման հնարավորությունը նույնպես շատ գրավիչ է դարձնում սիլիցիումի վրա GaN էպիտաքսիայի աճը։

Սակայն, Si հիմքի և GaN նյութի միջև ցանցի հաստատունների մեծ տարբերության պատճառով, Si հիմքի վրա GaN-ի տարասեռ էպիտաքսիան տիպիկ մեծ անհամապատասխանության էպիտաքսիա է, և այն նաև պետք է բախվի մի շարք խնդիրների.

✔ Մակերեսային միջերեսի էներգիայի խնդիր։ Երբ GaN-ը աճում է Si հիմքի վրա, Si հիմքի մակերեսը նախ նիտրիդացվում է՝ առաջացնելով ամորֆ սիլիցիումի նիտրիդային շերտ, որը չի նպաստում բարձր խտության GaN-ի միջուկագոյացմանը և աճին։ Բացի այդ, Si մակերեսը նախ կշփվի Ga-ի հետ, ինչը կքայքայի Si հիմքի մակերեսը։ Բարձր ջերմաստիճաններում Si մակերեսի քայքայումը կտարածվի GaN էպիտաքսիալ շերտի մեջ՝ առաջացնելով սև սիլիցիումային բծեր։

✔ GaN-ի և Si-ի միջև ցանցի հաստատունի անհամապատասխանությունը մեծ է (~17%), ինչը կհանգեցնի բարձր խտության թելային տեղաշարժերի առաջացմանը և զգալիորեն կնվազեցնի էպիտաքսիալ շերտի որակը։

✔ Si-ի համեմատ, GaN-ն ունի ավելի մեծ ջերմային ընդարձակման գործակից (GaN-ի ջերմային ընդարձակման գործակիցը մոտ 5.6×10-6K-1 է, Si-ի ջերմային ընդարձակման գործակիցը՝ մոտ 2.6×10-6K-1), և GaN էպիտաքսիալ շերտում կարող են ճաքեր առաջանալ էպիտաքսիալ ջերմաստիճանը սենյակային ջերմաստիճանի հասցնելու ընթացքում։

✔ Si-ն բարձր ջերմաստիճաններում ռեակցիայի մեջ է մտնում NH3-ի հետ՝ առաջացնելով պոլիկրիստալ SiNx: AlN-ը չի կարող պոլիկրիստալ SiNx-ի վրա առաջացնել նախընտրելիորեն կողմնորոշված ​​միջուկ, ինչը հանգեցնում է հետագայում աճող GaN շերտի անկանոն կողմնորոշման և մեծ թվով արատների, ինչը հանգեցնում է GaN էպիտաքսիալ շերտի բյուրեղի վատ որակի և նույնիսկ միաբյուրեղ GaN էպիտաքսիալ շերտի ձևավորման դժվարության [6]:

Մեծ ցանցային անհամապատասխանության խնդիրը լուծելու համար հետազոտողները փորձել են Si հիմքերի վրա բուֆերային շերտեր ներմուծել այնպիսի նյութեր, ինչպիսիք են AlAs-ը, GaAs-ը, AlN-ը, GaN-ը, ZnO-ն և SiC-ը: Բազմաբյուրեղային SiNx-ի առաջացումից խուսափելու և GaN/AlN/Si (111) նյութերի բյուրեղային որակի վրա դրա բացասական ազդեցությունը նվազեցնելու համար սովորաբար անհրաժեշտ է որոշակի ժամանակահատվածում ներմուծել TMAl՝ AlN բուֆերային շերտի էպիտաքսիալ աճից առաջ՝ կանխելու համար NH3-ի ռեակցիան Si-ի բաց մակերեսի հետ՝ SiNx առաջացնելու համար: Բացի այդ, էպիտաքսիալ տեխնոլոգիաները, ինչպիսիք են նախշավոր հիմքի տեխնոլոգիան, կարող են օգտագործվել էպիտաքսիալ շերտի որակը բարելավելու համար: Այս տեխնոլոգիաների մշակումը նպաստում է SiNx-ի առաջացմանը էպիտաքսիալ միջերեսում, խթանում է GaN էպիտաքսիալ շերտի երկչափ աճը և բարելավում է էպիտաքսիալ շերտի աճի որակը: Բացի այդ, AlN բուֆերային շերտ է ներմուծվում՝ ջերմային ընդարձակման գործակիցների տարբերության պատճառով առաջացած ձգման լարումը փոխհատուցելու համար՝ սիլիցիումային հիմքի վրա GaN էպիտաքսիալ շերտում ճաքերից խուսափելու համար: Քրոստի հետազոտությունը ցույց է տալիս, որ AlN բուֆերային շերտի հաստության և լարվածության նվազման միջև կա դրական կապ։ Երբ բուֆերային շերտի հաստությունը հասնում է 12 նմ-ի, սիլիցիումային հիմքի վրա կարելի է աճեցնել 6 մկմ-ից հաստ էպիտաքսիալ շերտ՝ համապատասխան աճի սխեմայի միջոցով՝ առանց էպիտաքսիալ շերտի ճաքերի։

Հետազոտողների երկարատև ջանքերից հետո, սիլիցիումային հիմքերի վրա աճեցված GaN էպիտաքսիալ շերտերի որակը զգալիորեն բարելավվել է, և այնպիսի սարքեր, ինչպիսիք են դաշտային էֆեկտի տրանզիստորները, Շոտկիի արգելապատնեշային ուլտրամանուշակագույն դետեկտորները, կապտականաչավուն լուսադիոդները և ուլտրամանուշակագույն լազերները, զգալի առաջընթաց են գրանցել։

Ամփոփելով՝ քանի որ լայնորեն օգտագործվող GaN էպիտաքսիալ հիմքերը բոլորը տարասեռ էպիտաքսիալ են, դրանք բոլորը բախվում են ընդհանուր խնդիրների, ինչպիսիք են ցանցի անհամապատասխանությունը և ջերմային ընդարձակման գործակիցների մեծ տարբերությունները՝ տարբեր աստիճաններով: Միատարր էպիտաքսիալ GaN հիմքերը սահմանափակված են տեխնոլոգիայի հասունությամբ, և հիմքերը դեռևս զանգվածաբար չեն արտադրվել: Արտադրության արժեքը բարձր է, հիմքի չափը՝ փոքր, և հիմքի որակը իդեալական չէ: Նոր GaN էպիտաքսիալ հիմքերի մշակումը և էպիտաքսիալ որակի բարելավումը դեռևս կարևոր գործոններից են, որոնք սահմանափակում են GaN էպիտաքսիալ արդյունաբերության հետագա զարգացումը:

IV. GaN էպիտաքսիայի տարածված մեթոդներ

Քիմիական գոլորշիների նստեցում (MOCVD)

Թվում է, թե GaN հիմքերի վրա համասեռ էպիտաքսիան GaN էպիտաքսիայի համար լավագույն ընտրությունն է: Այնուամենայնիվ, քանի որ քիմիական գոլորշու նստեցման նախորդող նյութերն են տրիմեթիլգալիումը և ամոնիակը, իսկ կրող գազը՝ ջրածինը, MOCVD-ի բնորոշ աճի ջերմաստիճանը մոտ 1000-1100℃ է, իսկ MOCVD-ի աճի տեմպը՝ մոտ մի քանի միկրոն ժամում: Այն կարող է առաջացնել զառիթափ միջերեսներ ատոմային մակարդակում, ինչը շատ հարմար է հետերոհանգույցների, քվանտային հորերի, գերցանցերի և այլ կառուցվածքների աճեցման համար: Դրա արագ աճի տեմպը, լավ միատարրությունը և մեծ մակերեսով և բազմամաս աճեցման համար պիտանիությունը հաճախ օգտագործվում են արդյունաբերական արտադրության մեջ:
MBE (մոլեկուլային ճառագայթային էպիտաքսիա)
Մոլեկուլային ճառագայթային էպիտաքսիայում Ga-ն օգտագործում է տարրական աղբյուր, և ակտիվ ազոտը ստացվում է ազոտից՝ RF պլազմայի միջոցով: MOCVD մեթոդի համեմատ, MBE աճի ջերմաստիճանը մոտ 350-400℃-ով ցածր է: Աճի ցածր ջերմաստիճանը կարող է կանխել որոշակի աղտոտում, որը կարող է առաջանալ բարձր ջերմաստիճանային միջավայրերից: MBE համակարգը գործում է գերբարձր վակուումի պայմաններում, ինչը թույլ է տալիս ինտեգրել ավելի շատ տեղում հայտնաբերման մեթոդներ: Միևնույն ժամանակ, դրա աճի տեմպը և արտադրողականությունը չեն կարող համեմատվել MOCVD-ի հետ, և այն ավելի շատ օգտագործվում է գիտական ​​հետազոտություններում [7]:

Նկար 5 (ա) Eiko-MBE սխեմատիկ (բ) MBE հիմնական ռեակցիայի պալատի սխեմատիկ

HVPE մեթոդ (հիդրիդային գոլորշու փուլի էպիտաքսիա)

Հիդրիդային գոլորշու փուլի էպիտաքսիալ մեթոդի նախորդներն են GaCl3-ը և NH3-ը: Դեչպրոմը և այլք օգտագործել են այս մեթոդը՝ շափյուղայի հիմքի մակերեսին հարյուրավոր միկրոն հաստությամբ GaN էպիտաքսիալ շերտ աճեցնելու համար: Նրանց փորձի ընթացքում շափյուղայի հիմքի և էպիտաքսիալ շերտի միջև որպես բուֆերային շերտ աճեցվել է ZnO շերտ, և էպիտաքսիալ շերտը պոկվել է հիմքի մակերեսից: MOCVD-ի և MBE-ի համեմատ, HVPE մեթոդի հիմնական առանձնահատկությունը դրա բարձր աճի տեմպն է, որը հարմար է հաստ շերտերի և ծավալուն նյութերի արտադրության համար: Այնուամենայնիվ, երբ էպիտաքսիալ շերտի հաստությունը գերազանցում է 20 մկմ-ը, այս մեթոդով ստացված էպիտաքսիալ շերտը հակված է ճաքերի:
Ակիրա USUI-ն ներկայացրեց այս մեթոդի վրա հիմնված նախշավոր ենթաշերտի տեխնոլոգիան: Նրանք սկզբում աճեցրին բարակ 1-1.5 մկմ հաստությամբ GaN էպիտաքսիալ շերտ շափյուղայի ենթաշերտի վրա՝ օգտագործելով MOCVD մեթոդը: Էպիտաքսիալ շերտը բաղկացած էր 20 նմ հաստությամբ GaN բուֆերային շերտից, որը աճեցվել էր ցածր ջերմաստիճանի պայմաններում և GaN շերտից, որը աճեցվել էր բարձր ջերմաստիճանի պայմաններում: Այնուհետև, 430℃ ջերմաստիճանում, էպիտաքսիալ շերտի մակերեսին պատվեց SiO2 շերտ, և SiO2 թաղանթի վրա լուսավիղագրական եղանակով ստեղծվեցին պատուհանային շերտեր: Շերտերի միջև հեռավորությունը 7 մկմ էր, իսկ դիմակի լայնությունը՝ 1 մկմ-ից մինչև 4 մկմ: Այս բարելավումից հետո նրանք ստացան GaN էպիտաքսիալ շերտ 2 դյույմ տրամագծով շափյուղայի ենթաշերտի վրա, որը ճաքերից զերծ էր և հարթ՝ ինչպես հայելին, նույնիսկ երբ հաստությունը մեծանում էր մինչև տասնյակ կամ նույնիսկ հարյուրավոր միկրոններ: Արատների խտությունը նվազեց ավանդական HVPE մեթոդի 109-1010 սմ-2-ից մինչև մոտ 6×107 սմ-2: Նրանք նաև փորձի ընթացքում նշեցին, որ երբ աճի տեմպը գերազանցում է 75 մկմ/ժ-ը, նմուշի մակերեսը դառնում է կոպիտ[8]:

Նկար 6՝ Հիմքի գրաֆիկական սխեմա

V. Ամփոփում և հեռանկար

GaN նյութերը սկսեցին ի հայտ գալ 2014 թվականին, երբ կապույտ լույսի LED-ը այդ տարի արժանացավ ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակի և մտավ սպառողական էլեկտրոնիկայի ոլորտում արագ լիցքավորման կիրառությունների հանրության ոլորտ: Փաստորեն, 5G բազային կայաններում օգտագործվող հզորության ուժեղացուցիչների և ռադիոհաճախականության սարքերի կիրառությունները, որոնք մարդկանց մեծ մասը չի տեսնում, նույնպես աննկատելիորեն ի հայտ են եկել: Վերջին տարիներին GaN-ի վրա հիմնված ավտոմոբիլային կարգի հզորության սարքերի առաջընթացը, ինչպես սպասվում է, կբացի նոր աճի կետեր GaN նյութերի կիրառման շուկայի համար:
Շուկայի հսկայական պահանջարկը, անկասկած, կնպաստի GaN-ի հետ կապված արդյունաբերության և տեխնոլոգիաների զարգացմանը: GaN-ի հետ կապված արդյունաբերական շղթայի հասունացման և կատարելագործման հետ մեկտեղ, ներկայիս GaN էպիտաքսիալ տեխնոլոգիայի առջև ծառացած խնդիրները, ի վերջո, կբարելավվեն կամ կհաղթահարվեն: Ապագայում մարդիկ, անկասկած, կմշակեն ավելի շատ նոր էպիտաքսիալ տեխնոլոգիաներ և ավելի գերազանց հիմքերի տարբերակներ: Այդ ժամանակ մարդիկ կկարողանան ընտրել ամենահարմար արտաքին հետազոտական ​​տեխնոլոգիան և հիմքը տարբեր կիրառման սցենարների համար՝ համաձայն կիրառման սցենարների բնութագրերի, և արտադրել ամենամրցունակ անհատականացված արտադրանք: