მესამე თაობის ნახევარგამტარული GaN და მასთან დაკავშირებული ეპიტაქსიური ტექნოლოგიის მოკლე შესავალი

1. მესამე თაობის ნახევარგამტარები

პირველი თაობის ნახევარგამტარული ტექნოლოგია შემუშავდა ნახევარგამტარული მასალების, როგორიცაა Si და Ge, საფუძველზე. ის წარმოადგენს ტრანზისტორებისა და ინტეგრირებული სქემების ტექნოლოგიის განვითარების მატერიალურ საფუძველს. პირველი თაობის ნახევარგამტარულმა მასალებმა საფუძველი ჩაუყარა ელექტრონულ ინდუსტრიას XX საუკუნეში და წარმოადგენს ინტეგრირებული სქემების ტექნოლოგიის ძირითად მასალებს.

მეორე თაობის ნახევარგამტარული მასალები ძირითადად მოიცავს გალიუმის არსენიდს, ინდიუმის ფოსფიდს, გალიუმის ფოსფიდს, ინდიუმის არსენიდს, ალუმინის არსენიდს და მათ სამნაერთებს. მეორე თაობის ნახევარგამტარული მასალები ოპტოელექტრონული საინფორმაციო ინდუსტრიის საფუძველს წარმოადგენს. ამის საფუძველზე განვითარდა მასთან დაკავშირებული დარგები, როგორიცაა განათება, დისპლეი, ლაზერული და ფოტოელექტრული ენერგია. ისინი ფართოდ გამოიყენება თანამედროვე საინფორმაციო ტექნოლოგიებისა და ოპტოელექტრონული დისპლეის ინდუსტრიებში.

მესამე თაობის ნახევარგამტარული მასალების წარმომადგენლობითი მასალებია გალიუმის ნიტრიდი და სილიციუმის კარბიდი. ფართო ზოლური უფსკრულის, ელექტრონების გაჯერების მაღალი დრიფტის სიჩქარის, მაღალი თბოგამტარობისა და დაშლის ველის მაღალი სიძლიერის გამო, ისინი იდეალური მასალებია მაღალი სიმძლავრის სიმკვრივის, მაღალი სიხშირის და დაბალი დანაკარგის ელექტრონული მოწყობილობების დასამზადებლად. მათ შორის, სილიციუმის კარბიდის ენერგომოწყობილობებს აქვთ მაღალი ენერგიის სიმკვრივის, დაბალი ენერგიის მოხმარებისა და მცირე ზომის უპირატესობები და აქვთ ფართო გამოყენების პერსპექტივები ახალი ენერგიის სატრანსპორტო საშუალებებში, ფოტოელექტრულ ენერგიაში, რკინიგზის ტრანსპორტში, დიდ მონაცემებსა და სხვა სფეროებში. გალიუმის ნიტრიდის რადიოსიხშირულ მოწყობილობებს აქვთ მაღალი სიხშირის, მაღალი სიმძლავრის, ფართო გამტარობის, დაბალი ენერგიის მოხმარებისა და მცირე ზომის უპირატესობები და აქვთ ფართო გამოყენების პერსპექტივები 5G კომუნიკაციებში, ნივთების ინტერნეტში, სამხედრო რადარსა და სხვა სფეროებში. გარდა ამისა, გალიუმის ნიტრიდზე დაფუძნებული ენერგომოწყობილობები ფართოდ გამოიყენება დაბალი ძაბვის სფეროში. გარდა ამისა, ბოლო წლებში, ახალი გალიუმის ოქსიდის მასალები, სავარაუდოდ, შექმნის ტექნიკურ ავსებას არსებულ SiC და GaN ტექნოლოგიებთან და ექნება პოტენციური გამოყენების პერსპექტივები დაბალი სიხშირის და მაღალი ძაბვის სფეროებში.

მეორე თაობის ნახევარგამტარულ მასალებთან შედარებით, მესამე თაობის ნახევარგამტარულ მასალებს უფრო ფართო ზოლური სიგანე აქვთ (პირველი თაობის ნახევარგამტარული მასალის ტიპიური მასალის, Si-ის ზოლური სიგანე დაახლოებით 1.1 eV-ია, მეორე თაობის ნახევარგამტარული მასალის ტიპიური მასალის, GaAs-ის ზოლური სიგანე დაახლოებით 1.42 eV-ია, ხოლო მესამე თაობის ნახევარგამტარული მასალის ტიპიური მასალის, GaN-ის ზოლური სიგანე 2.3 eV-ზე მეტია), უფრო ძლიერი რადიაციული წინააღმდეგობა, ელექტრული ველის დაშლისადმი უფრო ძლიერი წინააღმდეგობა და უფრო მაღალი ტემპერატურის წინააღმდეგობა. მესამე თაობის ნახევარგამტარული მასალები უფრო ფართო ზოლური სისქით განსაკუთრებით შესაფერისია რადიაციისადმი მდგრადი, მაღალი სიხშირის, მაღალი სიმძლავრის და მაღალი ინტეგრაციის სიმკვრივის ელექტრონული მოწყობილობების წარმოებისთვის. მათმა გამოყენებამ მიკროტალღურ რადიოსიხშირულ მოწყობილობებში, LED-ებში, ლაზერებში, ენერგეტიკულ მოწყობილობებსა და სხვა სფეროებში დიდი ყურადღება მიიპყრო და მათ ფართო განვითარების პერსპექტივები აჩვენეს მობილურ კომუნიკაციებში, ჭკვიან ქსელებში, რკინიგზის ტრანზიტში, ახალი ენერგეტიკული სატრანსპორტო საშუალებებში, სამომხმარებლო ელექტრონიკაში და ულტრაიისფერი და ლურჯ-მწვანე სინათლის მოწყობილობებში [1].

სურათის წყარო: CASA, ჟეშანგის ფასიანი ქაღალდების კვლევითი ინსტიტუტი

სურათი 1 GaN სიმძლავრის მოწყობილობის დროის მასშტაბი და პროგნოზი

II GaN მასალის სტრუქტურა და მახასიათებლები

GaN არის პირდაპირი ზოლური უფსკრულის ნახევარგამტარი. ოთახის ტემპერატურაზე ვურციტის სტრუქტურის ზოლური უფსკრულის სიგანე დაახლოებით 3.26 eV-ია. GaN მასალებს აქვთ სამი ძირითადი კრისტალური სტრუქტურა, კერძოდ, ვურციტის სტრუქტურა, სფალერიტის სტრუქტურა და ქვის მარილის სტრუქტურა. მათ შორის, ვურციტის სტრუქტურა ყველაზე სტაბილური კრისტალური სტრუქტურაა. სურათი 2 არის GaN-ის ექვსკუთხა ვურციტის სტრუქტურის დიაგრამა. GaN მასალის ვურციტის სტრუქტურა მიეკუთვნება ექვსკუთხა მჭიდროდ შეკრულ სტრუქტურას. თითოეულ ერთეულ უჯრედს აქვს 12 ატომი, მათ შორის 6 N ატომი და 6 Ga ატომი. თითოეული Ga (N) ატომი ქმნის ბმას 4 უახლოეს N (Ga) ატომთან და დალაგებულია ABABAB…-ის თანმიმდევრობით [0001] მიმართულებით [2].

სურათი 2. ვიურციტის სტრუქტურის GaN კრისტალური უჯრედის დიაგრამა

III GaN ეპიტაქსიისთვის ხშირად გამოყენებული სუბსტრატები

როგორც ჩანს, GaN სუბსტრატებზე ერთგვაროვანი ეპიტაქსია GaN ეპიტაქსიისთვის საუკეთესო არჩევანია. თუმცა, GaN-ის მაღალი ბმის ენერგიის გამო, როდესაც ტემპერატურა 2500℃ დნობის წერტილს აღწევს, მისი შესაბამისი დაშლის წნევა დაახლოებით 4.5GPa-ა. როდესაც დაშლის წნევა ამ წნევაზე დაბალია, GaN არ დნება, არამედ პირდაპირ იშლება. ეს ხდის მწიფე სუბსტრატის მომზადების ტექნოლოგიებს, როგორიცაა ჩოხრალსკის მეთოდი, შეუფერებელს GaN მონოკრისტალური სუბსტრატების მოსამზადებლად, რაც GaN სუბსტრატების მასობრივ წარმოებას ართულებს და ძვირადღირებულს ხდის. ამიტომ, GaN ეპიტაქსიურ ზრდაში ხშირად გამოყენებული სუბსტრატები ძირითადად Si, SiC, საფირონი და ა.შ. არის [3].

დიაგრამა 3 GaN და ხშირად გამოყენებული სუბსტრატის მასალების პარამეტრები

GaN ეპიტაქსია საფირონზე

საფირონს აქვს სტაბილური ქიმიური თვისებები, იაფია და ფართომასშტაბიანი წარმოების მაღალი სიმწიფე აქვს. ამიტომ, ის ნახევარგამტარული მოწყობილობების ინჟინერიაში ერთ-ერთი უძველესი და ყველაზე ფართოდ გამოყენებული სუბსტრატის მასალა გახდა. როგორც GaN ეპიტაქსიის ერთ-ერთი ხშირად გამოყენებული სუბსტრატი, საფირონის სუბსტრატებისთვის გადასაჭრელი ძირითადი პრობლემებია:

✔ საფირონს (Al2O3) და GaN-ს შორის ბადის დიდი შეუსაბამობის გამო (დაახლოებით 15%), ეპიტაქსიურ ფენასა და სუბსტრატს შორის ინტერფეისზე დეფექტის სიმკვრივე ძალიან მაღალია. მისი უარყოფითი ეფექტების შესამცირებლად, ეპიტაქსიური პროცესის დაწყებამდე სუბსტრატი უნდა დაექვემდებაროს კომპლექსურ წინასწარ დამუშავებას. საფირონის სუბსტრატებზე GaN ეპიტაქსიის გაზრდამდე, სუბსტრატის ზედაპირი ჯერ მკაცრად უნდა გაიწმინდოს დამაბინძურებლების, ნარჩენი გაპრიალების დაზიანების და ა.შ. მოსაშორებლად და საფეხურებისა და საფეხურების ზედაპირის სტრუქტურების მისაღებად. შემდეგ, სუბსტრატის ზედაპირი ნიტრიდირებულია ეპიტაქსიური ფენის დასველების თვისებების შესაცვლელად. დაბოლოს, სუბსტრატის ზედაპირზე უნდა დაიტანოს თხელი AlN ბუფერული ფენა (ჩვეულებრივ 10-100 ნმ სისქის) და დაბალ ტემპერატურაზე გახურდეს საბოლოო ეპიტაქსიური ზრდისთვის მოსამზადებლად. მიუხედავად ამისა, საფირონის სუბსტრატებზე გაზრდილი GaN ეპიტაქსიური ფირებში დისლოკაციის სიმკვრივე მაინც უფრო მაღალია, ვიდრე ჰომეოეპიტაქსიური ფირებისა (დაახლოებით 1010 სმ-2, სილიციუმის ჰომეოეპიტაქსიურ ფირებში ან გალიუმის არსენიდის ჰომეოეპიტაქსიურ ფირებში არსებითად ნულოვან დისლოკაციის სიმკვრივესთან შედარებით, ან 102-დან 104 სმ-2-მდე). დეფექტის უფრო მაღალი სიმკვრივე ამცირებს მატარებლების მობილურობას, რითაც ამცირებს უმცირესობის მატარებლების სიცოცხლის ხანგრძლივობას და თბოგამტარობას, რაც ამცირებს მოწყობილობის მუშაობას [4];

✔ საფირონის თერმული გაფართოების კოეფიციენტი GaN-ზე მეტია, ამიტომ დეპონირების ტემპერატურიდან ოთახის ტემპერატურამდე გაგრილების პროცესში ეპიტაქსიურ ფენაში წარმოიქმნება ორღერძიანი შეკუმშვის სტრესი. უფრო სქელი ეპიტაქსიური ფირების შემთხვევაში, ამ სტრესმა შეიძლება გამოიწვიოს ფირის ან თუნდაც სუბსტრატის ბზარები;

✔ სხვა სუბსტრატებთან შედარებით, საფირონის სუბსტრატების თბოგამტარობა უფრო დაბალია (დაახლოებით 0.25W*cm-1*K-1 100℃-ზე) და სითბოს გაფრქვევის მახასიათებლებიც დაბალია;

✔ ცუდი გამტარობის გამო, საფირონის სუბსტრატები არ არის ხელსაყრელი მათი ინტეგრაციისა და სხვა ნახევარგამტარულ მოწყობილობებთან გამოყენებისთვის.

მიუხედავად იმისა, რომ საფირონის სუბსტრატებზე გაზრდილი GaN ეპიტაქსიური ფენების დეფექტების სიმკვრივე მაღალია, როგორც ჩანს, ეს მნიშვნელოვნად არ ამცირებს GaN-ზე დაფუძნებული ლურჯ-მწვანე LED-ების ოპტოელექტრონულ მუშაობას, ამიტომ საფირონის სუბსტრატები კვლავ ხშირად გამოიყენება GaN-ზე დაფუძნებული LED-ებისთვის.

GaN მოწყობილობების, როგორიცაა ლაზერები ან სხვა მაღალი სიმკვრივის სიმძლავრის მოწყობილობები, უფრო და უფრო ახალი გამოყენების განვითარებასთან ერთად, საფირონის სუბსტრატების თანდაყოლილი დეფექტები სულ უფრო მეტად ზღუდავს მათ გამოყენებას. გარდა ამისა, SiC სუბსტრატის ზრდის ტექნოლოგიის განვითარებასთან, ხარჯების შემცირებასთან და Si სუბსტრატებზე GaN ეპიტაქსიური ტექნოლოგიის სიმწიფესთან ერთად, საფირონის სუბსტრატებზე GaN ეპიტაქსიური ფენების გაზრდის შესახებ ჩატარებულმა კვლევებმა თანდათანობით აჩვენა გაგრილების ტენდენცია.

GaN ეპიტაქსია SiC-ზე

საფირონთან შედარებით, SiC სუბსტრატებს (4H- და 6H-კრისტალებს) აქვთ GaN ეპიტაქსიურ ფენებთან შედარებით უფრო მცირე შეუსაბამობა (3.1%, რაც ექვივალენტურია [0001] ორიენტირებულ ეპიტაქსიურ ფირებთან), უფრო მაღალი თბოგამტარობა (დაახლოებით 3.8W*cm-1*K-1) და ა.შ. გარდა ამისა, SiC სუბსტრატების გამტარობა ასევე საშუალებას იძლევა ელექტრული კონტაქტები დამყარდეს სუბსტრატის უკანა მხარეს, რაც ხელს უწყობს მოწყობილობის სტრუქტურის გამარტივებას. ამ უპირატესობების არსებობამ სულ უფრო მეტი მკვლევარი მიიზიდა სილიციუმის კარბიდის სუბსტრატებზე GaN ეპიტაქსიაზე სამუშაოდ.

თუმცა, GaN ეპიშრეების ზრდის თავიდან ასაცილებლად პირდაპირ SiC სუბსტრატებზე მუშაობას ასევე აქვს მთელი რიგი ნაკლოვანებები, მათ შორის შემდეგი:

✔ SiC სუბსტრატების ზედაპირის უხეშობა გაცილებით მაღალია, ვიდრე საფირონის სუბსტრატების (საფირონის უხეშობა 0.1 ნმ RMS, SiC-ის უხეშობა 1 ნმ RMS), SiC სუბსტრატებს აქვთ მაღალი სიმტკიცე და ცუდი დამუშავების მახასიათებლები, და ეს უხეშობა და ნარჩენი გაპრიალების დაზიანება ასევე GaN ეპიშრეების დეფექტების ერთ-ერთი წყაროა.

✔ SiC სუბსტრატების ხრახნიანი დისლოკაციის სიმკვრივე მაღალია (დისლოკაციის სიმკვრივე 103-104 სმ-2), ხრახნიანი დისლოკაციები შეიძლება გავრცელდეს GaN ეპიშრეზე და შეამციროს მოწყობილობის მუშაობა;

✔ სუბსტრატის ზედაპირზე ატომური განლაგება იწვევს GaN ეპიშრეში დაწყობის ხარვეზების (BSF) წარმოქმნას. SiC სუბსტრატებზე ეპიტაქსიური GaN-ისთვის, სუბსტრატზე არსებობს ატომური განლაგების მრავალი შესაძლო რიგი, რაც იწვევს მასზე ეპიტაქსიური GaN ფენის ატომური დაწყობის არათანმიმდევრულ საწყის თანმიმდევრობას, რაც მიდრეკილია დაწყობის ხარვეზებისკენ. დაწყობის ხარვეზები (SF) c-ღერძის გასწვრივ წარმოქმნის ჩაშენებულ ელექტრულ ველებს, რაც იწვევს ისეთ პრობლემებს, როგორიცაა სიბრტყეში არსებული მატარებლების გამყოფი მოწყობილობების გაჟონვა;

✔ SiC სუბსტრატის თერმული გაფართოების კოეფიციენტი უფრო მცირეა, ვიდრე AlN-ისა და GaN-ისა, რაც იწვევს თერმული დაძაბულობის დაგროვებას ეპიტაქსიურ ფენასა და სუბსტრატს შორის გაგრილების პროცესის დროს. ვალტერეიტმა და ბრენდმა თავიანთი კვლევის შედეგებზე დაყრდნობით იწინასწარმეტყველეს, რომ ამ პრობლემის შემსუბუქება ან გადაჭრა შესაძლებელია GaN ეპიტაქსიური ფენების თხელ, კოჰერენტულად დაძაბულ AlN ბირთვის წარმოქმნის ფენებზე გაზრდით;

✔ Ga ატომების ცუდი დასველების პრობლემა. GaN ეპიტაქსიური ფენების SiC ზედაპირზე უშუალოდ გაზრდისას, ორ ატომს შორის ცუდი დასველების გამო, GaN მიდრეკილია სუბსტრატის ზედაპირზე 3D კუნძულის ზრდისკენ. ბუფერული ფენის შემოღება GaN ეპიტაქსიური მასალების ხარისხის გასაუმჯობესებლად ყველაზე ხშირად გამოყენებული გადაწყვეტაა. AlN ან AlxGa1-xN ბუფერული ფენის შემოღებას შეუძლია ეფექტურად გააუმჯობესოს SiC ზედაპირის დასველების უნარი და გაზარდოს GaN ეპიტაქსიური ფენა ორ განზომილებაში. გარდა ამისა, მას ასევე შეუძლია დაარეგულიროს სტრესი და თავიდან აიცილოს სუბსტრატის დეფექტების GaN ეპიტაქსიაზე გავრცელება;

✔ SiC სუბსტრატების მომზადების ტექნოლოგია არ არის სრულყოფილი, სუბსტრატის ღირებულება მაღალია, მომწოდებლები და მარაგი კი მცირეა.

ტორესის და სხვების კვლევა აჩვენებს, რომ ეპიტაქსიამდე SiC სუბსტრატის H2-ით მაღალ ტემპერატურაზე (1600°C) გრავირებამ შეიძლება გამოიწვიოს უფრო მოწესრიგებული საფეხუროვანი სტრუქტურა სუბსტრატის ზედაპირზე, რითაც მიიღება უფრო მაღალი ხარისხის AlN ეპიტაქსიური ფენა, ვიდრე მაშინ, როდესაც ის პირდაპირ იზრდება სუბსტრატის თავდაპირველ ზედაპირზე. სიეს და მისი გუნდის კვლევა ასევე აჩვენებს, რომ სილიციუმის კარბიდის სუბსტრატის გრავირების წინასწარი დამუშავება მნიშვნელოვნად აუმჯობესებს GaN ეპიტაქსიური ფენის ზედაპირის მორფოლოგიას და კრისტალურ ხარისხს. სმიტმა და სხვებმა აღმოაჩინეს, რომ სუბსტრატის/ბუფერული ფენის და ბუფერული ფენის/ეპიტაქსიური ფენის ინტერფეისებიდან წარმოშობილი ხრახნიანი დისლოკაციები დაკავშირებულია სუბსტრატის სიბრტყესთან [5].

სურათი 4. 6H-SiC სუბსტრატზე (0001) გაზრდილი GaN ეპიტაქსიური ფენის ნიმუშების TEM მორფოლოგია სხვადასხვა ზედაპირული დამუშავების პირობებში (ა) ქიმიური გაწმენდა; (ბ) ქიმიური გაწმენდა + წყალბადის პლაზმური დამუშავება; (გ) ქიმიური გაწმენდა + წყალბადის პლაზმური დამუშავება + 1300℃ წყალბადის თერმული დამუშავება 30 წუთის განმავლობაში.

GaN ეპიტაქსია Si-ზე

სილიციუმის კარბიდთან, საფირონთან და სხვა სუბსტრატებთან შედარებით, სილიციუმის სუბსტრატის მომზადების პროცესი განვითარებულია და მას შეუძლია სტაბილურად უზრუნველყოს განვითარებული დიდი ზომის სუბსტრატები მაღალი ფასით. ამავდროულად, თბოგამტარობა და ელექტროგამტარობა კარგია და Si ელექტრონული მოწყობილობის პროცესი განვითარებულია. მომავალში ოპტოელექტრონული GaN მოწყობილობების Si ელექტრონულ მოწყობილობებთან სრულყოფილი ინტეგრაციის შესაძლებლობა ასევე ძალიან მიმზიდველს ხდის სილიციუმზე GaN ეპიტაქსიის განვითარებას.

თუმცა, Si სუბსტრატსა და GaN მასალას შორის ბადის მუდმივების დიდი სხვაობის გამო, GaN-ის ჰეტეროგენული ეპიტაქსია Si სუბსტრატზე ტიპური დიდი შეუსაბამობის ეპიტაქსიაა და მას ასევე მთელი რიგი პრობლემების წინაშე დგება:

✔ ზედაპირის ინტერფეისის ენერგიის პრობლემა. როდესაც GaN იზრდება Si სუბსტრატზე, Si სუბსტრატის ზედაპირი თავდაპირველად ნიტრიდდება ამორფული სილიციუმის ნიტრიდის ფენის წარმოსაქმნელად, რაც ხელს არ უწყობს მაღალი სიმკვრივის GaN-ის ბირთვის წარმოქმნას და ზრდას. გარდა ამისა, Si ზედაპირი თავდაპირველად დაუკავშირდება Ga-ს, რაც გამოიწვევს Si სუბსტრატის ზედაპირის კოროზიას. მაღალ ტემპერატურაზე, Si ზედაპირის დაშლა დიფუზირდება GaN ეპიტაქსიურ ფენაში და წარმოქმნის შავ სილიციუმის ლაქებს.

✔ GaN-სა და Si-ს შორის ბადის მუდმივას შეუსაბამობა დიდია (~17%), რაც გამოიწვევს მაღალი სიმკვრივის ძაფიანი დისლოკაციების წარმოქმნას და მნიშვნელოვნად შეამცირებს ეპიტაქსიური ფენის ხარისხს;

✔ Si-თან შედარებით, GaN-ს უფრო მაღალი თერმული გაფართოების კოეფიციენტი აქვს (GaN-ის თერმული გაფართოების კოეფიციენტი დაახლოებით 5.6×10-6K-1-ია, Si-ის თერმული გაფართოების კოეფიციენტი დაახლოებით 2.6×10-6K-1), და ეპიტაქსიალური ტემპერატურის ოთახის ტემპერატურამდე გაგრილების დროს GaN ეპიტაქსიურ ფენაში შეიძლება წარმოიქმნას ბზარები;

✔ Si მაღალ ტემპერატურაზე რეაგირებს NH3-თან პოლიკრისტალური SiNx-ის წარმოქმნით. AlN-ს არ შეუძლია პოლიკრისტალურ SiNx-ზე უპირატესად ორიენტირებული ბირთვის წარმოქმნა, რაც იწვევს შემდგომში გაზრდილი GaN ფენის არეულ ორიენტაციას და დეფექტების დიდ რაოდენობას, რაც იწვევს GaN ეპიტაქსიური ფენის კრისტალების დაბალ ხარისხს და ერთკრისტალური GaN ეპიტაქსიური ფენის ფორმირების სირთულესაც კი [6].

დიდი ბადისებრი შეუსაბამობის პრობლემის გადასაჭრელად, მკვლევარებმა სცადეს ისეთი მასალების შეტანა, როგორიცაა AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO და SiC, Si სუბსტრატებზე ბუფერული ფენების სახით. პოლიკრისტალური SiNx-ის წარმოქმნის თავიდან ასაცილებლად და GaN/AlN/Si (111) მასალების კრისტალურ ხარისხზე მისი უარყოფითი ზემოქმედების შესამცირებლად, TMAl-ის შეყვანა, როგორც წესი, გარკვეული პერიოდის განმავლობაში საჭიროა AlN ბუფერული ფენის ეპიტაქსიურ ზრდამდე, რათა თავიდან იქნას აცილებული NH3-ის რეაქცია Si ზედაპირთან SiNx-ის წარმოქმნის მიზნით. გარდა ამისა, ეპიტაქსიური ტექნოლოგიების, როგორიცაა ნიმუშიანი სუბსტრატის ტექნოლოგია, გამოყენება შესაძლებელია ეპიტაქსიური ფენის ხარისხის გასაუმჯობესებლად. ამ ტექნოლოგიების შემუშავება ხელს უწყობს SiNx-ის წარმოქმნის შეფერხებას ეპიტაქსიურ ინტერფეისზე, ხელს უწყობს GaN ეპიტაქსიური ფენის ორგანზომილებიან ზრდას და აუმჯობესებს ეპიტაქსიური ფენის ზრდის ხარისხს. გარდა ამისა, AlN ბუფერული ფენა შეჰყავთ თერმული გაფართოების კოეფიციენტების სხვაობით გამოწვეული დაჭიმვის სტრესის კომპენსაციისთვის, რათა თავიდან იქნას აცილებული ბზარები GaN ეპიტაქსიურ ფენაში სილიციუმის სუბსტრატზე. კროსტის კვლევა აჩვენებს, რომ AlN ბუფერული ფენის სისქესა და დეფორმაციის შემცირებას შორის დადებითი კორელაციაა. როდესაც ბუფერული ფენის სისქე 12 ნმ-ს აღწევს, სილიციუმის სუბსტრატზე შესაძლებელია 6 მკმ-ზე სქელი ეპიტაქსიური ფენის გაზრდა შესაბამისი ზრდის სქემის მეშვეობით, ეპიტაქსიური ფენის ბზარების წარმოქმნის გარეშე.

მკვლევარების ხანგრძლივი ძალისხმევის შემდეგ, სილიკონის სუბსტრატებზე გაზრდილი GaN ეპიტაქსიური ფენების ხარისხი მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდა და მნიშვნელოვან პროგრესს მიაღწიეს ისეთმა მოწყობილობებმა, როგორიცაა ველის ეფექტის ტრანზისტორები, შოტკის ბარიერული ულტრაიისფერი დეტექტორები, ლურჯ-მწვანე LED-ები და ულტრაიისფერი ლაზერები.

შეჯამებისთვის, რადგან ხშირად გამოყენებული GaN ეპიტაქსიური სუბსტრატები ყველა ჰეტეროგენული ეპიტაქსიურია, ისინი ყველა საერთო პრობლემებს აწყდებიან, როგორიცაა ბადის შეუსაბამობა და თერმული გაფართოების კოეფიციენტებში დიდი განსხვავებები სხვადასხვა ხარისხით. ჰომოგენური ეპიტაქსიური GaN სუბსტრატები შეზღუდულია ტექნოლოგიის სიმწიფით და სუბსტრატები ჯერ არ არის მასობრივად წარმოებული. წარმოების ღირებულება მაღალია, სუბსტრატის ზომა მცირეა და სუბსტრატის ხარისხი არ არის იდეალური. ახალი GaN ეპიტაქსიური სუბსტრატების შემუშავება და ეპიტაქსიური ხარისხის გაუმჯობესება კვლავ ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი ფაქტორია, რომელიც ზღუდავს GaN ეპიტაქსიური ინდუსტრიის შემდგომ განვითარებას.

IV. GaN ეპიტაქსიის გავრცელებული მეთოდები

ქიმიური ორთქლის დეპონირება (MOCVD)

როგორც ჩანს, GaN სუბსტრატებზე ერთგვაროვანი ეპიტაქსია GaN ეპიტაქსიისთვის საუკეთესო არჩევანია. თუმცა, რადგან ქიმიური ორთქლის დეპონირების წინამორბედებია ტრიმეთილგალიუმი და ამიაკი, ხოლო მატარებელი აირი წყალბადია, MOCVD-ის ტიპიური ზრდის ტემპერატურა დაახლოებით 1000-1100℃-ია, ხოლო MOCVD-ის ზრდის ტემპი საათში დაახლოებით რამდენიმე მიკრონია. მას შეუძლია ატომურ დონეზე ციცაბო ინტერფეისების წარმოქმნა, რაც ძალიან შესაფერისია ჰეტეროშეერთებების, კვანტური ჭების, სუპერბადეების და სხვა სტრუქტურების გასაზრდელად. მისი სწრაფი ზრდის ტემპი, კარგი ერთგვაროვნება და დიდი ფართობის და მრავალნაწილიანი ზრდისთვის ვარგისიანობა ხშირად გამოიყენება სამრეწველო წარმოებაში.
MBE (მოლეკულური სხივური ეპიტაქსია)
მოლეკულური სხივური ეპიტაქსიის დროს, Ga იყენებს ელემენტურ წყაროს და აქტიური აზოტი მიიღება აზოტიდან RF პლაზმის მეშვეობით. MOCVD მეთოდთან შედარებით, MBE-ს ზრდის ტემპერატურა დაახლოებით 350-400℃-ით დაბალია. დაბალი ზრდის ტემპერატურა თავიდან აგვაცილებს გარკვეულ დაბინძურებას, რომელიც შეიძლება გამოწვეული იყოს მაღალი ტემპერატურის გარემოთი. MBE სისტემა მუშაობს ულტრამაღალი ვაკუუმის პირობებში, რაც საშუალებას აძლევს მას ინტეგრირება მოახდინოს ადგილზე აღმოჩენის მეტი მეთოდით. ​​ამავდროულად, მისი ზრდის ტემპი და წარმოების მოცულობა არ შეიძლება შედარდეს MOCVD-სთან და ის უფრო ხშირად გამოიყენება სამეცნიერო კვლევაში [7].

სურათი 5 (ა) Eiko-MBE სქემა (ბ) MBE მთავარი რეაქციის კამერის სქემა

HVPE მეთოდი (ჰიდრიდის ორთქლის ფაზის ეპიტაქსია)

ჰიდრიდის ორთქლის ფაზის ეპიტაქსიის მეთოდის წინამორბედებია GaCl3 და NH3. დეჩპრომმა და სხვებმა ეს მეთოდი გამოიყენეს საფირონის სუბსტრატის ზედაპირზე ასობით მიკრონის სისქის GaN ეპიტაქსიალური ფენის გასაზრდელად. მათ ექსპერიმენტში, საფირონის სუბსტრატსა და ეპიტაქსიალურ ფენას შორის ბუფერული ფენის სახით გაიზარდა ZnO-ს ფენა და ეპიტაქსიალური ფენა მოაშორეს სუბსტრატის ზედაპირიდან. MOCVD-სა და MBE-სთან შედარებით, HVPE მეთოდის მთავარი მახასიათებელია მისი მაღალი ზრდის ტემპი, რაც შესაფერისია სქელი ფენების და მოცულობითი მასალების წარმოებისთვის. თუმცა, როდესაც ეპიტაქსიალური ფენის სისქე 20 მკმ-ს აღემატება, ამ მეთოდით წარმოებული ეპიტაქსიალური ფენა მიდრეკილია ბზარებისკენ.
აკირა USUI-მ ამ მეთოდზე დაფუძნებული ნიმუშიანი სუბსტრატის ტექნოლოგია შემოიღო. თავდაპირველად, MOCVD მეთოდის გამოყენებით, მათ საფირონის სუბსტრატზე გაზარდეს თხელი, 1-1.5 მკმ სისქის GaN ეპიტაქსიალური ფენა. ეპიტაქსიალური ფენა შედგებოდა დაბალი ტემპერატურის პირობებში გაზრდილი 20 ნმ სისქის GaN ბუფერული ფენისგან და მაღალი ტემპერატურის პირობებში გაზრდილი GaN ფენისგან. შემდეგ, 430℃ ტემპერატურაზე, ეპიტაქსიალური ფენის ზედაპირზე დაიფარა SiO2-ის ფენა და ფოტოლიტოგრაფიით SiO2 ფირზე ფანჯრის ზოლები გაკეთდა. ზოლებს შორის მანძილი იყო 7 მკმ, ხოლო ნიღბის სიგანე მერყეობდა 1 მკმ-დან 4 მკმ-მდე. ამ გაუმჯობესების შემდეგ, მათ მიიღეს GaN ეპიტაქსიალური ფენა 2 დიუმიანი დიამეტრის საფირონის სუბსტრატზე, რომელიც ბზარების გარეშე და სარკესავით გლუვი იყო, მაშინაც კი, როდესაც სისქე ათეულობით ან თუნდაც ასობით მიკრონამდე იზრდებოდა. დეფექტის სიმკვრივე შემცირდა ტრადიციული HVPE მეთოდის 109-1010 სმ-2-დან დაახლოებით 6×107 სმ-2-მდე. ექსპერიმენტში მათ ასევე აღნიშნეს, რომ როდესაც ზრდის ტემპი 75μm/s-ს გადააჭარბებდა, ნიმუშის ზედაპირი უხეში გახდებოდა[8].

სურათი 6. სუბსტრატის გრაფიკული სქემა

V. შეჯამება და მიმოხილვა

GaN მასალების გაჩენა 2014 წელს დაიწყო, როდესაც ლურჯი შუქის LED-მა იმავე წელს ფიზიკის დარგში ნობელის პრემია მოიპოვა და სამომხმარებლო ელექტრონიკის სფეროში სწრაფი დატენვის აპლიკაციების საზოგადოებისთვის განკუთვნილ სფეროში შევიდა. სინამდვილეში, 5G საბაზო სადგურებში გამოყენებული სიმძლავრის გამაძლიერებლებისა და რადიოსიხშირული მოწყობილობების გამოყენება, რომელთა დანახვაც ადამიანების უმეტესობას არ შეუძლია, ასევე ჩუმად გაჩნდა. ბოლო წლებში, GaN-ზე დაფუძნებული საავტომობილო დონის ენერგომოწყობილობების გარღვევა, სავარაუდოდ, GaN მასალების გამოყენების ბაზარზე ზრდის ახალ წერტილებს გახსნის.
უზარმაზარი საბაზრო მოთხოვნა აუცილებლად ხელს შეუწყობს GaN-თან დაკავშირებული ინდუსტრიებისა და ტექნოლოგიების განვითარებას. GaN-თან დაკავშირებული სამრეწველო ჯაჭვის სიმწიფესა და გაუმჯობესებასთან ერთად, GaN ეპიტაქსიური ტექნოლოგიის ამჟამინდელი პრობლემები საბოლოოდ გაუმჯობესდება ან გადაილახება. მომავალში, ადამიანები აუცილებლად შეიმუშავებენ მეტ ახალ ეპიტაქსიურ ტექნოლოგიებს და უფრო შესანიშნავ სუბსტრატის ვარიანტებს. მაშინ ადამიანები შეძლებენ აირჩიონ ყველაზე შესაფერისი გარე კვლევის ტექნოლოგია და სუბსტრატი სხვადასხვა გამოყენების სცენარისთვის, გამოყენების სცენარების მახასიათებლების მიხედვით, და აწარმოონ ყველაზე კონკურენტუნარიანი, მორგებული პროდუქტები.