മൂന്നാം തലമുറ സെമികണ്ടക്ടർ GaN ഉം അനുബന്ധ എപ്പിറ്റാക്സിയൽ സാങ്കേതികവിദ്യയും - ഒരു ഹ്രസ്വ ആമുഖം

1. മൂന്നാം തലമുറ അർദ്ധചാലകങ്ങൾ

Si, Ge തുടങ്ങിയ സെമികണ്ടക്ടർ വസ്തുക്കളെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയാണ് ഒന്നാം തലമുറ സെമികണ്ടക്ടർ സാങ്കേതികവിദ്യ വികസിപ്പിച്ചെടുത്തത്. ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളുടെയും ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ട് സാങ്കേതികവിദ്യയുടെയും വികസനത്തിനുള്ള മെറ്റീരിയൽ അടിസ്ഥാനമാണിത്. ഇരുപതാം നൂറ്റാണ്ടിൽ ഇലക്ട്രോണിക് വ്യവസായത്തിന് അടിത്തറ പാകിയത് ഒന്നാം തലമുറ സെമികണ്ടക്ടർ വസ്തുക്കളാണ്, ഇന്റഗ്രേറ്റഡ് സർക്യൂട്ട് സാങ്കേതികവിദ്യയ്ക്കുള്ള അടിസ്ഥാന വസ്തുക്കളാണ്.

രണ്ടാം തലമുറ അർദ്ധചാലക വസ്തുക്കളിൽ പ്രധാനമായും ഗാലിയം ആർസെനൈഡ്, ഇൻഡിയം ഫോസ്ഫൈഡ്, ഗാലിയം ഫോസ്ഫൈഡ്, ഇൻഡിയം ആർസെനൈഡ്, അലുമിനിയം ആർസെനൈഡ് എന്നിവയും അവയുടെ ത്രിമാന സംയുക്തങ്ങളും ഉൾപ്പെടുന്നു. രണ്ടാം തലമുറ അർദ്ധചാലക വസ്തുക്കളാണ് ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് ഇൻഫർമേഷൻ വ്യവസായത്തിന്റെ അടിത്തറ. ഈ അടിസ്ഥാനത്തിൽ, ലൈറ്റിംഗ്, ഡിസ്‌പ്ലേ, ലേസർ, ഫോട്ടോവോൾട്ടെയ്‌ക്‌സ് തുടങ്ങിയ അനുബന്ധ വ്യവസായങ്ങൾ വികസിപ്പിച്ചെടുത്തിട്ടുണ്ട്. സമകാലിക വിവര സാങ്കേതിക വിദ്യയിലും ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് ഡിസ്‌പ്ലേ വ്യവസായങ്ങളിലും അവ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു.

മൂന്നാം തലമുറ സെമികണ്ടക്ടർ വസ്തുക്കളുടെ പ്രതിനിധി വസ്തുക്കളിൽ ഗാലിയം നൈട്രൈഡും സിലിക്കൺ കാർബൈഡും ഉൾപ്പെടുന്നു. അവയുടെ വിശാലമായ ബാൻഡ് വിടവ്, ഉയർന്ന ഇലക്ട്രോൺ സാച്ചുറേഷൻ ഡ്രിഫ്റ്റ് പ്രവേഗം, ഉയർന്ന താപ ചാലകത, ഉയർന്ന ബ്രേക്ക്ഡൗൺ ഫീൽഡ് ശക്തി എന്നിവ കാരണം, ഉയർന്ന പവർ ഡെൻസിറ്റി, ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി, കുറഞ്ഞ ലോസ് ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങൾ തയ്യാറാക്കുന്നതിന് അവ അനുയോജ്യമായ വസ്തുക്കളാണ്. അവയിൽ, സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് പവർ ഉപകരണങ്ങൾക്ക് ഉയർന്ന ഊർജ്ജ സാന്ദ്രത, കുറഞ്ഞ ഊർജ്ജ ഉപഭോഗം, ചെറിയ വലിപ്പം എന്നിവയുടെ ഗുണങ്ങളുണ്ട്, കൂടാതെ പുതിയ ഊർജ്ജ വാഹനങ്ങൾ, ഫോട്ടോവോൾട്ടെയ്‌ക്‌സ്, റെയിൽ ഗതാഗതം, വലിയ ഡാറ്റ, മറ്റ് മേഖലകൾ എന്നിവയിൽ വിശാലമായ ആപ്ലിക്കേഷൻ സാധ്യതകളുണ്ട്. ഗാലിയം നൈട്രൈഡ് RF ഉപകരണങ്ങൾക്ക് ഉയർന്ന ഫ്രീക്വൻസി, ഉയർന്ന പവർ, വൈഡ് ബാൻഡ്‌വിഡ്ത്ത്, കുറഞ്ഞ വൈദ്യുതി ഉപഭോഗം, ചെറിയ വലിപ്പം എന്നിവയുടെ ഗുണങ്ങളുണ്ട്, കൂടാതെ 5G ആശയവിനിമയങ്ങൾ, ഇന്റർനെറ്റ് ഓഫ് തിംഗ്‌സ്, മിലിട്ടറി റഡാർ, മറ്റ് മേഖലകൾ എന്നിവയിൽ വിശാലമായ ആപ്ലിക്കേഷൻ സാധ്യതകളുണ്ട്. കൂടാതെ, ഗാലിയം നൈട്രൈഡ് അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള പവർ ഉപകരണങ്ങൾ ലോ-വോൾട്ടേജ് ഫീൽഡിൽ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിച്ചുവരുന്നു. കൂടാതെ, സമീപ വർഷങ്ങളിൽ, ഉയർന്നുവരുന്ന ഗാലിയം ഓക്സൈഡ് വസ്തുക്കൾ നിലവിലുള്ള SiC, GaN സാങ്കേതികവിദ്യകളുമായി സാങ്കേതിക പൂരകത്വം സൃഷ്ടിക്കുമെന്നും, ലോ-ഫ്രീക്വൻസി, ഹൈ-വോൾട്ടേജ് ഫീൽഡുകളിൽ സാധ്യതയുള്ള ആപ്ലിക്കേഷൻ സാധ്യതകൾ ഉണ്ടാകുമെന്നും പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു.

രണ്ടാം തലമുറ സെമികണ്ടക്ടർ മെറ്റീരിയലുകളുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, മൂന്നാം തലമുറ സെമികണ്ടക്ടർ മെറ്റീരിയലുകൾക്ക് കൂടുതൽ വിശാലമായ ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് വീതിയുണ്ട് (ഒന്നാം തലമുറ സെമികണ്ടക്ടർ മെറ്റീരിയലിന്റെ ഒരു സാധാരണ മെറ്റീരിയലായ Si യുടെ ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് വീതി ഏകദേശം 1.1eV ആണ്, രണ്ടാം തലമുറ സെമികണ്ടക്ടർ മെറ്റീരിയലിന്റെ ഒരു സാധാരണ മെറ്റീരിയലായ GaA കളുടെ ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് വീതി ഏകദേശം 1.42eV ആണ്, മൂന്നാം തലമുറ സെമികണ്ടക്ടർ മെറ്റീരിയലിന്റെ ഒരു സാധാരണ മെറ്റീരിയലായ GaN ന്റെ ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് വീതി 2.3eV ന് മുകളിലാണ്), ശക്തമായ റേഡിയേഷൻ പ്രതിരോധം, വൈദ്യുത മണ്ഡല തകർച്ചയ്ക്കുള്ള ശക്തമായ പ്രതിരോധം, ഉയർന്ന താപനില പ്രതിരോധം. വിശാലമായ ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് വീതിയുള്ള മൂന്നാം തലമുറ സെമികണ്ടക്ടർ മെറ്റീരിയലുകൾ റേഡിയേഷൻ-പ്രതിരോധശേഷിയുള്ള, ഉയർന്ന-ആവൃത്തി, ഉയർന്ന-ശക്തി, ഉയർന്ന-സംയോജന-സാന്ദ്രത ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങളുടെ ഉത്പാദനത്തിന് പ്രത്യേകിച്ചും അനുയോജ്യമാണ്. മൈക്രോവേവ് റേഡിയോ ഫ്രീക്വൻസി ഉപകരണങ്ങൾ, LED-കൾ, ലേസറുകൾ, പവർ ഉപകരണങ്ങൾ, മറ്റ് മേഖലകൾ എന്നിവയിലെ അവയുടെ പ്രയോഗങ്ങൾ വളരെയധികം ശ്രദ്ധ ആകർഷിച്ചു, കൂടാതെ മൊബൈൽ ആശയവിനിമയങ്ങൾ, സ്മാർട്ട് ഗ്രിഡുകൾ, റെയിൽ ഗതാഗതം, പുതിയ ഊർജ്ജ വാഹനങ്ങൾ, ഉപഭോക്തൃ ഇലക്ട്രോണിക്സ്, അൾട്രാവയലറ്റ്, നീല-പച്ച ലൈറ്റ് ഉപകരണങ്ങൾ എന്നിവയിൽ വിശാലമായ വികസന സാധ്യതകൾ അവ കാണിച്ചിട്ടുണ്ട് [1].

ചിത്ര ഉറവിടം: CASA, ഷെഷാങ് സെക്യൂരിറ്റീസ് റിസർച്ച് ഇൻസ്റ്റിറ്റ്യൂട്ട്

ചിത്രം 1 GaN പവർ ഉപകരണ സമയ സ്കെയിലും പ്രവചനവും

II GaN മെറ്റീരിയൽ ഘടനയും സവിശേഷതകളും

GaN ഒരു നേരിട്ടുള്ള ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് സെമികണ്ടക്ടറാണ്. മുറിയിലെ താപനിലയിൽ വർട്ട്‌സൈറ്റ് ഘടനയുടെ ബാൻഡ്‌ഗ്യാപ്പ് വീതി ഏകദേശം 3.26eV ആണ്. GaN വസ്തുക്കൾക്ക് മൂന്ന് പ്രധാന ക്രിസ്റ്റൽ ഘടനകളുണ്ട്, അതായത് വർട്ട്‌സൈറ്റ് ഘടന, സ്ഫാലറൈറ്റ് ഘടന, പാറ ഉപ്പ് ഘടന. അവയിൽ, വർട്ട്‌സൈറ്റ് ഘടനയാണ് ഏറ്റവും സ്ഥിരതയുള്ള ക്രിസ്റ്റൽ ഘടന. ചിത്രം 2 GaN ന്റെ ഷഡ്ഭുജാകൃതിയിലുള്ള വർട്ട്‌സൈറ്റ് ഘടനയുടെ ഒരു ഡയഗ്രമാണ്. GaN മെറ്റീരിയലിന്റെ വർട്ട്‌സൈറ്റ് ഘടന ഒരു ഷഡ്ഭുജാകൃതിയിലുള്ള ക്ലോസ്-പാക്ക്ഡ് ഘടനയിൽ പെടുന്നു. ഓരോ യൂണിറ്റ് സെല്ലിലും 6 N ആറ്റങ്ങളും 6 Ga ആറ്റങ്ങളും ഉൾപ്പെടെ 12 ആറ്റങ്ങളുണ്ട്. ഓരോ Ga (N) ആറ്റവും ഏറ്റവും അടുത്തുള്ള 4 N (Ga) ആറ്റങ്ങളുമായി ഒരു ബോണ്ട് ഉണ്ടാക്കുന്നു, കൂടാതെ ABABAB യുടെ ക്രമത്തിൽ… [0001] ദിശയിൽ [2] അടുക്കി വച്ചിരിക്കുന്നു.

ചിത്രം 2 വൂർട്സൈറ്റ് ഘടന GaN ക്രിസ്റ്റൽ സെൽ ഡയഗ്രം

III GaN എപ്പിറ്റാക്സിക്ക് സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ

GaN സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിലെ ഏകതാനമായ എപ്പിറ്റാക്‌സിയാണ് GaN എപ്പിറ്റാക്‌സിക്ക് ഏറ്റവും നല്ല തിരഞ്ഞെടുപ്പെന്ന് തോന്നുന്നു. എന്നിരുന്നാലും, GaN-ന്റെ വലിയ ബോണ്ട് എനർജി കാരണം, താപനില 2500℃ എന്ന ദ്രവണാങ്കത്തിൽ എത്തുമ്പോൾ, അതിന്റെ അനുബന്ധ വിഘടന മർദ്ദം ഏകദേശം 4.5GPa ആണ്. വിഘടന മർദ്ദം ഈ മർദ്ദത്തേക്കാൾ കുറവായിരിക്കുമ്പോൾ, GaN ഉരുകുന്നില്ല, മറിച്ച് നേരിട്ട് വിഘടിക്കുന്നു. ഇത് സോക്രാൽസ്കി രീതി പോലുള്ള പക്വമായ അടിവസ്ത്ര തയ്യാറെടുപ്പ് സാങ്കേതികവിദ്യകളെ GaN സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റൽ അടിവസ്ത്രങ്ങൾ തയ്യാറാക്കുന്നതിന് അനുയോജ്യമല്ലാതാക്കുന്നു, ഇത് GaN അടിവസ്ത്രങ്ങളെ വൻതോതിൽ ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കാൻ പ്രയാസകരവും ചെലവേറിയതുമാക്കുന്നു. അതിനാൽ, GaN എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ വളർച്ചയിൽ സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന അടിവസ്ത്രങ്ങൾ പ്രധാനമായും Si, SiC, സഫയർ മുതലായവയാണ് [3].

ചാർട്ട് 3 GaN ഉം സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് മെറ്റീരിയലുകളുടെ പാരാമീറ്ററുകളും

നീലക്കല്ലിൽ GaN എപ്പിറ്റാക്സി

നീലക്കല്ലിന് സ്ഥിരതയുള്ള രാസ ഗുണങ്ങളുണ്ട്, വിലകുറഞ്ഞതാണ്, വലിയ തോതിലുള്ള ഉൽ‌പാദന വ്യവസായത്തിന്റെ ഉയർന്ന പക്വതയുമുണ്ട്. അതിനാൽ, സെമികണ്ടക്ടർ ഉപകരണ എഞ്ചിനീയറിംഗിലെ ആദ്യകാലവും വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നതുമായ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് മെറ്റീരിയലുകളിൽ ഒന്നായി ഇത് മാറിയിരിക്കുന്നു. GaN എപ്പിറ്റാക്സിക്ക് സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിൽ ഒന്നായതിനാൽ, നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങൾക്ക് പരിഹരിക്കേണ്ട പ്രധാന പ്രശ്നങ്ങൾ ഇവയാണ്:

✔ നീലക്കല്ലിന്റെയും (Al2O3) GaN-ന്റെയും (ഏകദേശം 15%) ലാറ്റിസ് പൊരുത്തക്കേട് കാരണം, എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളിക്കും അടിവസ്ത്രത്തിനും ഇടയിലുള്ള ഇന്റർഫേസിലെ വൈകല്യ സാന്ദ്രത വളരെ ഉയർന്നതാണ്. അതിന്റെ പ്രതികൂല ഫലങ്ങൾ കുറയ്ക്കുന്നതിന്, എപ്പിറ്റാക്സി പ്രക്രിയ ആരംഭിക്കുന്നതിന് മുമ്പ് അടിവസ്ത്രത്തെ സങ്കീർണ്ണമായ പ്രീട്രീറ്റ്മെന്റിന് വിധേയമാക്കണം. നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങളിൽ GaN എപ്പിറ്റാക്സി വളർത്തുന്നതിനുമുമ്പ്, മാലിന്യങ്ങൾ, അവശിഷ്ടമായ പോളിഷിംഗ് കേടുപാടുകൾ മുതലായവ നീക്കം ചെയ്യുന്നതിനും സ്റ്റെപ്പുകളും സ്റ്റെപ്പ് ഉപരിതല ഘടനകളും നിർമ്മിക്കുന്നതിനും ആദ്യം അടിവസ്ത്ര ഉപരിതലം കർശനമായി വൃത്തിയാക്കണം. തുടർന്ന്, എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളിയുടെ നനവ് ഗുണങ്ങൾ മാറ്റുന്നതിന് അടിവസ്ത്ര ഉപരിതലം നൈട്രൈഡ് ചെയ്യുന്നു. അവസാനമായി, ഒരു നേർത്ത AlN ബഫർ പാളി (സാധാരണയായി 10-100nm കനം) അടിവസ്ത്ര ഉപരിതലത്തിൽ നിക്ഷേപിക്കുകയും അന്തിമ എപ്പിറ്റാക്സിയൽ വളർച്ചയ്ക്ക് തയ്യാറെടുക്കുന്നതിന് കുറഞ്ഞ താപനിലയിൽ അനീൽ ചെയ്യുകയും വേണം. എന്നിരുന്നാലും, നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങളിൽ വളർത്തുന്ന GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ ഫിലിമുകളിലെ ഡിസ്ലോക്കേഷൻ സാന്ദ്രത ഇപ്പോഴും ഹോമോപിറ്റാക്സിയൽ ഫിലിമുകളേക്കാൾ കൂടുതലാണ് (ഏകദേശം 1010cm-2, സിലിക്കൺ ഹോമോപിറ്റാക്സിയൽ ഫിലിമുകളിലോ ഗാലിയം ആർസെനൈഡ് ഹോമോപിറ്റാക്സിയൽ ഫിലിമുകളിലോ അടിസ്ഥാനപരമായി പൂജ്യം ഡിസ്ലോക്കേഷൻ സാന്ദ്രതയുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, അല്ലെങ്കിൽ 102 നും 104cm-2 നും ഇടയിൽ). ഉയർന്ന വൈകല്യ സാന്ദ്രത കാരിയർ മൊബിലിറ്റി കുറയ്ക്കുന്നു, അതുവഴി ന്യൂനപക്ഷ കാരിയർ ആയുസ്സ് കുറയ്ക്കുകയും താപ ചാലകത കുറയ്ക്കുകയും ചെയ്യുന്നു, ഇതെല്ലാം ഉപകരണ പ്രകടനം കുറയ്ക്കും [4];

✔ നീലക്കല്ലിന്റെ താപ വികാസ ഗുണകം GaN നേക്കാൾ കൂടുതലാണ്, അതിനാൽ നിക്ഷേപ താപനിലയിൽ നിന്ന് മുറിയിലെ താപനിലയിലേക്ക് തണുപ്പിക്കുന്ന പ്രക്രിയയിൽ എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളിയിൽ ബയാക്സിയൽ കംപ്രസ്സീവ് സ്ട്രെസ് സൃഷ്ടിക്കപ്പെടും. കട്ടിയുള്ള എപ്പിറ്റാക്സിയൽ ഫിലിമുകൾക്ക്, ഈ സമ്മർദ്ദം ഫിലിമിന്റെയോ അടിവസ്ത്രത്തിന്റെയോ വിള്ളലിന് കാരണമായേക്കാം;

✔ മറ്റ് അടിവസ്ത്രങ്ങളുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങളുടെ താപ ചാലകത കുറവാണ് (100℃-ൽ ഏകദേശം 0.25W*cm-1*K-1), കൂടാതെ താപ വിസർജ്ജന പ്രകടനം മോശമാണ്;

✔ കുറഞ്ഞ ചാലകത കാരണം, നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങൾ മറ്റ് അർദ്ധചാലക ഉപകരണങ്ങളുമായി സംയോജിപ്പിക്കുന്നതിനും പ്രയോഗിക്കുന്നതിനും അനുയോജ്യമല്ല.

നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങളിൽ വളർത്തുന്ന GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളികളുടെ വൈകല്യ സാന്ദ്രത ഉയർന്നതാണെങ്കിലും, GaN-അധിഷ്ഠിത നീല-പച്ച LED-കളുടെ ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് പ്രകടനത്തെ ഇത് കാര്യമായി കുറയ്ക്കുന്നതായി തോന്നുന്നില്ല, അതിനാൽ GaN-അധിഷ്ഠിത LED-കൾക്ക് നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങൾ ഇപ്പോഴും സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന അടിവസ്ത്രങ്ങളാണ്.

ലേസർ അല്ലെങ്കിൽ മറ്റ് ഉയർന്ന സാന്ദ്രതയുള്ള പവർ ഉപകരണങ്ങൾ പോലുള്ള GaN ഉപകരണങ്ങളുടെ കൂടുതൽ പുതിയ ആപ്ലിക്കേഷനുകൾ വികസിപ്പിച്ചതോടെ, നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങളുടെ അന്തർലീനമായ വൈകല്യങ്ങൾ അവയുടെ പ്രയോഗത്തിൽ ഒരു പരിമിതിയായി മാറിയിരിക്കുന്നു. കൂടാതെ, SiC അടിവസ്ത്ര വളർച്ചാ സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ വികസനം, ചെലവ് കുറയ്ക്കൽ, Si അടിവസ്ത്രങ്ങളിൽ GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ പക്വത എന്നിവയോടെ, നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രങ്ങളിൽ വളരുന്ന GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളികളെക്കുറിച്ചുള്ള കൂടുതൽ ഗവേഷണങ്ങൾ ക്രമേണ ഒരു തണുപ്പിക്കൽ പ്രവണത കാണിക്കുന്നു.

SiC-യിലെ GaN എപ്പിറ്റാക്സി

നീലക്കല്ലിനെ അപേക്ഷിച്ച്, SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾക്ക് (4H- ഉം 6H-ഉം ക്രിസ്റ്റലുകൾ) GaN എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ പാളികളുമായി (3.1%, [0001] ഓറിയന്റഡ് എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ ഫിലിമുകൾക്ക് തുല്യം), ഉയർന്ന താപ ചാലകത (ഏകദേശം 3.8W*cm-1*K-1) എന്നിവയുമായി ചെറിയ ലാറ്റിസ് പൊരുത്തക്കേട് ഉണ്ട്. കൂടാതെ, SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളുടെ ചാലകത, സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിന്റെ പിൻഭാഗത്ത് വൈദ്യുത കോൺടാക്റ്റുകൾ നിർമ്മിക്കാനും അനുവദിക്കുന്നു, ഇത് ഉപകരണ ഘടന ലളിതമാക്കാൻ സഹായിക്കുന്നു. ഈ ഗുണങ്ങളുടെ നിലനിൽപ്പ് സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിൽ GaN എപ്പിറ്റാക്‌സിയിൽ പ്രവർത്തിക്കാൻ കൂടുതൽ കൂടുതൽ ഗവേഷകരെ ആകർഷിച്ചു.

എന്നിരുന്നാലും, വളരുന്ന GaN എപ്പിലെയറുകൾ ഒഴിവാക്കാൻ SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിൽ നേരിട്ട് പ്രവർത്തിക്കുമ്പോൾ ഇനിപ്പറയുന്നവ ഉൾപ്പെടെ നിരവധി ദോഷങ്ങൾ നേരിടുന്നു:

✔ SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളുടെ ഉപരിതല പരുക്കൻത സഫയർ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളേക്കാൾ വളരെ കൂടുതലാണ് (സഫയർ റഫ്‌നെസ് 0.1nm RMS, SiC റഫ്‌നെസ് 1nm RMS), SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾക്ക് ഉയർന്ന കാഠിന്യവും മോശം പ്രോസസ്സിംഗ് പ്രകടനവുമുണ്ട്, കൂടാതെ ഈ പരുക്കനും അവശിഷ്ട പോളിഷിംഗ് കേടുപാടുകളും GaN എപ്പിലെയറുകളിലെ വൈകല്യങ്ങളുടെ ഉറവിടങ്ങളിൽ ഒന്നാണ്.

✔ SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളുടെ സ്ക്രൂ ഡിസ്‌ലോക്കേഷൻ സാന്ദ്രത കൂടുതലാണ് (ഡിസ്‌ലോക്കേഷൻ സാന്ദ്രത 103-104cm-2), സ്ക്രൂ ഡിസ്‌ലോക്കേഷനുകൾ GaN എപ്പിലെയറിലേക്ക് വ്യാപിക്കുകയും ഉപകരണ പ്രകടനം കുറയ്ക്കുകയും ചെയ്‌തേക്കാം;

✔ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് ഉപരിതലത്തിലെ ആറ്റോമിക് ക്രമീകരണം GaN എപ്പിലെയറിൽ സ്റ്റാക്കിംഗ് ഫോൾട്ടുകൾ (BSFs) രൂപപ്പെടുന്നതിന് കാരണമാകുന്നു. SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിലെ എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ GaN-ന്, സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിൽ ഒന്നിലധികം സാധ്യതയുള്ള ആറ്റോമിക് അറേഞ്ച്‌മെന്റ് ഓർഡറുകൾ ഉണ്ട്, അതിന്റെ ഫലമായി എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ GaN ലെയറിന്റെ പൊരുത്തമില്ലാത്ത പ്രാരംഭ ആറ്റോമിക് സ്റ്റാക്കിംഗ് ഓർഡറിൽ സ്റ്റാക്കിംഗ് ഫോൾട്ടുകൾ ഉണ്ടാകുന്നു, ഇത് സ്റ്റാക്കിംഗ് ഫോൾട്ടുകൾക്ക് സാധ്യതയുണ്ട്. സ്റ്റാക്കിംഗ് ഫോൾട്ടുകൾ (SFs) സി-ആക്സിസിനൊപ്പം ബിൽറ്റ്-ഇൻ ഇലക്ട്രിക് ഫീൽഡുകൾ അവതരിപ്പിക്കുന്നു, ഇത് ഇൻ-പ്ലെയിൻ കാരിയർ സെപ്പറേഷൻ ഉപകരണങ്ങളുടെ ചോർച്ച പോലുള്ള പ്രശ്‌നങ്ങളിലേക്ക് നയിക്കുന്നു;

✔ SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിന്റെ താപ വികാസ ഗുണകം AlN, GaN എന്നിവയേക്കാൾ ചെറുതാണ്, ഇത് തണുപ്പിക്കൽ പ്രക്രിയയിൽ എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ പാളിക്കും സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിനും ഇടയിൽ താപ സമ്മർദ്ദ ശേഖരണത്തിന് കാരണമാകുന്നു. നേർത്തതും സ്ഥിരതയുള്ളതുമായ AlN ന്യൂക്ലിയേഷൻ പാളികളിൽ GaN എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ പാളികൾ വളർത്തുന്നതിലൂടെ ഈ പ്രശ്‌നം ലഘൂകരിക്കാനോ പരിഹരിക്കാനോ കഴിയുമെന്ന് വാൾട്ടറൈറ്റും ബ്രാൻഡും അവരുടെ ഗവേഷണ ഫലങ്ങളെ അടിസ്ഥാനമാക്കി പ്രവചിച്ചു;

✔ Ga ആറ്റങ്ങളുടെ മോശം നനവ് പ്രശ്നം. SiC പ്രതലത്തിൽ നേരിട്ട് GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളികൾ വളർത്തുമ്പോൾ, രണ്ട് ആറ്റങ്ങൾക്കിടയിലുള്ള മോശം നനവ് കാരണം, GaN അടിവസ്ത്ര പ്രതലത്തിൽ 3D ദ്വീപ് വളർച്ചയ്ക്ക് സാധ്യതയുണ്ട്. GaN എപ്പിറ്റാക്സിയിൽ എപ്പിറ്റാക്സിയൽ വസ്തുക്കളുടെ ഗുണനിലവാരം മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിന് ഏറ്റവും സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന പരിഹാരമാണ് ഒരു ബഫർ പാളി അവതരിപ്പിക്കുന്നത്. ഒരു AlN അല്ലെങ്കിൽ AlxGa1-xN ബഫർ പാളി അവതരിപ്പിക്കുന്നത് SiC പ്രതലത്തിന്റെ നനവ് ഫലപ്രദമായി മെച്ചപ്പെടുത്തുകയും GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളിയെ രണ്ട് മാനങ്ങളിൽ വളരാൻ സഹായിക്കുകയും ചെയ്യും. കൂടാതെ, സമ്മർദ്ദം നിയന്ത്രിക്കാനും അടിവസ്ത്ര വൈകല്യങ്ങൾ GaN എപ്പിറ്റാക്സിയിലേക്ക് വ്യാപിക്കുന്നത് തടയാനും ഇതിന് കഴിയും;

✔ SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളുടെ തയ്യാറാക്കൽ സാങ്കേതികവിദ്യ പക്വതയില്ലാത്തതാണ്, സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിന്റെ വില കൂടുതലാണ്, കൂടാതെ കുറച്ച് വിതരണക്കാരും കുറവാണ്.

ടോറസ് തുടങ്ങിയവരുടെ ഗവേഷണം കാണിക്കുന്നത്, എപ്പിറ്റാക്സിക്ക് മുമ്പ് ഉയർന്ന താപനിലയിൽ (1600°C) H2 ഉപയോഗിച്ച് SiC സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് എച്ചിംഗ് ചെയ്യുന്നത് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് ഉപരിതലത്തിൽ കൂടുതൽ ക്രമീകൃതമായ സ്റ്റെപ്പ് ഘടന സൃഷ്ടിക്കുമെന്നും അതുവഴി യഥാർത്ഥ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് ഉപരിതലത്തിൽ നേരിട്ട് വളർത്തുന്നതിനേക്കാൾ ഉയർന്ന നിലവാരമുള്ള AlN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ ഫിലിം ലഭിക്കുമെന്നും ആണ്. സിലിക്കൺ കാർബൈഡ് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിന്റെ എച്ചിംഗ് പ്രീട്രീറ്റ്‌മെന്റ് GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളിയുടെ ഉപരിതല രൂപഘടനയും ക്രിസ്റ്റൽ ഗുണനിലവാരവും ഗണ്യമായി മെച്ചപ്പെടുത്തുമെന്ന് സീയും സംഘവും നടത്തിയ ഗവേഷണം കാണിക്കുന്നു. സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ്/ബഫർ പാളി, ബഫർ പാളി/എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളി ഇന്റർഫേസുകൾ എന്നിവയിൽ നിന്ന് ഉത്ഭവിക്കുന്ന ത്രെഡിംഗ് ഡിസ്‌ലോക്കേഷനുകൾ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിന്റെ പരന്നതയുമായി ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നുവെന്ന് സ്മിത്ത് തുടങ്ങിയവർ കണ്ടെത്തി [5].

ചിത്രം 4 വ്യത്യസ്ത ഉപരിതല ചികിത്സ സാഹചര്യങ്ങളിൽ 6H-SiC അടിവസ്ത്രത്തിൽ (0001) വളർത്തിയ GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളി സാമ്പിളുകളുടെ TEM രൂപഘടന (എ) കെമിക്കൽ ക്ലീനിംഗ്; (ബി) കെമിക്കൽ ക്ലീനിംഗ് + ഹൈഡ്രജൻ പ്ലാസ്മ ചികിത്സ; (സി) കെമിക്കൽ ക്ലീനിംഗ് + ഹൈഡ്രജൻ പ്ലാസ്മ ചികിത്സ + 1300℃ ഹൈഡ്രജൻ ഹീറ്റ് ട്രീറ്റ്മെന്റ് 30 മിനിറ്റ്

Si-യിലെ GaN എപ്പിറ്റാക്സി

സിലിക്കൺ കാർബൈഡ്, സഫയർ, മറ്റ് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ എന്നിവയുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, സിലിക്കൺ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് തയ്യാറാക്കൽ പ്രക്രിയ പക്വമാണ്, കൂടാതെ ഉയർന്ന വിലയുള്ള പ്രകടനത്തോടെ പക്വമായ വലിയ വലിപ്പത്തിലുള്ള സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ സ്ഥിരമായി നൽകാൻ ഇതിന് കഴിയും. അതേസമയം, താപ ചാലകതയും വൈദ്യുതചാലകതയും നല്ലതാണ്, കൂടാതെ Si ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണ പ്രക്രിയ പക്വവുമാണ്. ഭാവിയിൽ ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് GaN ഉപകരണങ്ങളെ Si ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങളുമായി പൂർണ്ണമായി സംയോജിപ്പിക്കാനുള്ള സാധ്യതയും സിലിക്കണിലെ GaN എപ്പിറ്റാക്സിയുടെ വളർച്ചയെ വളരെ ആകർഷകമാക്കുന്നു.

എന്നിരുന്നാലും, Si സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റും GaN മെറ്റീരിയലും തമ്മിലുള്ള ലാറ്റിസ് സ്ഥിരാങ്കങ്ങളിലെ വലിയ വ്യത്യാസം കാരണം, Si സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിലെ GaN ന്റെ വൈവിധ്യമാർന്ന എപ്പിറ്റാക്സി ഒരു സാധാരണ വലിയ പൊരുത്തക്കേട് എപ്പിറ്റാക്സിയാണ്, കൂടാതെ ഇതിന് നിരവധി പ്രശ്‌നങ്ങളും നേരിടേണ്ടതുണ്ട്:

✔ ഉപരിതല ഇന്റർഫേസ് ഊർജ്ജ പ്രശ്നം. ഒരു Si അടിവസ്ത്രത്തിൽ GaN വളരുമ്പോൾ, Si അടിവസ്ത്രത്തിന്റെ ഉപരിതലം ആദ്യം നൈട്രൈഡ് ചെയ്യപ്പെടുകയും ഉയർന്ന സാന്ദ്രതയുള്ള GaN ന്റെ ന്യൂക്ലിയേഷനും വളർച്ചയ്ക്കും അനുയോജ്യമല്ലാത്ത ഒരു അമോർഫസ് സിലിക്കൺ നൈട്രൈഡ് പാളി രൂപപ്പെടുകയും ചെയ്യും. കൂടാതെ, Si ഉപരിതലം ആദ്യം Ga യുമായി ബന്ധപ്പെടും, ഇത് Si അടിവസ്ത്രത്തിന്റെ ഉപരിതലത്തെ നശിപ്പിക്കും. ഉയർന്ന താപനിലയിൽ, Si ഉപരിതലത്തിന്റെ വിഘടനം GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളിയിലേക്ക് വ്യാപിക്കുകയും കറുത്ത സിലിക്കൺ പാടുകൾ രൂപപ്പെടുകയും ചെയ്യും.

✔ GaN ഉം Si ഉം തമ്മിലുള്ള ലാറ്റിസ് സ്ഥിരമായ പൊരുത്തക്കേട് വലുതാണ് (~17%), ഇത് ഉയർന്ന സാന്ദ്രതയുള്ള ത്രെഡിംഗ് ഡിസ്ലോക്കേഷനുകളുടെ രൂപീകരണത്തിലേക്ക് നയിക്കുകയും എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളിയുടെ ഗുണനിലവാരം ഗണ്യമായി കുറയ്ക്കുകയും ചെയ്യും;

✔ Si യുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, GaN-ന് കൂടുതൽ താപ വികാസ ഗുണകം ഉണ്ട് (GaN-ന്റെ താപ വികാസ ഗുണകം ഏകദേശം 5.6×10-6K-1 ആണ്, Si-യുടെ താപ വികാസ ഗുണകം ഏകദേശം 2.6×10-6K-1 ആണ്), എപ്പിറ്റാക്സിയൽ താപനില മുറിയിലെ താപനിലയിലേക്ക് തണുപ്പിക്കുമ്പോൾ GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളിയിൽ വിള്ളലുകൾ ഉണ്ടാകാം;

✔ ഉയർന്ന താപനിലയിൽ Si NH3 യുമായി പ്രതിപ്രവർത്തിച്ച് പോളിക്രിസ്റ്റലിൻ SiNx ഉണ്ടാക്കുന്നു. പോളിക്രിസ്റ്റലിൻ SiNx-ൽ AlN-ന് ഒരു മുൻഗണനാടിസ്ഥാനത്തിലുള്ള ന്യൂക്ലിയസ് രൂപപ്പെടുത്താൻ കഴിയില്ല, ഇത് പിന്നീട് വളർന്ന GaN പാളിയുടെ ക്രമരഹിതമായ ഓറിയന്റേഷനിലേക്കും ഉയർന്ന എണ്ണം വൈകല്യങ്ങളിലേക്കും നയിക്കുന്നു, ഇത് GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളിയുടെ മോശം ക്രിസ്റ്റൽ ഗുണനിലവാരത്തിനും, ഒരു സിംഗിൾ-ക്രിസ്റ്റലിൻ GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളി രൂപപ്പെടുത്തുന്നതിൽ പോലും ബുദ്ധിമുട്ടുണ്ടാക്കുന്നു [6].

വലിയ ലാറ്റിസ് പൊരുത്തക്കേടിന്റെ പ്രശ്നം പരിഹരിക്കുന്നതിനായി, ഗവേഷകർ Si സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിൽ ബഫർ പാളികളായി AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, SiC തുടങ്ങിയ വസ്തുക്കളെ അവതരിപ്പിക്കാൻ ശ്രമിച്ചിട്ടുണ്ട്. പോളിക്രിസ്റ്റലിൻ SiNx രൂപപ്പെടുന്നത് ഒഴിവാക്കുന്നതിനും GaN/AlN/Si (111) വസ്തുക്കളുടെ ക്രിസ്റ്റൽ ഗുണനിലവാരത്തിൽ അതിന്റെ പ്രതികൂല ഫലങ്ങൾ കുറയ്ക്കുന്നതിനും, NH3 തുറന്ന Si ഉപരിതലവുമായി പ്രതിപ്രവർത്തിച്ച് SiNx രൂപപ്പെടുന്നത് തടയാൻ AlN ബഫർ പാളിയുടെ എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ വളർച്ചയ്ക്ക് മുമ്പ് ഒരു നിശ്ചിത സമയത്തേക്ക് TMAl സാധാരണയായി അവതരിപ്പിക്കേണ്ടതുണ്ട്. കൂടാതെ, എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ പാളിയുടെ ഗുണനിലവാരം മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിന് പാറ്റേൺ ചെയ്‌ത സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് സാങ്കേതികവിദ്യ പോലുള്ള എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ സാങ്കേതികവിദ്യകൾ ഉപയോഗിക്കാം. ഈ സാങ്കേതികവിദ്യകളുടെ വികസനം എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ ഇന്റർഫേസിൽ SiNx രൂപപ്പെടുന്നത് തടയാനും, GaN എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ പാളിയുടെ ദ്വിമാന വളർച്ചയെ പ്രോത്സാഹിപ്പിക്കാനും, എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ പാളിയുടെ വളർച്ചാ നിലവാരം മെച്ചപ്പെടുത്താനും സഹായിക്കുന്നു. കൂടാതെ, സിലിക്കൺ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിലെ GaN എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ പാളിയിലെ വിള്ളലുകൾ ഒഴിവാക്കാൻ താപ വികാസ ഗുണകങ്ങളിലെ വ്യത്യാസം മൂലമുണ്ടാകുന്ന ടെൻസൈൽ സമ്മർദ്ദം നികത്താൻ ഒരു AlN ബഫർ പാളി അവതരിപ്പിക്കുന്നു. AlN ബഫർ പാളിയുടെ കനവും സ്ട്രെയിൻ കുറയ്ക്കലും തമ്മിൽ ഒരു പോസിറ്റീവ് പരസ്പര ബന്ധമുണ്ടെന്ന് ക്രോസ്റ്റിന്റെ ഗവേഷണം കാണിക്കുന്നു. ബഫർ പാളിയുടെ കനം 12nm എത്തുമ്പോൾ, എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ പാളി പൊട്ടാതെ ഉചിതമായ വളർച്ചാ പദ്ധതിയിലൂടെ 6μm-ൽ കൂടുതൽ കട്ടിയുള്ള ഒരു എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ പാളി ഒരു സിലിക്കൺ അടിവസ്ത്രത്തിൽ വളർത്താൻ കഴിയും.

ഗവേഷകരുടെ ദീർഘകാല പരിശ്രമത്തിനുശേഷം, സിലിക്കൺ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളിൽ വളർത്തിയ GaN എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ പാളികളുടെ ഗുണനിലവാരം ഗണ്യമായി മെച്ചപ്പെടുത്തിയിട്ടുണ്ട്, കൂടാതെ ഫീൽഡ് ഇഫക്റ്റ് ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ, ഷോട്ട്കി ബാരിയർ അൾട്രാവയലറ്റ് ഡിറ്റക്ടറുകൾ, നീല-പച്ച LED-കൾ, അൾട്രാവയലറ്റ് ലേസറുകൾ തുടങ്ങിയ ഉപകരണങ്ങൾ ഗണ്യമായ പുരോഗതി കൈവരിച്ചു.

ചുരുക്കത്തിൽ, സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്ന GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളെല്ലാം വൈവിധ്യമാർന്ന എപ്പിറ്റാക്സി ആയതിനാൽ, അവയെല്ലാം ലാറ്റിസ് പൊരുത്തക്കേട്, വ്യത്യസ്ത അളവിലുള്ള താപ വികാസ ഗുണകങ്ങളിലെ വലിയ വ്യത്യാസങ്ങൾ തുടങ്ങിയ സാധാരണ പ്രശ്‌നങ്ങളെ അഭിമുഖീകരിക്കുന്നു. സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ പക്വതയാൽ ഏകതാനമായ എപ്പിറ്റാക്സിയൽ GaN സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ പരിമിതപ്പെടുത്തിയിരിക്കുന്നു, കൂടാതെ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ ഇതുവരെ വൻതോതിൽ ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കപ്പെട്ടിട്ടില്ല. ഉൽപ്പാദനച്ചെലവ് കൂടുതലാണ്, സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് വലുപ്പം ചെറുതാണ്, സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് ഗുണനിലവാരം അനുയോജ്യമല്ല. പുതിയ GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകളുടെ വികസനവും എപ്പിറ്റാക്സിയൽ ഗുണനിലവാരത്തിന്റെ മെച്ചപ്പെടുത്തലും ഇപ്പോഴും GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ വ്യവസായത്തിന്റെ കൂടുതൽ വികസനത്തെ നിയന്ത്രിക്കുന്ന പ്രധാന ഘടകങ്ങളിൽ ഒന്നാണ്.

IV. GaN എപ്പിറ്റാക്സിക്കുള്ള സാധാരണ രീതികൾ

MOCVD (രാസ നീരാവി നിക്ഷേപം)

GaN അടിവസ്ത്രങ്ങളിലെ ഏകതാനമായ എപ്പിറ്റാക്സിയാണ് GaN എപ്പിറ്റാക്സിക്ക് ഏറ്റവും നല്ല തിരഞ്ഞെടുപ്പെന്ന് തോന്നുന്നു. എന്നിരുന്നാലും, രാസ നീരാവി നിക്ഷേപത്തിന്റെ മുൻഗാമികൾ ട്രൈമെഥൈൽഗാലിയവും അമോണിയയും ആയതിനാലും, കാരിയർ വാതകം ഹൈഡ്രജനും ആയതിനാലും, സാധാരണ MOCVD വളർച്ചാ താപനില ഏകദേശം 1000-1100℃ ആണ്, കൂടാതെ MOCVD യുടെ വളർച്ചാ നിരക്ക് മണിക്കൂറിൽ കുറച്ച് മൈക്രോണുകളാണ്. ആറ്റോമിക് തലത്തിൽ കുത്തനെയുള്ള ഇന്റർഫേസുകൾ ഉത്പാദിപ്പിക്കാൻ ഇതിന് കഴിയും, ഇത് വളരുന്ന ഹെറ്ററോജംഗ്ഷനുകൾ, ക്വാണ്ടം കിണറുകൾ, സൂപ്പർലാറ്റിസുകൾ, മറ്റ് ഘടനകൾ എന്നിവയ്ക്ക് വളരെ അനുയോജ്യമാണ്. അതിന്റെ വേഗത്തിലുള്ള വളർച്ചാ നിരക്ക്, നല്ല ഏകീകൃതത, വലിയ-വിസ്തീർണ്ണത്തിനും മൾട്ടി-പീസ് വളർച്ചയ്ക്കും അനുയോജ്യത എന്നിവ പലപ്പോഴും വ്യാവസായിക ഉൽപാദനത്തിൽ ഉപയോഗിക്കുന്നു.
എംബിഇ (മോളിക്യുലാർ ബീം എപ്പിറ്റാക്സി)
മോളിക്യുലാർ ബീം എപ്പിറ്റാക്സിയിൽ, Ga ഒരു മൂലക സ്രോതസ്സ് ഉപയോഗിക്കുന്നു, കൂടാതെ RF പ്ലാസ്മ വഴി നൈട്രജനിൽ നിന്ന് സജീവ നൈട്രജൻ ലഭിക്കുന്നു. MOCVD രീതിയുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, MBE വളർച്ചാ താപനില ഏകദേശം 350-400℃ കുറവാണ്. കുറഞ്ഞ വളർച്ചാ താപനില ഉയർന്ന താപനിലയുള്ള പരിതസ്ഥിതികൾ മൂലമുണ്ടാകുന്ന ചില മലിനീകരണം ഒഴിവാക്കാൻ കഴിയും. MBE സിസ്റ്റം അൾട്രാ-ഹൈ വാക്വം അനുസരിച്ച് പ്രവർത്തിക്കുന്നു, ഇത് കൂടുതൽ ഇൻ-സിറ്റു ഡിറ്റക്ഷൻ രീതികൾ സംയോജിപ്പിക്കാൻ അനുവദിക്കുന്നു. അതേസമയം, അതിന്റെ വളർച്ചാ നിരക്കും ഉൽപാദന ശേഷിയും MOCVD യുമായി താരതമ്യം ചെയ്യാൻ കഴിയില്ല, കൂടാതെ ഇത് ശാസ്ത്രീയ ഗവേഷണത്തിൽ കൂടുതലായി ഉപയോഗിക്കുന്നു [7].

ചിത്രം 5 (a) Eiko-MBE സ്കീമാറ്റിക് (b) MBE പ്രധാന പ്രതികരണ ചേംബർ സ്കീമാറ്റിക്

HVPE രീതി (ഹൈഡ്രൈഡ് നീരാവി ഘട്ടം എപ്പിറ്റാക്സി)

ഹൈഡ്രൈഡ് വേപ്പർ ഫേസ് എപ്പിറ്റാക്സി രീതിയുടെ മുൻഗാമികൾ GaCl3 ഉം NH3 ഉം ആണ്. ഒരു നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രത്തിന്റെ ഉപരിതലത്തിൽ നൂറുകണക്കിന് മൈക്രോൺ കട്ടിയുള്ള GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളി വളർത്താൻ ഡെച്ച്പ്രോം തുടങ്ങിയവർ ഈ രീതി ഉപയോഗിച്ചു. അവരുടെ പരീക്ഷണത്തിൽ, നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രത്തിനും എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളിക്കും ഇടയിൽ ഒരു ബഫർ പാളിയായി ZnO യുടെ ഒരു പാളി വളർത്തി, എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളി അടിവസ്ത്ര ഉപരിതലത്തിൽ നിന്ന് അടർത്തിമാറ്റി. MOCVD, MBE എന്നിവയുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, HVPE രീതിയുടെ പ്രധാന സവിശേഷത അതിന്റെ ഉയർന്ന വളർച്ചാ നിരക്കാണ്, ഇത് കട്ടിയുള്ള പാളികളുടെയും ബൾക്ക് മെറ്റീരിയലുകളുടെയും ഉത്പാദനത്തിന് അനുയോജ്യമാണ്. എന്നിരുന്നാലും, എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളിയുടെ കനം 20μm കവിയുമ്പോൾ, ഈ രീതിയിലൂടെ ഉൽ‌പാദിപ്പിക്കപ്പെടുന്ന എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളി വിള്ളലുകൾക്ക് സാധ്യതയുണ്ട്.
ഈ രീതിയെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള പാറ്റേൺ ചെയ്ത സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് സാങ്കേതികവിദ്യ അകിര യുഎസ്‌യുഐ അവതരിപ്പിച്ചു. MOCVD രീതി ഉപയോഗിച്ച് അവർ ആദ്യം ഒരു നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രത്തിൽ 1-1.5μm കട്ടിയുള്ള ഒരു നേർത്ത GaN എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ പാളി വളർത്തി. കുറഞ്ഞ താപനിലയിൽ വളർത്തിയ 20nm കട്ടിയുള്ള GaN ബഫർ പാളിയും ഉയർന്ന താപനിലയിൽ വളർത്തിയ GaN പാളിയും എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ പാളിയിൽ ഉൾപ്പെട്ടിരുന്നു. തുടർന്ന്, 430℃-ൽ, എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ പാളിയുടെ ഉപരിതലത്തിൽ SiO2 ന്റെ ഒരു പാളി പൂശി, ഫോട്ടോലിത്തോഗ്രാഫി ഉപയോഗിച്ച് SiO2 ഫിലിമിൽ വിൻഡോ സ്ട്രൈപ്പുകൾ നിർമ്മിച്ചു. സ്ട്രൈപ്പ് സ്‌പേസിംഗ് 7μm ആയിരുന്നു, മാസ്‌ക് വീതി 1μm മുതൽ 4μm വരെയായിരുന്നു. ഈ മെച്ചപ്പെടുത്തലിനുശേഷം, 2 ഇഞ്ച് വ്യാസമുള്ള നീലക്കല്ലിന്റെ അടിവസ്ത്രത്തിൽ വിള്ളലുകളില്ലാത്തതും കനം പതിനായിരക്കണക്കിന് മൈക്രോണുകളായി വർദ്ധിച്ചാലും കണ്ണാടി പോലെ മിനുസമാർന്നതുമായ ഒരു GaN എപ്പിറ്റാക്‌സിയൽ പാളി അവർക്ക് ലഭിച്ചു. പരമ്പരാഗത HVPE രീതിയുടെ 109-1010cm-2 ൽ നിന്ന് ഏകദേശം 6×107cm-2 ആയി വൈകല്യ സാന്ദ്രത കുറച്ചു. വളർച്ചാ നിരക്ക് 75μm/h കവിയുമ്പോൾ, സാമ്പിൾ ഉപരിതലം പരുക്കനാകുമെന്ന് അവർ പരീക്ഷണത്തിൽ ചൂണ്ടിക്കാട്ടി [8].

ചിത്രം 6 ഗ്രാഫിക്കൽ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് സ്കീമാറ്റിക്

V. സംഗ്രഹവും കാഴ്ചപ്പാടും

2014-ൽ നീല ലൈറ്റ് എൽഇഡി ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിനുള്ള നോബൽ സമ്മാനം നേടിയതോടെയാണ് GaN മെറ്റീരിയലുകൾ ഉയർന്നുവരാൻ തുടങ്ങിയത്, കൂടാതെ ഉപഭോക്തൃ ഇലക്ട്രോണിക്സ് മേഖലയിലെ ഫാസ്റ്റ് ചാർജിംഗ് ആപ്ലിക്കേഷനുകളുടെ പൊതുജനങ്ങളുടെ മേഖലയിലേക്ക് പ്രവേശിച്ചു. വാസ്തവത്തിൽ, മിക്ക ആളുകൾക്കും കാണാൻ കഴിയാത്ത 5G ബേസ് സ്റ്റേഷനുകളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന പവർ ആംപ്ലിഫയറുകളിലും RF ഉപകരണങ്ങളിലും ആപ്ലിക്കേഷനുകൾ നിശബ്ദമായി ഉയർന്നുവന്നിട്ടുണ്ട്. സമീപ വർഷങ്ങളിൽ, GaN-അധിഷ്ഠിത ഓട്ടോമോട്ടീവ്-ഗ്രേഡ് പവർ ഉപകരണങ്ങളുടെ മുന്നേറ്റം GaN മെറ്റീരിയൽ ആപ്ലിക്കേഷൻ മാർക്കറ്റിന് പുതിയ വളർച്ചാ പോയിന്റുകൾ തുറക്കുമെന്ന് പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു.
വൻ വിപണി ആവശ്യകത GaN-മായി ബന്ധപ്പെട്ട വ്യവസായങ്ങളുടെയും സാങ്കേതികവിദ്യകളുടെയും വികസനത്തെ തീർച്ചയായും പ്രോത്സാഹിപ്പിക്കും. GaN-മായി ബന്ധപ്പെട്ട വ്യാവസായിക ശൃംഖലയുടെ പക്വതയും പുരോഗതിയും അനുസരിച്ച്, നിലവിലെ GaN എപ്പിറ്റാക്സിയൽ സാങ്കേതികവിദ്യ നേരിടുന്ന പ്രശ്നങ്ങൾ ക്രമേണ മെച്ചപ്പെടുത്തുകയോ മറികടക്കുകയോ ചെയ്യും. ഭാവിയിൽ, ആളുകൾ തീർച്ചയായും കൂടുതൽ പുതിയ എപ്പിറ്റാക്സിയൽ സാങ്കേതികവിദ്യകളും കൂടുതൽ മികച്ച സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് ഓപ്ഷനുകളും വികസിപ്പിക്കും. അപ്പോഴേക്കും, ആപ്ലിക്കേഷൻ സാഹചര്യങ്ങളുടെ സവിശേഷതകൾക്കനുസരിച്ച് വ്യത്യസ്ത ആപ്ലിക്കേഷൻ സാഹചര്യങ്ങൾക്ക് ഏറ്റവും അനുയോജ്യമായ ബാഹ്യ ഗവേഷണ സാങ്കേതികവിദ്യയും സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റും തിരഞ്ഞെടുക്കാനും ഏറ്റവും മത്സരാധിഷ്ഠിതമായ ഇഷ്ടാനുസൃത ഉൽപ്പന്നങ്ങൾ നിർമ്മിക്കാനും ആളുകൾക്ക് കഴിയും.