1. Гурав дахь үеийн хагас дамжуулагчид
Эхний үеийн хагас дамжуулагч технологийг Si болон Ge зэрэг хагас дамжуулагч материалууд дээр үндэслэн боловсруулсан. Энэ нь транзистор болон нэгдсэн хэлхээний технологийн хөгжлийн материаллаг үндэс суурь юм. Эхний үеийн хагас дамжуулагч материалууд нь 20-р зуунд электроникийн үйлдвэрлэлийн үндэс суурийг тавьсан бөгөөд нэгдсэн хэлхээний технологийн үндсэн материалууд юм.
Хоёр дахь үеийн хагас дамжуулагч материалуудад голчлон галлийн арсенид, индий фосфид, галлийн фосфид, индий арсенид, хөнгөн цагаан арсенид болон тэдгээрийн гурвалсан нэгдлүүд багтдаг. Хоёр дахь үеийн хагас дамжуулагч материалууд нь оптоэлектроник мэдээллийн салбарын үндэс суурь болдог. Үүний үндсэн дээр гэрэлтүүлэг, дэлгэц, лазер, фотоэлектрик зэрэг холбогдох салбаруудыг хөгжүүлсэн. Эдгээрийг орчин үеийн мэдээллийн технологи, оптоэлектроник дэлгэцийн салбарт өргөн ашигладаг.
Гурав дахь үеийн хагас дамжуулагч материалын төлөөллийн материалуудад галлийн нитрид болон цахиурын карбид орно. Өргөн зурвасын зай, электрон ханалтын өндөр хурд, дулаан дамжуулалт, өндөр эвдрэлийн талбайн хүч зэрэг нь өндөр чадлын нягтрал, өндөр давтамж, бага алдагдалтай электрон төхөөрөмж бэлтгэхэд тохиромжтой материал юм. Тэдгээрийн дотор цахиурын карбидын цахилгаан төхөөрөмжүүд нь өндөр эрчим хүчний нягтрал, бага эрчим хүчний хэрэглээ, жижиг хэмжээтэй давуу талтай бөгөөд шинэ эрчим хүчний тээврийн хэрэгсэл, фотовольтайк, төмөр замын тээвэр, их өгөгдөл болон бусад салбарт өргөн хэрэглээний хэтийн төлөвтэй. Галлийн нитрид RF төхөөрөмжүүд нь өндөр давтамж, өндөр хүчин чадал, өргөн зурвасын өргөн, бага эрчим хүчний хэрэглээ, жижиг хэмжээтэй давуу талтай бөгөөд 5G харилцаа холбоо, Эд зүйлсийн интернет, цэргийн радар болон бусад салбарт өргөн хэрэглээний хэтийн төлөвтэй. Үүнээс гадна, галлийн нитрид дээр суурилсан цахилгаан төхөөрөмжүүдийг бага хүчдэлийн салбарт өргөн ашиглаж байна. Үүнээс гадна, сүүлийн жилүүдэд шинээр гарч ирж буй галлийн ислийн материалууд нь одоо байгаа SiC болон GaN технологиудтай техникийн нөхөлтийг бий болгож, бага давтамж, өндөр хүчдэлийн салбарт ашиглах хэтийн төлөвтэй байх төлөвтэй байна.
Хоёр дахь үеийн хагас дамжуулагч материалуудтай харьцуулахад гурав дахь үеийн хагас дамжуулагч материалууд нь илүү өргөн зурвасын өргөнтэй (нэгдүгээр үеийн хагас дамжуулагч материалын ердийн материал болох Si-ийн зурвасын өргөн нь ойролцоогоор 1.1 эВ, хоёр дахь үеийн хагас дамжуулагч материалын ердийн материал болох GaAs-ийн зурвасын өргөн нь ойролцоогоор 1.42 эВ, гурав дахь үеийн хагас дамжуулагч материалын ердийн материал болох GaN-ийн зурвасын өргөн нь 2.3 эВ-ээс дээш), илүү хүчтэй цацрагийн эсэргүүцэл, цахилгаан орны эвдрэлд илүү хүчтэй эсэргүүцэл, өндөр температурын эсэргүүцэлтэй. Илүү өргөн зурвасын өргөнтэй гурав дахь үеийн хагас дамжуулагч материалууд нь цацрагт тэсвэртэй, өндөр давтамжтай, өндөр хүчин чадалтай, өндөр интеграцийн нягтралтай электрон төхөөрөмж үйлдвэрлэхэд онцгой тохиромжтой. Тэдгээрийг богино долгионы радио давтамжийн төхөөрөмж, LED, лазер, цахилгаан төхөөрөмж болон бусад салбарт хэрэглэх нь олны анхаарлыг татаж, хөдөлгөөнт холбоо, ухаалаг сүлжээ, төмөр замын тээвэр, шинэ эрчим хүчний тээврийн хэрэгсэл, хэрэглээний электроник, хэт ягаан туяа, цэнхэр ногоон гэрлийн төхөөрөмжүүдэд өргөн хүрээтэй хөгжлийн хэтийн төлөвийг харуулсан [1].
Зургийн эх сурвалж: CASA, Жешан үнэт цаасны судалгааны хүрээлэн
Зураг 1 GaN цахилгаан төхөөрөмжийн цагийн хуваарь ба урьдчилсан мэдээ
II GaN материалын бүтэц ба шинж чанар
GaN нь шууд зурвасын завсартай хагас дамжуулагч юм. Өрөөний температурт вурцит бүтцийн зурвасын завсарын өргөн нь ойролцоогоор 3.26 эВ байна. GaN материалууд нь вурцит бүтэц, сфалерит бүтэц, чулуулгийн давсны бүтэц гэсэн гурван үндсэн талст бүтэцтэй байдаг. Тэдгээрийн дотроос вурцит бүтэц нь хамгийн тогтвортой талст бүтэц юм. Зураг 2-т GaN-ийн зургаан өнцөгт вурцит бүтцийн диаграммыг харуулав. GaN материалын вурцит бүтэц нь зургаан өнцөгт нягт савлагдсан бүтэцтэй. Нэгж эс бүр нь 6 N атом, 6 Ga атом зэрэг 12 атомтай. Ga (N) атом бүр нь хамгийн ойрын 4 N (Ga) атомтай холбоо үүсгэдэг бөгөөд ABABAB дарааллаар давхарлагддаг... [0001] чиглэлийн дагуу [2].
Зураг 2 Вурцитийн бүтцийн GaN талст эсийн диаграмм
III GaN эпитаксид түгээмэл хэрэглэгддэг субстратууд
GaN суурь дээр нэгэн төрлийн эпитакси хийх нь GaN эпитаксид хамгийн сайн сонголт юм шиг байна. Гэсэн хэдий ч GaN-ийн өндөр холбооны энергийн улмаас температур 2500℃ хайлах цэгт хүрэхэд түүний харгалзах задралын даралт ойролцоогоор 4.5GPa байна. Задралын даралт энэ даралтаас бага байх үед GaN хайлахгүй, харин шууд задардаг. Энэ нь Чохралскийн арга гэх мэт боловсорсон суурь бэлтгэх технологийг GaN дан талст суурь бэлтгэхэд тохиромжгүй болгож, GaN суурь материалыг олноор үйлдвэрлэхэд хэцүү, үнэтэй болгодог. Тиймээс GaN эпитаксиал өсөлтөд түгээмэл хэрэглэгддэг суурь нь голчлон Si, SiC, индранил гэх мэт юм [3].
Диаграмм 3 GaN болон түгээмэл хэрэглэгддэг суурь материалын параметрүүд
Сапфир дээрх GaN эпитакси
Саффир нь тогтвортой химийн шинж чанартай, хямд бөгөөд томоохон хэмжээний үйлдвэрлэлийн өндөр боловсорсон үетэй. Тиймээс энэ нь хагас дамжуулагч төхөөрөмжийн инженерчлэлд хамгийн эртний бөгөөд хамгийн өргөн хэрэглэгддэг суурь материалуудын нэг болсон. GaN эпитаксид түгээмэл хэрэглэгддэг суурь материалуудын нэг болох саффир суурь материалын хувьд шийдвэрлэх шаардлагатай гол асуудлууд нь:
✔ Сафир (Al2O3) болон GaN-ийн хоорондох торны зөрүү ихтэй (ойролцоогоор 15%) тул эпитаксиал давхарга болон субстратын хоорондох зааг дээрх согогийн нягтрал маш өндөр байдаг. Сөрөг нөлөөллийг бууруулахын тулд эпитаксиал процесс эхлэхээс өмнө субстратыг нарийн төвөгтэй урьдчилсан боловсруулалтад хамруулах шаардлагатай. Сафир субстрат дээр GaN эпитаксиалыг ургуулахаас өмнө эхлээд субстратын гадаргууг бохирдуулагч, үлдэгдэл өнгөлгөөний гэмтэл гэх мэтийг арилгах, шат болон шаталсан гадаргуугийн бүтцийг бий болгохын тулд сайтар цэвэрлэж байх ёстой. Дараа нь эпитаксиал давхаргын чийгшүүлэх шинж чанарыг өөрчлөхийн тулд субстратын гадаргууг нитриджүүлдэг. Эцэст нь эцсийн эпитаксиал ургалтад бэлтгэхийн тулд субстратын гадаргуу дээр нимгэн AlN буфер давхарга (ихэвчлэн 10-100нм зузаантай) байрлуулж, бага температурт хатаах шаардлагатай. Гэсэн хэдий ч индранил суурь дээр ургуулсан GaN эпитаксиал хальсны дислокацийн нягтрал нь гомеопитаксиал хальснаас өндөр хэвээр байна (цахиурын гомеопитаксиал хальс эсвэл галлий арсенидын гомеопитаксиал хальсны дислокацийн нягтрал бараг тэг буюу 102-104 см-2 хооронд байдагтай харьцуулахад ойролцоогоор 1010 см-2). Өндөр согогийн нягтрал нь тээвэрлэгчийн хөдөлгөөнийг бууруулж, улмаар цөөнхийн тээвэрлэгчийн ашиглалтын хугацааг богиносгож, дулаан дамжуулалтыг бууруулдаг бөгөөд энэ нь төхөөрөмжийн ажиллагааг бууруулдаг [4];
✔ Сафирын дулааны тэлэлтийн коэффициент нь GaN-ээс их байдаг тул тунадасны температураас өрөөний температур хүртэл хөргөх явцад эпитаксиаль давхаргад хоёр тэнхлэгт шахалтын стресс үүснэ. Илүү зузаан эпитаксиаль хальсны хувьд энэ стресс нь хальс эсвэл бүр суурь дээр хагарал үүсгэж болзошгүй;
✔ Бусад суурьтай харьцуулахад индранил суурьтай материалын дулаан дамжуулалт бага (100°C температурт ойролцоогоор 0.25W*cm-1*K-1) бөгөөд дулаан ялгаруулах чадвар муу;
✔ Цахилгаан дамжуулах чадвар муутай тул индранил суурь нь бусад хагас дамжуулагч төхөөрөмжтэй нэгтгэх, хэрэглэхэд тохиромжгүй байдаг.
Саффир суурь дээр ургуулсан GaN эпитаксиал давхаргын согогийн нягтрал өндөр боловч GaN дээр суурилсан цэнхэр ногоон LED-ийн оптоэлектроник гүйцэтгэлийг мэдэгдэхүйц бууруулдаггүй тул саффир суурь нь GaN дээр суурилсан LED-д түгээмэл хэрэглэгддэг суурь хэвээр байна.
Лазер эсвэл бусад өндөр нягтралтай цахилгаан төхөөрөмжүүд гэх мэт GaN төхөөрөмжүүдийн шинэ хэрэглээ хөгжихийн хэрээр индранил субстратын төрөлхийн согог нь тэдгээрийн хэрэглээнд улам бүр хязгаарлалт болж байна. Үүнээс гадна, SiC субстратын өсөлтийн технологи хөгжиж, өртөг буурч, Si субстрат дээр GaN эпитаксиал технологийн боловсорч гүйцсэнтэй холбогдуулан индранил субстрат дээр GaN эпитаксиал давхаргыг ургуулах талаарх судалгаа аажмаар хөрөх хандлагатай байгааг харуулж байна.
SiC дээрх GaN эпитакси
Сафиртай харьцуулахад SiC суурь (4H- ба 6H-талстууд) нь GaN эпитаксиал давхаргатай торны зөрүү багатай (3.1%, [0001] чиглэлтэй эпитаксиал хальстай тэнцүү), дулаан дамжуулалт өндөр (ойролцоогоор 3.8W*cm-1*K-1) гэх мэт. Үүнээс гадна, SiC суурь дамжуулалт нь суурь хэсгийн ар талд цахилгаан холбоо барих боломжийг олгодог бөгөөд энэ нь төхөөрөмжийн бүтцийг хялбарчлахад тусалдаг. Эдгээр давуу талуудын оршин тогтнол нь цахиурын карбидын суурь дээрх GaN эпитакси дээр ажиллахад улам олон судлаачдыг татсан.
Гэсэн хэдий ч GaN эпилатер ургуулахаас зайлсхийхийн тулд SiC суурь дээр шууд ажиллах нь дараах хэд хэдэн сул талуудтай тулгардаг:
✔ SiC суурь материалын гадаргуугийн барзгар байдал нь индранил суурь материалаас хамаагүй өндөр (индранил барзгар байдал 0.1нм RMS, SiC барзгар байдал 1нм RMS), SiC суурь материал нь өндөр хатуулагтай, боловсруулалтын гүйцэтгэл муутай бөгөөд энэхүү барзгар байдал болон үлдэгдэл өнгөлгөөний гэмтэл нь GaN эпилатерын согогийн эх үүсвэрүүдийн нэг юм.
✔ SiC суурь материалын шураг мултрах нягтрал өндөр (мултрах нягтрал 103-104см-2), шураг мултрах нь GaN эпилятор давхарга руу тархаж, төхөөрөмжийн ажиллагааг бууруулж болзошгүй;
✔ Субстратын гадаргуу дээрх атомын зохион байгуулалт нь GaN эпитаксиал давхаргад давхаргын хагарал (BSF) үүсэхийг өдөөдөг. SiC субстрат дээрх эпитаксиал GaN-ийн хувьд субстрат дээр олон тооны атомын зохион байгуулалтын дараалал байж болох бөгөөд энэ нь түүн дээрх эпитаксиал GaN давхаргын анхны атомын давхаргын дараалал тогтворгүй болж, давхаргын хагарал үүсэх хандлагатай байдаг. давхаргын хагарал (SF) нь c тэнхлэгийн дагуу суурилуулсан цахилгаан оронг бий болгож, хавтгай доторх зөөгч тусгаарлах төхөөрөмжүүдийн алдагдал зэрэг асуудалд хүргэдэг;
✔ SiC суурь материалын дулааны тэлэлтийн коэффициент нь AlN болон GaN-ээс бага байдаг бөгөөд энэ нь хөргөлтийн процессын явцад эпитаксиаль давхарга болон суурь материалын хооронд дулааны стресс хуримтлагдахад хүргэдэг. Валтерейт болон Брэнд нар судалгааныхаа үр дүнд үндэслэн энэ асуудлыг нимгэн, нягт нягтралтай AlN цөмийн давхарга дээр GaN эпитаксиаль давхаргыг ургуулснаар арилгах эсвэл шийдвэрлэх боломжтой гэж таамаглаж байсан;
✔ Ga атомуудын норгох чадвар муу байгаагийн асуудал. SiC гадаргуу дээр шууд GaN эпитаксиал давхаргыг ургуулах үед хоёр атомын хоорондох норгох чадвар муу байгаагаас болж GaN нь суурь гадаргуу дээр 3 хэмжээст арлын ургалт үүсэх хандлагатай байдаг. Буфер давхаргыг нэвтрүүлэх нь GaN эпитаксид эпитаксиал материалын чанарыг сайжруулах хамгийн түгээмэл хэрэглэгддэг шийдэл юм. AlN эсвэл AlxGa1-xN буфер давхаргыг нэвтрүүлэх нь SiC гадаргуугийн норгох чадварыг үр дүнтэй сайжруулж, GaN эпитаксиал давхаргыг хоёр хэмжээст ургуулах боломжтой. Үүнээс гадна, энэ нь стрессийг зохицуулж, суурь согогийг GaN эпитаксид тархахаас сэргийлж чадна;
✔ SiC суурь бэлтгэх технологи нь боловсроогүй, суурь материалын өртөг өндөр, нийлүүлэгчид цөөн, нийлүүлэлт бага байдаг.
Торрес болон бусад хүмүүсийн судалгаагаар эпитакси хийхээс өмнө SiC субстратыг өндөр температурт (1600°C) H2-ээр сийлбэрлэснээр субстратын гадаргуу дээр илүү эмх цэгцтэй шаталсан бүтэц бий болж, улмаар анхны субстратын гадаргуу дээр шууд ургуулсантай харьцуулахад илүү өндөр чанартай AlN эпитаксиаль хальс олж авах боломжтой болохыг харуулж байна. Сие болон түүний багийн судалгаагаар цахиурын карбидын субстратыг сийлбэрлэхээс өмнө урьдчилан боловсруулснаар GaN эпитаксиаль давхаргын гадаргуугийн морфологи болон талстын чанарыг мэдэгдэхүйц сайжруулж болохыг харуулж байна. Смит болон бусад хүмүүс субстрат/буфер давхарга болон буфер давхарга/эпитаксиаль давхаргын интерфейсээс үүссэн утаслаг мултрал нь субстратын тэгш байдалтай холбоотой болохыг тогтоожээ [5].
Зураг 4. 6H-SiC суурь (0001) дээр өөр өөр гадаргуугийн боловсруулалтын нөхцөлд ургуулсан GaN эпитаксиал давхаргын дээжийн TEM морфологи (a) химийн цэвэрлэгээ; (b) химийн цэвэрлэгээ + устөрөгчийн плазмын боловсруулалт; (c) химийн цэвэрлэгээ + устөрөгчийн плазмын боловсруулалт + 1300℃ устөрөгчийн дулааны боловсруулалт 30 минут
Si дээрх GaN эпитакси
Цахиурын карбид, индранил болон бусад суурьтай харьцуулахад цахиурын суурь бэлтгэх үйл явц нь боловсорч гүйцсэн бөгөөд өндөр өртөгтэй гүйцэтгэлтэй, боловсорч гүйцсэн том хэмжээтэй суурь материалыг тогтвортой хангаж чаддаг. Үүний зэрэгцээ дулаан дамжуулалт болон цахилгаан дамжуулалт сайн бөгөөд Si электрон төхөөрөмжийн үйл явц нь боловсорч гүйцсэн. Ирээдүйд оптоэлектроник GaN төхөөрөмжийг Si электрон төхөөрөмжтэй төгс нэгтгэх боломж нь цахиур дээрх GaN эпитаксигийн өсөлтийг маш сонирхолтой болгож байна.
Гэсэн хэдий ч Si субстрат ба GaN материалын хоорондох торны тогтмолуудын зөрүү их байгаагаас шалтгаалан Si субстрат дээрх GaN-ийн олон янзын эпитакси нь ердийн том хэмжээний үл нийцэлтэй эпитакси бөгөөд мөн хэд хэдэн асуудалтай тулгардаг.
✔ Гадаргуугийн интерфэйсийн энергийн асуудал. GaN нь Si суурь дээр ургах үед Si суурь гадаргууг эхлээд нитриджүүлж, өндөр нягтралтай GaN-ийн цөмжилт болон өсөлтөд тохиромжгүй аморф цахиурын нитридийн давхарга үүсгэнэ. Үүнээс гадна, Si гадаргуу эхлээд Ga-тай холбогдож, Si суурь гадаргууг зэврүүлнэ. Өндөр температурт Si гадаргуугийн задрал нь GaN эпитаксиаль давхаргад тархаж, хар цахиурын толбо үүсгэнэ.
✔ GaN болон Si-ийн хоорондох торны тогтмолын зөрүү их (~17%) байгаа нь өндөр нягтралтай утаснуудын мултрал үүсэхэд хүргэж, эпитаксиал давхаргын чанарыг мэдэгдэхүйц бууруулна;
✔ Si-тэй харьцуулахад GaN нь илүү их дулааны тэлэлтийн коэффициенттэй (GaN-ийн дулааны тэлэлтийн коэффициент нь ойролцоогоор 5.6×10-6K-1, Si-ийн дулааны тэлэлтийн коэффициент нь ойролцоогоор 2.6×10-6K-1) бөгөөд эпитаксиал температурыг өрөөний температур хүртэл хөргөх үед GaN эпитаксиал давхаргад ан цав үүсч болно;
✔ Si нь өндөр температурт NH3-тэй урвалд орж поликристал SiNx үүсгэдэг. AlN нь поликристал SiNx дээр давуу эрхтэй чиглэсэн цөм үүсгэж чадахгүй бөгөөд энэ нь дараа нь ургасан GaN давхаргын чиглэлийг эмх замбараагүй болгож, олон тооны согог үүсгэдэг бөгөөд энэ нь GaN эпитаксиал давхаргын талстын чанар муу, тэр ч байтугай дан талст GaN эпитаксиал давхарга үүсгэхэд бэрхшээл учруулдаг [6].
Том торны зөрүүтэй байдлын асуудлыг шийдэхийн тулд судлаачид Si суурь дээр буфер давхарга болгон AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, SiC зэрэг материалыг нэвтрүүлэхийг оролдсон. Поликристал SiNx үүсэхээс зайлсхийх, GaN/AlN/Si (111) материалын талстын чанарт үзүүлэх сөрөг нөлөөллийг бууруулахын тулд NH3 нь ил гарсан Si гадаргуутай урвалд орж SiNx үүсгэхээс урьдчилан сэргийлэхийн тулд AlN буфер давхаргын эпитаксиал өсөлтөөс өмнө TMali-г тодорхой хугацаанд нэвтрүүлэх шаардлагатай байдаг. Үүнээс гадна, хээтэй суурь технологи гэх мэт эпитаксиал технологийг эпитаксиал давхаргын чанарыг сайжруулахад ашиглаж болно. Эдгээр технологийг хөгжүүлэх нь эпитаксиал интерфэйс дээр SiNx үүсэхийг дарангуйлах, GaN эпитаксиал давхаргын хоёр хэмжээст өсөлтийг дэмжих, эпитаксиал давхаргын өсөлтийн чанарыг сайжруулахад тусалдаг. Үүнээс гадна, цахиурын суурь дээрх GaN эпитаксиал давхаргад хагарал үүсэхээс зайлсхийхийн тулд дулааны тэлэлтийн коэффициентийн зөрүүгээс үүдэлтэй суналтын стрессийг нөхөх зорилгоор AlN буфер давхаргыг нэвтрүүлдэг. Кростын судалгаагаар AlN буфер давхаргын зузаан болон омог буурах хоёрын хооронд эерэг хамаарал байгааг харуулж байна. Буфер давхаргын зузаан 12 нм хүрэхэд эпитаксиал давхарга хагаралгүйгээр зохих ургалтын схемийн дагуу 6μм-ээс зузаан эпитаксиал давхаргыг цахиурын суурь дээр ургуулж болно.
Судлаачдын урт хугацааны хүчин чармайлтын дараа цахиурын суурь дээр ургуулсан GaN эпитаксиал давхаргын чанар мэдэгдэхүйц сайжирсан бөгөөд хээрийн эффектийн транзистор, Шотткийн хаалт хэт ягаан туяаны мэдрэгч, цэнхэр ногоон LED болон хэт ягаан туяаны лазер зэрэг төхөөрөмжүүд мэдэгдэхүйц ахиц дэвшил гаргасан.
Товчхондоо, түгээмэл хэрэглэгддэг GaN эпитаксиал суурь нь бүгд олон төрлийн эпитакси байдаг тул торны үл нийцэл, дулааны тэлэлтийн коэффициентийн янз бүрийн түвшинд их хэмжээний зөрүү зэрэг нийтлэг асуудлуудтай тулгардаг. Нэг төрлийн эпитаксиал GaN суурь нь технологийн боловсорч гүйцсэн байдлаас шалтгаалан хязгаарлагдмал бөгөөд суурь нь хараахан олноор үйлдвэрлэгдээгүй байна. Үйлдвэрлэлийн өртөг өндөр, суурь хэмжээ бага, суурь чанар нь тийм ч тохиромжтой биш юм. Шинэ GaN эпитаксиал суурь боловсруулах, эпитаксиал чанарыг сайжруулах нь GaN эпитаксиал салбарын цаашдын хөгжлийг хязгаарлаж буй чухал хүчин зүйлсийн нэг хэвээр байна.
IV. GaN эпитаксигийн нийтлэг аргууд
MOCVD (химийн уурын тунадасжуулалт)
GaN суурь дээр нэгэн төрлийн эпитакси хийх нь GaN эпитакси хийхэд хамгийн сайн сонголт юм шиг байна. Гэсэн хэдий ч химийн уурын тунадасны урьдал бодисууд нь триметилгалли ба аммиак, тээвэрлэгч хий нь устөрөгч тул MOCVD-ийн ердийн өсөлтийн температур нь 1000-1100℃ орчим бөгөөд MOCVD-ийн өсөлтийн хурд нь цагт хэдэн микрон орчим байдаг. Энэ нь атомын түвшинд эгц интерфэйс үүсгэж чаддаг бөгөөд энэ нь гетеро холболт, квант худаг, супер тор болон бусад бүтцийг ургуулахад маш тохиромжтой. Түүний хурдан өсөлтийн хурд, сайн жигд байдал, том талбай болон олон хэсэгтэй өсөлтөд тохиромжтой байдлыг ихэвчлэн үйлдвэрлэлийн үйлдвэрлэлд ашигладаг.
MBE (молекулын цацрагийн эпитакси)
Молекулын цацрагийн эпитаксид Ga нь элементийн эх үүсвэрийг ашигладаг бөгөөд идэвхтэй азотыг азотоос RF плазмаар дамжуулан гаргаж авдаг. MOCVD аргатай харьцуулахад MBE-ийн өсөлтийн температур ойролцоогоор 350-400℃ бага байдаг. Өсөлтийн температур бага байх нь өндөр температурын орчноос үүдэлтэй тодорхой бохирдлоос зайлсхийх боломжтой. MBE систем нь хэт өндөр вакуум дор ажилладаг тул илүү олон in situation detection аргуудыг нэгтгэх боломжийг олгодог. Үүний зэрэгцээ түүний өсөлтийн хурд болон үйлдвэрлэлийн хүчин чадлыг MOCVD-тэй харьцуулах боломжгүй бөгөөд шинжлэх ухааны судалгаанд илүү их ашигладаг [7].
Зураг 5 (а) Eiko-MBE схем (б) MBE үндсэн урвалын камерын бүдүүвч
HVPE арга (гидрид уурын фазын эпитакси)
Гидрид уурын фазын эпитакси аргын урьдал үеүүд нь GaCl3 ба NH3 юм. Детчпром нар энэ аргыг ашиглан индранил субстратын гадаргуу дээр хэдэн зуун микрон зузаантай GaN эпитаксиал давхаргыг ургуулсан. Тэдний туршилтаар индранил субстрат ба эпитаксиал давхаргын хооронд буфер давхарга болгон ZnO давхаргыг ургуулж, эпитаксиал давхаргыг субстратын гадаргуугаас хуулж авсан. MOCVD болон MBE-тэй харьцуулахад HVPE аргын гол онцлог нь өндөр өсөлтийн хурд бөгөөд зузаан давхарга болон задгай материал үйлдвэрлэхэд тохиромжтой. Гэсэн хэдий ч эпитаксиал давхаргын зузаан 20μм-ээс хэтрэх үед энэ аргаар үүссэн эпитаксиал давхарга нь хагаралд өртөмтгий байдаг.
Акира USUI нь энэ аргад суурилсан хээтэй субстратын технологийг нэвтрүүлсэн. Тэд эхлээд MOCVD аргыг ашиглан индранил субстрат дээр 1-1.5μм зузаантай нимгэн GaN эпитаксиал давхаргыг ургуулсан. Эпитаксиал давхарга нь бага температурын нөхцөлд ургуулсан 20нм зузаантай GaN буфер давхарга болон өндөр температурын нөхцөлд ургуулсан GaN давхаргаас бүрдсэн. Дараа нь 430℃ дээр эпитаксиал давхаргын гадаргуу дээр SiO2 давхаргыг бүрж, SiO2 хальсан дээр фотолитографийн аргаар цонхны судал хийсэн. Туузны зай 7μм, маскны өргөн 1μм-ээс 4μм хүртэл байв. Энэхүү сайжруулалтын дараа тэд 2 инчийн диаметртэй индранил субстрат дээр ан цавгүй, зузаан нь хэдэн арван эсвэл бүр хэдэн зуун микрон хүртэл нэмэгдэхэд ч толь шиг гөлгөр GaN эпитаксиал давхаргыг гаргаж авсан. Согогийн нягтралыг уламжлалт HVPE аргын 109-1010cm-2-оос 6×107cm-2 орчим болгон бууруулсан. Тэд мөн туршилтанд өсөлтийн хурд 75μm/цаг-аас хэтэрсэн үед дээжийн гадаргуу барзгар болдог гэдгийг онцолсон[8].
Зураг 6 График суурь схем
V. Хураангуй ба хэтийн төлөв
2014 онд цэнхэр гэрлийн LED нь тухайн жилдээ Физикийн Нобелийн шагнал хүртсэнээр GaN материалууд гарч ирж эхэлсэн бөгөөд хэрэглээний электроникийн салбарт хурдан цэнэглэх хэрэглээний олон нийтийн салбарт нэвтэрсэн. Үнэндээ ихэнх хүмүүсийн харж чадахгүй 5G суурь станцуудад ашигладаг цахилгаан өсгөгч болон RF төхөөрөмжүүдийн хэрэглээ ч бас чимээгүйхэн гарч ирсэн. Сүүлийн жилүүдэд GaN дээр суурилсан автомашины зэрэглэлийн цахилгаан төхөөрөмжүүдийн нээлт нь GaN материалын хэрэглээний зах зээлд шинэ өсөлтийн цэгүүдийг нээх төлөвтэй байна.
Зах зээлийн асар их эрэлт хэрэгцээ нь GaN-тэй холбоотой салбар, технологийн хөгжлийг дэмжих нь гарцаагүй. GaN-тэй холбоотой үйлдвэрлэлийн сүлжээний төлөвшил, сайжруулалтын ачаар одоогийн GaN эпитаксиал технологийн тулгарч буй асуудлууд эцэстээ сайжирч эсвэл шийдэгдэх болно. Ирээдүйд хүмүүс эпитаксиал технологи, илүү сайн субстратын сонголтыг хөгжүүлэх нь гарцаагүй. Тэр үед хүмүүс хэрэглээний хувилбаруудын онцлогт тохируулан өөр өөр хэрэглээний хувилбаруудад хамгийн тохиромжтой гадаад судалгааны технологи, субстратыг сонгож, хамгийн өрсөлдөх чадвартай захиалгат бүтээгдэхүүн үйлдвэрлэх боломжтой болно.
Нийтэлсэн цаг: 2024 оны 6-р сарын 28