१. तिसऱ्या पिढीतील अर्धवाहक
पहिल्या पिढीतील अर्धवाहक तंत्रज्ञान Si आणि Ge सारख्या अर्धवाहक पदार्थांवर आधारित विकसित केले गेले. ट्रान्झिस्टर आणि एकात्मिक सर्किट तंत्रज्ञानाच्या विकासासाठी ते भौतिक आधार आहे. पहिल्या पिढीतील अर्धवाहक पदार्थांनी २० व्या शतकात इलेक्ट्रॉनिक उद्योगाचा पाया घातला आणि ते एकात्मिक सर्किट तंत्रज्ञानासाठी मूलभूत साहित्य आहेत.
दुसऱ्या पिढीतील अर्धवाहक पदार्थांमध्ये प्रामुख्याने गॅलियम आर्सेनाइड, इंडियम फॉस्फाइड, गॅलियम फॉस्फाइड, इंडियम आर्सेनाइड, अॅल्युमिनियम आर्सेनाइड आणि त्यांचे त्रिकोणीय संयुगे यांचा समावेश आहे. दुसऱ्या पिढीतील अर्धवाहक पदार्थ हे ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक माहिती उद्योगाचा पाया आहेत. या आधारावर, प्रकाशयोजना, प्रदर्शन, लेसर आणि फोटोव्होल्टाइक्स सारखे संबंधित उद्योग विकसित केले गेले आहेत. ते समकालीन माहिती तंत्रज्ञान आणि ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक प्रदर्शन उद्योगांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात.
तिसऱ्या पिढीतील अर्धवाहक पदार्थांच्या प्रतिनिधी साहित्यांमध्ये गॅलियम नायट्राइड आणि सिलिकॉन कार्बाइड यांचा समावेश आहे. त्यांच्या विस्तृत बँड गॅप, उच्च इलेक्ट्रॉन संतृप्तता प्रवाह वेग, उच्च थर्मल चालकता आणि उच्च ब्रेकडाउन फील्ड स्ट्रेंथमुळे, ते उच्च-शक्ती घनता, उच्च-फ्रिक्वेंसी आणि कमी-तोटा इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे तयार करण्यासाठी आदर्श साहित्य आहेत. त्यापैकी, सिलिकॉन कार्बाइड पॉवर उपकरणांमध्ये उच्च ऊर्जा घनता, कमी ऊर्जा वापर आणि लहान आकाराचे फायदे आहेत आणि नवीन ऊर्जा वाहने, फोटोव्होल्टाइक्स, रेल्वे वाहतूक, मोठा डेटा आणि इतर क्षेत्रांमध्ये व्यापक अनुप्रयोग शक्यता आहेत. गॅलियम नायट्राइड आरएफ उपकरणांमध्ये उच्च वारंवारता, उच्च शक्ती, विस्तृत बँडविड्थ, कमी वीज वापर आणि लहान आकाराचे फायदे आहेत आणि 5G कम्युनिकेशन्स, इंटरनेट ऑफ थिंग्ज, मिलिटरी रडार आणि इतर क्षेत्रांमध्ये व्यापक अनुप्रयोग शक्यता आहेत. याव्यतिरिक्त, कमी-व्होल्टेज क्षेत्रात गॅलियम नायट्राइड-आधारित पॉवर उपकरणांचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला गेला आहे. याव्यतिरिक्त, अलिकडच्या वर्षांत, उदयोन्मुख गॅलियम ऑक्साईड साहित्य विद्यमान SiC आणि GaN तंत्रज्ञानासह तांत्रिक पूरकता निर्माण करेल आणि कमी-फ्रिक्वेंसी आणि उच्च-व्होल्टेज क्षेत्रात संभाव्य अनुप्रयोग शक्यता असतील अशी अपेक्षा आहे.
दुसऱ्या पिढीतील अर्धवाहक पदार्थांच्या तुलनेत, तिसऱ्या पिढीतील अर्धवाहक पदार्थांमध्ये विस्तृत बँडगॅप रुंदी असते (पहिल्या पिढीतील अर्धवाहक पदार्थाच्या सामान्य मटेरियल Si ची बँडगॅप रुंदी सुमारे 1.1eV असते, दुसऱ्या पिढीतील अर्धवाहक पदार्थाच्या सामान्य मटेरियल GaAs ची बँडगॅप रुंदी सुमारे 1.42eV असते आणि तिसऱ्या पिढीतील अर्धवाहक पदार्थाच्या सामान्य मटेरियल GaN ची बँडगॅप रुंदी 2.3eV पेक्षा जास्त असते), मजबूत रेडिएशन प्रतिरोधकता, विद्युत क्षेत्राच्या ब्रेकडाउनला मजबूत प्रतिकार आणि उच्च तापमान प्रतिरोधकता. विस्तृत बँडगॅप रुंदी असलेले तिसऱ्या पिढीतील अर्धवाहक पदार्थ रेडिएशन-प्रतिरोधक, उच्च-फ्रिक्वेंसी, उच्च-शक्ती आणि उच्च-एकात्मता-घनता इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांच्या उत्पादनासाठी विशेषतः योग्य आहेत. मायक्रोवेव्ह रेडिओ फ्रिक्वेंसी उपकरणे, LEDs, लेसर, पॉवर उपकरणे आणि इतर क्षेत्रांमध्ये त्यांच्या अनुप्रयोगांनी बरेच लक्ष वेधले आहे आणि त्यांनी मोबाइल कम्युनिकेशन्स, स्मार्ट ग्रिड्स, रेल्वे ट्रान्झिट, नवीन ऊर्जा वाहने, ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स आणि अल्ट्राव्हायोलेट आणि निळ्या-हिरव्या प्रकाश उपकरणांमध्ये व्यापक विकासाच्या शक्यता दर्शविल्या आहेत [1].
प्रतिमा स्रोत: CASA, झेशांग सिक्युरिटीज रिसर्च इन्स्टिट्यूट
आकृती १ GaN पॉवर डिव्हाइस टाइम स्केल आणि अंदाज
II GaN मटेरियल स्ट्रक्चर आणि वैशिष्ट्ये
GaN हा एक डायरेक्ट बँडगॅप सेमीकंडक्टर आहे. खोलीच्या तापमानाला वुर्टझाइट रचनेची बँडगॅप रुंदी सुमारे 3.26eV असते. GaN मटेरियलमध्ये तीन मुख्य क्रिस्टल स्ट्रक्चर्स असतात, म्हणजे वुर्टझाइट स्ट्रक्चर, स्फॅलेराइट स्ट्रक्चर आणि रॉक सॉल्ट स्ट्रक्चर. त्यापैकी, वुर्टझाइट स्ट्रक्चर ही सर्वात स्थिर क्रिस्टल स्ट्रक्चर आहे. आकृती 2 मध्ये GaN च्या षटकोनी वुर्टझाइट स्ट्रक्चरचा आकृती आहे. GaN मटेरियलची वुर्टझाइट स्ट्रक्चर षटकोनी क्लोज-पॅक्ड स्ट्रक्चरशी संबंधित आहे. प्रत्येक युनिट सेलमध्ये 12 अणू असतात, ज्यामध्ये 6 N अणू आणि 6 Ga अणू असतात. प्रत्येक Ga (N) अणू जवळच्या 4 N (Ga) अणूंशी एक बंध तयार करतो आणि [0001] दिशेने [2] ABABAB च्या क्रमाने रचलेला असतो.
आकृती २ वुर्टझाइट रचना GaN क्रिस्टल सेल आकृती
III GaN एपिटॅक्सीसाठी सामान्यतः वापरले जाणारे सब्सट्रेट्स
GaN सब्सट्रेट्सवरील एकसंध एपिटॅक्सि हा GaN एपिटॅक्सिसाठी सर्वोत्तम पर्याय आहे असे दिसते. तथापि, GaN च्या मोठ्या बंध उर्जेमुळे, जेव्हा तापमान 2500℃ च्या वितळण्याच्या बिंदूपर्यंत पोहोचते, तेव्हा त्याचा संबंधित विघटन दाब सुमारे 4.5GPa असतो. जेव्हा विघटन दाब या दाबापेक्षा कमी असतो, तेव्हा GaN वितळत नाही तर थेट विघटित होते. यामुळे GaN सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेट्स तयार करण्यासाठी झोक्राल्स्की पद्धतीसारख्या परिपक्व सब्सट्रेट तयारी तंत्रज्ञान अयोग्य बनतात, ज्यामुळे GaN सब्सट्रेट्स मोठ्या प्रमाणात उत्पादन करणे कठीण आणि महाग होतात. म्हणून, GaN एपिटॅक्सियल वाढीमध्ये सामान्यतः वापरले जाणारे सब्सट्रेट्स प्रामुख्याने Si, SiC, नीलमणी इत्यादी असतात [3].
चार्ट ३ सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या सब्सट्रेट मटेरियलचे GaN आणि पॅरामीटर्स
नीलमणीवरील GaN एपिटॅक्सी
नीलमणीमध्ये स्थिर रासायनिक गुणधर्म आहेत, ते स्वस्त आहे आणि मोठ्या प्रमाणात उत्पादन उद्योगात त्याची परिपक्वता जास्त आहे. म्हणूनच, ते सेमीकंडक्टर डिव्हाइस अभियांत्रिकीमध्ये सर्वात जुने आणि सर्वाधिक वापरले जाणारे सब्सट्रेट मटेरियल बनले आहे. GaN एपिटॅक्सीसाठी सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या सब्सट्रेटपैकी एक म्हणून, नीलमणी सब्सट्रेटसाठी सोडवण्याची आवश्यकता असलेल्या मुख्य समस्या आहेत:
✔ नीलमणी (Al2O3) आणि GaN (सुमारे 15%) यांच्यातील मोठ्या जाळीच्या विसंगतीमुळे, एपिटॅक्सियल थर आणि सब्सट्रेटमधील इंटरफेसवर दोष घनता खूप जास्त आहे. त्याचे प्रतिकूल परिणाम कमी करण्यासाठी, एपिटॅक्सि प्रक्रिया सुरू होण्यापूर्वी सब्सट्रेटला जटिल प्रीट्रीटमेंट करावे लागते. नीलमणी सब्सट्रेट्सवर GaN एपिटॅक्सि वाढण्यापूर्वी, सब्सट्रेट पृष्ठभाग प्रथम दूषित पदार्थ, अवशिष्ट पॉलिशिंग नुकसान इत्यादी काढून टाकण्यासाठी आणि पायऱ्या आणि पायऱ्यांच्या पृष्ठभागाच्या रचना तयार करण्यासाठी काटेकोरपणे स्वच्छ करणे आवश्यक आहे. त्यानंतर, एपिटॅक्सियल थराचे ओले गुणधर्म बदलण्यासाठी सब्सट्रेट पृष्ठभाग नायट्राइड केला जातो. शेवटी, एक पातळ AlN बफर थर (सामान्यतः 10-100nm जाडीचा) सब्सट्रेट पृष्ठभागावर जमा करावा लागतो आणि अंतिम एपिटॅक्सियल वाढीसाठी तयार करण्यासाठी कमी तापमानात एनील करावे लागते. तरीही, नीलमणी थरांवर वाढवलेल्या GaN एपिटॅक्सियल फिल्म्समध्ये विस्थापन घनता अजूनही होमोएपिटाक्सियल फिल्म्सपेक्षा जास्त आहे (सुमारे 1010cm-2, सिलिकॉन होमोएपिटाक्सियल फिल्म्स किंवा गॅलियम आर्सेनाइड होमोएपिटाक्सियल फिल्म्समध्ये शून्य विस्थापन घनतेच्या तुलनेत, किंवा 102 आणि 104cm-2 दरम्यान). जास्त दोष घनता वाहक गतिशीलता कमी करते, ज्यामुळे अल्पसंख्याक वाहकांचे आयुष्य कमी होते आणि थर्मल चालकता कमी होते, या सर्वांमुळे डिव्हाइसची कार्यक्षमता कमी होईल [4];
✔ नीलमणीचा थर्मल एक्सपेंशन कोएन्शियंट GaN पेक्षा जास्त असतो, त्यामुळे डिपॉझिशन तापमानापासून खोलीच्या तापमानापर्यंत थंड होण्याच्या प्रक्रियेदरम्यान एपिटॅक्सियल लेयरमध्ये द्विअक्षीय संकुचित ताण निर्माण होईल. जाड एपिटॅक्सियल फिल्म्ससाठी, या ताणामुळे फिल्म किंवा सब्सट्रेटमध्ये क्रॅकिंग होऊ शकते;
✔ इतर सब्सट्रेट्सच्या तुलनेत, नीलमणी सब्सट्रेट्सची थर्मल चालकता कमी असते (सुमारे 0.25W*cm-1*K-1 100℃ वर), आणि उष्णता नष्ट करण्याची कार्यक्षमता खराब असते;
✔ त्यांच्या कमी चालकतेमुळे, नीलमणी थर इतर अर्धवाहक उपकरणांसह त्यांचे एकत्रीकरण आणि वापर करण्यास अनुकूल नाहीत.
जरी नीलमणी थरांवर वाढवलेल्या GaN एपिटॅक्सियल थरांची दोष घनता जास्त असली तरी, त्यामुळे GaN-आधारित निळ्या-हिरव्या LEDs च्या ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक कामगिरीत लक्षणीय घट होत नाही, म्हणून नीलमणी थर अजूनही GaN-आधारित LEDs साठी सामान्यतः वापरले जाणारे सब्सट्रेट आहेत.
लेसर किंवा इतर उच्च-घनता उर्जा उपकरणांसारख्या GaN उपकरणांच्या अधिक नवीन अनुप्रयोगांच्या विकासासह, नीलमणी सब्सट्रेट्समधील अंतर्निहित दोष त्यांच्या अनुप्रयोगावरील मर्यादा बनत आहेत. याव्यतिरिक्त, SiC सब्सट्रेट वाढ तंत्रज्ञानाच्या विकासासह, खर्चात कपात आणि Si सब्सट्रेट्सवरील GaN एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञानाची परिपक्वता, नीलमणी सब्सट्रेट्सवरील GaN एपिटॅक्सियल थरांच्या वाढत्या संशोधनात हळूहळू थंडीचा कल दिसून आला आहे.
SiC वर GaN एपिटॅक्सी
नीलमणीशी तुलना करता, SiC सब्सट्रेट्स (4H- आणि 6H-क्रिस्टल्स) मध्ये GaN एपिटॅक्सियल लेयर्स (3.1%, [0001] ओरिएंटेड एपिटॅक्सियल फिल्म्सच्या समतुल्य), उच्च थर्मल चालकता (सुमारे 3.8W*cm-1*K-1) इत्यादींशी कमी जाळी जुळत नाही. याव्यतिरिक्त, SiC सब्सट्रेट्सची चालकता सब्सट्रेटच्या मागील बाजूस विद्युत संपर्क देखील बनवण्यास अनुमती देते, ज्यामुळे डिव्हाइसची रचना सुलभ होण्यास मदत होते. या फायद्यांच्या अस्तित्वामुळे सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट्सवरील GaN एपिटॅक्सीवर काम करण्यासाठी अधिकाधिक संशोधक आकर्षित झाले आहेत.
तथापि, GaN एपिलेयर्स वाढू नयेत म्हणून SiC सब्सट्रेट्सवर थेट काम केल्याने अनेक तोटे देखील होतात, ज्यात खालील गोष्टींचा समावेश आहे:
✔ SiC सब्सट्रेट्सची पृष्ठभागाची खडबडीतपणा नीलमणी सब्सट्रेट्सपेक्षा खूप जास्त असते (नीलमणी खडबडीतपणा 0.1nm RMS, SiC खडबडीतपणा 1nm RMS), SiC सब्सट्रेट्समध्ये उच्च कडकपणा आणि खराब प्रक्रिया कार्यक्षमता असते आणि ही खडबडीतपणा आणि अवशिष्ट पॉलिशिंग नुकसान देखील GaN एपिलेयर्समधील दोषांचे एक स्रोत आहे.
✔ SiC सब्सट्रेट्सची स्क्रू डिस्लोकेशन घनता जास्त असते (डिस्लोकेशन घनता १०३-१०४ सेमी-२), स्क्रू डिस्लोकेशन GaN एपिलेयरमध्ये पसरू शकतात आणि डिव्हाइसची कार्यक्षमता कमी करू शकतात;
✔ सब्सट्रेट पृष्ठभागावरील अणु व्यवस्था GaN एपिलियरमध्ये स्टॅकिंग फॉल्ट्स (BSFs) तयार करण्यास प्रवृत्त करते. SiC सब्सट्रेट्सवरील एपिटॅक्सियल GaN साठी, सब्सट्रेटवर अनेक संभाव्य अणु व्यवस्था ऑर्डर असतात, ज्यामुळे त्यावरील एपिटॅक्सियल GaN लेयरचा प्रारंभिक अणु स्टॅकिंग ऑर्डर विसंगत होतो, जो स्टॅकिंग फॉल्ट्ससाठी प्रवण असतो. स्टॅकिंग फॉल्ट्स (SFs) c-अक्षाच्या बाजूने बिल्ट-इन इलेक्ट्रिक फील्ड्स सादर करतात, ज्यामुळे विमानातील वाहक पृथक्करण उपकरणांच्या गळतीसारख्या समस्या उद्भवतात;
✔ SiC सब्सट्रेटचा थर्मल एक्सपेंशन कोएन्शियंट AlN आणि GaN पेक्षा लहान असतो, ज्यामुळे कूलिंग प्रक्रियेदरम्यान एपिटॅक्सियल लेयर आणि सब्सट्रेट दरम्यान थर्मल स्ट्रेस जमा होतो. वॉल्टरिट आणि ब्रँड यांनी त्यांच्या संशोधन निकालांवर आधारित भाकीत केले की पातळ, सुसंगतपणे ताणलेल्या AlN न्यूक्लिएशन लेयरवर GaN एपिटॅक्सियल लेयर वाढवून ही समस्या कमी केली जाऊ शकते किंवा सोडवली जाऊ शकते;
✔ Ga अणूंच्या कमी ओल्यापणाची समस्या. SiC पृष्ठभागावर थेट GaN एपिटॅक्सियल थर वाढवताना, दोन अणूंमधील कमी ओल्यापणामुळे, GaN सब्सट्रेट पृष्ठभागावर 3D बेट वाढीस प्रवण असते. GaN एपिटॅक्सिमध्ये एपिटॅक्सियल पदार्थांची गुणवत्ता सुधारण्यासाठी बफर लेयर सादर करणे हा सर्वात सामान्यपणे वापरला जाणारा उपाय आहे. AlN किंवा AlxGa1-xN बफर लेयर सादर केल्याने SiC पृष्ठभागाची ओल्यापणा प्रभावीपणे सुधारू शकतो आणि GaN एपिटॅक्सियल थर दोन आयामांमध्ये वाढू शकतो. याव्यतिरिक्त, ते ताण नियंत्रित करू शकते आणि सब्सट्रेट दोषांना GaN एपिटॅक्सिमध्ये वाढण्यापासून रोखू शकते;
✔ SiC सब्सट्रेट्सची तयारी तंत्रज्ञान अपरिपक्व आहे, सब्सट्रेटची किंमत जास्त आहे आणि पुरवठादार कमी आहेत आणि पुरवठा कमी आहे.
टोरेस आणि इतरांच्या संशोधनातून असे दिसून आले आहे की एपिटॅक्सिपूर्वी उच्च तापमानात (१६००°C) H2 सह SiC सब्सट्रेट एचिंग केल्याने सब्सट्रेट पृष्ठभागावर अधिक क्रमबद्ध स्टेप स्ट्रक्चर तयार होऊ शकते, ज्यामुळे मूळ सब्सट्रेट पृष्ठभागावर थेट वाढवल्या जाणाऱ्यापेक्षा उच्च दर्जाची AlN एपिटॅक्सियल फिल्म मिळते. झी आणि त्यांच्या टीमच्या संशोधनातून असेही दिसून आले आहे की सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेटचे एचिंग प्रीट्रीटमेंट GaN एपिटॅक्सियल लेयरच्या पृष्ठभागाच्या आकारविज्ञान आणि क्रिस्टल गुणवत्तेत लक्षणीय सुधारणा करू शकते. स्मिथ आणि इतरांना असे आढळून आले की सब्सट्रेट/बफर लेयर आणि बफर लेयर/एपिटाक्सियल लेयर इंटरफेसमधून उद्भवणारे थ्रेडिंग डिस्लोकेशन सब्सट्रेटच्या सपाटपणाशी संबंधित आहेत [5].
आकृती ४ वेगवेगळ्या पृष्ठभागाच्या उपचार परिस्थितीत 6H-SiC सब्सट्रेट (0001) वर वाढवलेल्या GaN एपिटॅक्सियल लेयर नमुन्यांचे TEM आकारविज्ञान (a) रासायनिक स्वच्छता; (b) रासायनिक स्वच्छता + हायड्रोजन प्लाझ्मा उपचार; (c) रासायनिक स्वच्छता + हायड्रोजन प्लाझ्मा उपचार + 1300℃ हायड्रोजन उष्णता उपचार 30 मिनिटांसाठी
Si वर GaN एपिटॅक्सी
सिलिकॉन कार्बाइड, नीलम आणि इतर सब्सट्रेट्सच्या तुलनेत, सिलिकॉन सब्सट्रेट तयार करण्याची प्रक्रिया परिपक्व आहे आणि ती उच्च किमतीच्या कामगिरीसह परिपक्व मोठ्या आकाराचे सब्सट्रेट्स स्थिरपणे प्रदान करू शकते. त्याच वेळी, थर्मल चालकता आणि विद्युत चालकता चांगली आहे आणि Si इलेक्ट्रॉनिक उपकरण प्रक्रिया परिपक्व आहे. भविष्यात ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक GaN उपकरणे Si इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांसह पूर्णपणे एकत्रित करण्याची शक्यता देखील सिलिकॉनवरील GaN एपिटॅक्सीची वाढ खूप आकर्षक बनवते.
तथापि, Si सब्सट्रेट आणि GaN मटेरियलमधील जाळी स्थिरांकांमधील मोठ्या फरकामुळे, Si सब्सट्रेटवरील GaN ची विषम एपिटॅक्सि ही एक सामान्य मोठी विसंगती एपिटॅक्सि आहे आणि त्याला अनेक समस्यांना तोंड द्यावे लागते:
✔ पृष्ठभागाच्या इंटरफेस ऊर्जेची समस्या. जेव्हा GaN Si सब्सट्रेटवर वाढतो, तेव्हा Si सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावर प्रथम नायट्राइड केले जाते ज्यामुळे एक आकारहीन सिलिकॉन नायट्राइड थर तयार होतो जो उच्च-घनता GaN च्या केंद्रकीकरण आणि वाढीस अनुकूल नाही. याव्यतिरिक्त, Si पृष्ठभाग प्रथम Ga ला स्पर्श करेल, जो Si सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावर गंज करेल. उच्च तापमानात, Si पृष्ठभागाचे विघटन GaN एपिटॅक्सियल थरात पसरते ज्यामुळे काळे सिलिकॉन डाग तयार होतात.
✔ GaN आणि Si मधील जाळीचा स्थिरांक जुळत नाही तो मोठा आहे (~१७%), ज्यामुळे उच्च-घनता थ्रेडिंग डिस्लोकेशन तयार होतील आणि एपिटॅक्सियल लेयरची गुणवत्ता लक्षणीयरीत्या कमी होईल;
✔ Si च्या तुलनेत, GaN मध्ये जास्त थर्मल एक्सपेंशन कोएन्शियंट आहे (GaN चा थर्मल एक्सपेंशन कोएन्शियंट सुमारे 5.6×10-6K-1 आहे, Si चा थर्मल एक्सपेंशन कोएन्शियंट सुमारे 2.6×10-6K-1 आहे), आणि एपिटॅक्सियल तापमान खोलीच्या तापमानापर्यंत थंड करताना GaN एपिटॅक्सियल लेयरमध्ये क्रॅक निर्माण होऊ शकतात;
✔ Si उच्च तापमानात NH3 सोबत प्रतिक्रिया देऊन पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx तयार करते. AlN पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx वर प्राधान्याने केंद्रित केंद्रक तयार करू शकत नाही, ज्यामुळे नंतर वाढलेल्या GaN थराचे अनियमित अभिमुखता होते आणि मोठ्या प्रमाणात दोष निर्माण होतात, परिणामी GaN एपिटॅक्सियल थराची क्रिस्टल गुणवत्ता खराब होते आणि सिंगल-क्रिस्टलाइन GaN एपिटॅक्सियल थर तयार करण्यात देखील अडचण येते [6].
मोठ्या जाळीच्या विसंगतीची समस्या सोडवण्यासाठी, संशोधकांनी Si सब्सट्रेट्सवर बफर लेयर म्हणून AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO आणि SiC सारख्या पदार्थांचा परिचय करून देण्याचा प्रयत्न केला आहे. पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx ची निर्मिती टाळण्यासाठी आणि GaN/AlN/Si (111) पदार्थांच्या क्रिस्टल गुणवत्तेवर त्याचे प्रतिकूल परिणाम कमी करण्यासाठी, AlN बफर लेयरच्या एपिटॅक्सियल वाढीपूर्वी TMAl ला विशिष्ट कालावधीसाठी सादर करणे आवश्यक असते जेणेकरून NH3 ला उघड्या Si पृष्ठभागाशी प्रतिक्रिया देऊन SiNx तयार होण्यापासून रोखता येईल. याव्यतिरिक्त, पॅटर्न केलेले सब्सट्रेट तंत्रज्ञानासारख्या एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञानाचा वापर एपिटॅक्सियल लेयरची गुणवत्ता सुधारण्यासाठी केला जाऊ शकतो. या तंत्रज्ञानाचा विकास एपिटॅक्सियल इंटरफेसवर SiNx ची निर्मिती रोखण्यास, GaN एपिटॅक्सियल लेयरच्या द्विमितीय वाढीस प्रोत्साहन देण्यास आणि एपिटॅक्सियल लेयरच्या वाढीची गुणवत्ता सुधारण्यास मदत करतो. याव्यतिरिक्त, सिलिकॉन सब्सट्रेटवरील GaN एपिटॅक्सियल लेयरमध्ये क्रॅक टाळण्यासाठी थर्मल एक्सपेंशन कोएन्सेंटमधील फरकामुळे होणाऱ्या टेन्सिल स्ट्रेसची भरपाई करण्यासाठी AlN बफर लेयर सादर केला जातो. क्रोस्टच्या संशोधनातून असे दिसून आले आहे की AlN बफर लेयरची जाडी आणि स्ट्रेन कमी होणे यांच्यात सकारात्मक संबंध आहे. जेव्हा बफर लेयरची जाडी 12nm पर्यंत पोहोचते, तेव्हा 6μm पेक्षा जाड एपिटॅक्सियल लेयर क्रॅक न होता सिलिकॉन सब्सट्रेटवर योग्य वाढीच्या योजनेद्वारे वाढवता येते.
संशोधकांच्या दीर्घकालीन प्रयत्नांनंतर, सिलिकॉन सब्सट्रेट्सवर वाढवलेल्या GaN एपिटॅक्सियल थरांची गुणवत्ता लक्षणीयरीत्या सुधारली आहे आणि फील्ड इफेक्ट ट्रान्झिस्टर, स्कॉटकी बॅरियर अल्ट्राव्हायोलेट डिटेक्टर, ब्लू-ग्रीन एलईडी आणि अल्ट्राव्हायोलेट लेसर सारख्या उपकरणांनी लक्षणीय प्रगती केली आहे.
थोडक्यात, सामान्यतः वापरले जाणारे GaN एपिटॅक्सियल सब्सट्रेट्स सर्व विषम एपिटॅक्सि असल्याने, त्यांना सर्व सामान्य समस्यांना तोंड द्यावे लागते जसे की जाळी जुळत नाही आणि थर्मल एक्सपेंशन कोएन्शियंटमध्ये वेगवेगळ्या प्रमाणात मोठे फरक. एकसंध एपिटॅक्सियल GaN सब्सट्रेट्स तंत्रज्ञानाच्या परिपक्वतेमुळे मर्यादित आहेत आणि सब्सट्रेट्स अद्याप मोठ्या प्रमाणात उत्पादित केलेले नाहीत. उत्पादन खर्च जास्त आहे, सब्सट्रेटचा आकार लहान आहे आणि सब्सट्रेटची गुणवत्ता आदर्श नाही. नवीन GaN एपिटॅक्सियल सब्सट्रेट्सचा विकास आणि एपिटॅक्सियल गुणवत्तेत सुधारणा हे अजूनही GaN एपिटॅक्सियल उद्योगाच्या पुढील विकासाला प्रतिबंधित करणारे महत्त्वाचे घटक आहेत.
IV. GaN एपिटॅक्सीसाठी सामान्य पद्धती
MOCVD (रासायनिक वाष्प निक्षेपण)
असे दिसते की GaN सब्सट्रेट्सवरील एकसंध एपिटॅक्सी हा GaN एपिटॅक्सीसाठी सर्वोत्तम पर्याय आहे. तथापि, रासायनिक वाष्प निक्षेपणाचे पूर्वसूचक ट्रायमेथिलगॅलियम आणि अमोनिया असल्याने आणि वाहक वायू हायड्रोजन असल्याने, सामान्य MOCVD वाढीचे तापमान सुमारे 1000-1100℃ असते आणि MOCVD चा वाढीचा दर प्रति तास काही मायक्रॉन असतो. ते अणु पातळीवर तीव्र इंटरफेस तयार करू शकते, जे हेटेरोजंक्शन, क्वांटम विहिरी, सुपरलॅटिस आणि इतर संरचना वाढविण्यासाठी खूप योग्य आहे. त्याचा जलद वाढीचा दर, चांगली एकरूपता आणि मोठ्या-क्षेत्र आणि बहु-पीस वाढीसाठी उपयुक्तता बहुतेकदा औद्योगिक उत्पादनात वापरली जाते.
एमबीई (आण्विक किरण एपिटॅक्सी)
आण्विक बीम एपिटॅक्सीमध्ये, Ga एका मूलभूत स्रोताचा वापर करते आणि RF प्लाझ्माद्वारे नायट्रोजनमधून सक्रिय नायट्रोजन मिळवले जाते. MOCVD पद्धतीच्या तुलनेत, MBE वाढीचे तापमान सुमारे 350-400℃ कमी असते. कमी वाढीचे तापमान उच्च तापमानाच्या वातावरणामुळे होणारे काही प्रदूषण टाळू शकते. MBE प्रणाली अल्ट्रा-हाय व्हॅक्यूम अंतर्गत कार्य करते, ज्यामुळे ती अधिक इन-सीटू शोध पद्धती एकत्रित करू शकते. त्याच वेळी, त्याचा वाढीचा दर आणि उत्पादन क्षमता MOCVD शी तुलना करता येत नाही आणि वैज्ञानिक संशोधनात त्याचा अधिक वापर केला जातो [7].
आकृती 5 (a) Eiko-MBE योजनाबद्ध (b) MBE मुख्य प्रतिक्रिया कक्ष योजनाबद्ध
एचव्हीपीई पद्धत (हायड्राइड व्हेपर फेज एपिटॅक्सी)
हायड्राइड व्हेपर फेज एपिटॅक्सि पद्धतीचे पूर्वसूचक म्हणजे GaCl3 आणि NH3. डेचप्रोम इत्यादींनी नीलमणी सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावर शेकडो मायक्रॉन जाडीचा GaN एपिटॅक्सियल थर वाढवण्यासाठी या पद्धतीचा वापर केला. त्यांच्या प्रयोगात, नीलमणी सब्सट्रेट आणि एपिटॅक्सियल थर यांच्यामध्ये बफर लेयर म्हणून ZnO चा एक थर वाढवला गेला आणि सब्सट्रेट पृष्ठभागावरून एपिटॅक्सियल थर सोलून काढला गेला. MOCVD आणि MBE च्या तुलनेत, HVPE पद्धतीचे मुख्य वैशिष्ट्य म्हणजे त्याचा उच्च वाढीचा दर, जो जाड थर आणि मोठ्या प्रमाणात पदार्थांच्या उत्पादनासाठी योग्य आहे. तथापि, जेव्हा एपिटॅक्सियल थराची जाडी 20μm पेक्षा जास्त असते, तेव्हा या पद्धतीने तयार होणारा एपिटॅक्सियल थर क्रॅक होण्याची शक्यता असते.
अकिरा USUI ने या पद्धतीवर आधारित नक्षीदार सब्सट्रेट तंत्रज्ञान सादर केले. त्यांनी प्रथम MOCVD पद्धतीचा वापर करून नीलमणी सब्सट्रेटवर पातळ 1-1.5μm जाडीचा GaN एपिटॅक्सियल थर वाढवला. एपिटॅक्सियल थरात कमी तापमानाच्या परिस्थितीत वाढवलेला 20nm जाडीचा GaN बफर थर आणि उच्च तापमानाच्या परिस्थितीत वाढवलेला GaN थर होता. त्यानंतर, 430℃ वर, एपिटॅक्सियल थराच्या पृष्ठभागावर SiO2 चा थर प्लेट केला गेला आणि फोटोलिथोग्राफीद्वारे SiO2 फिल्मवर खिडक्यांचे पट्टे बनवले गेले. पट्ट्यांमधील अंतर 7μm होते आणि मास्कची रुंदी 1μm ते 4μm पर्यंत होती. या सुधारणानंतर, त्यांना 2-इंच व्यासाच्या नीलमणी सब्सट्रेटवर GaN एपिटॅक्सियल थर मिळाला जो क्रॅक-मुक्त होता आणि जाडी दहापट किंवा शेकडो मायक्रॉनपर्यंत वाढली तरीही आरशासारखा गुळगुळीत होता. पारंपारिक HVPE पद्धतीच्या 109-1010cm-2 वरून दोष घनता सुमारे 6×107cm-2 पर्यंत कमी करण्यात आली. त्यांनी प्रयोगात असेही निदर्शनास आणून दिले की जेव्हा वाढीचा दर ७५μm/तास पेक्षा जास्त होतो तेव्हा नमुना पृष्ठभाग खडबडीत होतो [8].
आकृती 6 ग्राफिकल सब्सट्रेट स्कीमॅटिक
व्ही. सारांश आणि दृष्टिकोन
२०१४ मध्ये जेव्हा निळ्या प्रकाशाच्या एलईडीला भौतिकशास्त्रात नोबेल पारितोषिक मिळाले तेव्हा GaN मटेरियल उदयास येऊ लागले आणि ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स क्षेत्रात जलद चार्जिंग अनुप्रयोगांच्या सार्वजनिक क्षेत्रात प्रवेश केला. खरं तर, 5G बेस स्टेशनमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या पॉवर अॅम्प्लिफायर्स आणि RF डिव्हाइसेसमधील अनुप्रयोग जे बहुतेक लोक पाहू शकत नाहीत ते देखील शांतपणे उदयास आले आहेत. अलिकडच्या वर्षांत, GaN-आधारित ऑटोमोटिव्ह-ग्रेड पॉवर डिव्हाइसेसच्या प्रगतीमुळे GaN मटेरियल अनुप्रयोग बाजारपेठेसाठी नवीन वाढीचे बिंदू उघडण्याची अपेक्षा आहे.
बाजारपेठेतील प्रचंड मागणी निश्चितच GaN-संबंधित उद्योग आणि तंत्रज्ञानाच्या विकासाला चालना देईल. GaN-संबंधित औद्योगिक साखळीच्या परिपक्वता आणि सुधारणांसह, सध्याच्या GaN एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञानासमोरील समस्या अखेर सुधारल्या जातील किंवा दूर केल्या जातील. भविष्यात, लोक निश्चितच अधिक नवीन एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञान आणि अधिक उत्कृष्ट सब्सट्रेट पर्याय विकसित करतील. तोपर्यंत, लोक अनुप्रयोग परिस्थितीच्या वैशिष्ट्यांनुसार वेगवेगळ्या अनुप्रयोग परिस्थितींसाठी सर्वात योग्य बाह्य संशोधन तंत्रज्ञान आणि सब्सट्रेट निवडण्यास सक्षम असतील आणि सर्वात स्पर्धात्मक सानुकूलित उत्पादने तयार करू शकतील.
पोस्ट वेळ: जून-२८-२०२४