१. तिसऱ्या पिढीचे सेमीकंडक्टर
पहिल्या पिढीचे सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञान हे Si आणि Ge सारख्या सेमीकंडक्टर पदार्थांवर आधारित विकसित केले गेले. हा ट्रान्झिस्टर आणि इंटिग्रेटेड सर्किट तंत्रज्ञानाच्या विकासाचा भौतिक आधार आहे. पहिल्या पिढीच्या सेमीकंडक्टर पदार्थांनी २० व्या शतकातील इलेक्ट्रॉनिक उद्योगाचा पाया घातला आणि ते इंटिग्रेटेड सर्किट तंत्रज्ञानासाठी मूलभूत घटक आहेत.
दुसऱ्या पिढीतील सेमीकंडक्टर पदार्थांमध्ये प्रामुख्याने गॅलियम आर्सेनाइड, इंडियम फॉस्फाइड, ॲल्युमिनियम आर्सेनाइड आणि त्यांच्या त्रिसंयुगी संयुगांचा समावेश होतो. दुसऱ्या पिढीतील सेमीकंडक्टर पदार्थ हे ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक माहिती उद्योगाचा पाया आहेत. याच आधारावर प्रकाशयोजना, डिस्प्ले, लेझर आणि फोटोव्होल्टाइक्स यांसारखे संबंधित उद्योग विकसित झाले आहेत. त्यांचा वापर आधुनिक माहिती तंत्रज्ञान आणि ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक डिस्प्ले उद्योगांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर केला जातो.
तिसऱ्या पिढीतील सेमीकंडक्टर पदार्थांच्या प्रतिनिधी सामग्रीमध्ये गॅलियम नायट्राइड आणि सिलिकॉन कार्बाइड यांचा समावेश होतो. त्यांच्या विस्तृत बँड गॅप, उच्च इलेक्ट्रॉन सॅचुरेशन ड्रिफ्ट वेलोसिटी, उच्च औष्णिक वाहकता आणि उच्च ब्रेकडाउन फील्ड स्ट्रेंथमुळे, ते उच्च-शक्ती घनता, उच्च-वारंवारता आणि कमी-नुकसानीची इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे तयार करण्यासाठी आदर्श सामग्री आहेत. त्यांपैकी, सिलिकॉन कार्बाइड पॉवर उपकरणांमध्ये उच्च ऊर्जा घनता, कमी ऊर्जा वापर आणि लहान आकार हे फायदे आहेत आणि नवीन ऊर्जा वाहने, फोटोव्होल्टाइक्स, रेल्वे वाहतूक, बिग डेटा आणि इतर क्षेत्रांमध्ये त्यांच्या वापराची व्यापक शक्यता आहे. गॅलियम नायट्राइड आरएफ उपकरणांमध्ये उच्च वारंवारता, उच्च शक्ती, विस्तृत बँडविड्थ, कमी ऊर्जा वापर आणि लहान आकार हे फायदे आहेत आणि 5G कम्युनिकेशन, इंटरनेट ऑफ थिंग्ज, लष्करी रडार आणि इतर क्षेत्रांमध्ये त्यांच्या वापराची व्यापक शक्यता आहे. याव्यतिरिक्त, गॅलियम नायट्राइड-आधारित पॉवर उपकरणे कमी-व्होल्टेज क्षेत्रात मोठ्या प्रमाणावर वापरली गेली आहेत. तसेच, अलिकडच्या वर्षांत, उदयोन्मुख गॅलियम ऑक्साईड सामग्री विद्यमान SiC आणि GaN तंत्रज्ञानासोबत तांत्रिक पूरकता निर्माण करेल अशी अपेक्षा आहे आणि कमी-वारंवारता आणि उच्च-व्होल्टेज क्षेत्रांमध्ये त्यांच्या वापराची संभाव्य शक्यता आहे.
दुसऱ्या पिढीतील सेमीकंडक्टर पदार्थांच्या तुलनेत, तिसऱ्या पिढीतील सेमीकंडक्टर पदार्थांमध्ये अधिक रुंद बँडगॅप रुंदी (पहिल्या पिढीतील सेमीकंडक्टर पदार्थांपैकी एक वैशिष्ट्यपूर्ण पदार्थ असलेल्या Si ची बँडगॅप रुंदी सुमारे 1.1eV आहे, दुसऱ्या पिढीतील सेमीकंडक्टर पदार्थांपैकी एक वैशिष्ट्यपूर्ण पदार्थ असलेल्या GaAs ची बँडगॅप रुंदी सुमारे 1.42eV आहे, आणि तिसऱ्या पिढीतील सेमीकंडक्टर पदार्थांपैकी एक वैशिष्ट्यपूर्ण पदार्थ असलेल्या GaN ची बँडगॅप रुंदी 2.3eV पेक्षा जास्त आहे), अधिक मजबूत रेडिएशन प्रतिरोध, इलेक्ट्रिक फील्ड ब्रेकडाउनला अधिक मजबूत प्रतिरोध आणि उच्च तापमान प्रतिरोध असतो. अधिक रुंद बँडगॅप रुंदी असलेले तिसऱ्या पिढीतील सेमीकंडक्टर पदार्थ विशेषतः रेडिएशन-प्रतिरोधक, उच्च-फ्रिक्वेन्सी, उच्च-शक्ती आणि उच्च-एकीकरण-घनता असलेल्या इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांच्या उत्पादनासाठी योग्य आहेत. मायक्रोवेव्ह रेडिओ फ्रिक्वेन्सी उपकरणे, एलईडी, लेझर, पॉवर उपकरणे आणि इतर क्षेत्रांमधील त्यांच्या उपयोगांनी खूप लक्ष वेधले आहे, आणि त्यांनी मोबाईल कम्युनिकेशन, स्मार्ट ग्रिड, रेल्वे ट्रान्झिट, नवीन ऊर्जा वाहने, ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स, आणि अल्ट्राव्हायोलेट आणि निळ्या-हिरव्या प्रकाशाच्या उपकरणांमध्ये [1] विकासाच्या व्यापक शक्यता दर्शविल्या आहेत.
प्रतिमा स्रोत: CASA, झेशंग सिक्युरिटीज रिसर्च इन्स्टिट्यूट
आकृती १ GaN पॉवर डिव्हाइसची कालमर्यादा आणि अंदाज
II GaN पदार्थाची संरचना आणि वैशिष्ट्ये
GaN हा एक डायरेक्ट बँडगॅप सेमीकंडक्टर आहे. सामान्य तापमानाला वुर्टझाइट संरचनेची बँडगॅप रुंदी सुमारे 3.26eV असते. GaN पदार्थांमध्ये तीन मुख्य क्रिस्टल संरचना असतात, म्हणजेच वुर्टझाइट संरचना, स्फॅलेराइट संरचना आणि रॉक सॉल्ट संरचना. त्यापैकी, वुर्टझाइट संरचना ही सर्वात स्थिर क्रिस्टल संरचना आहे. आकृती 2 ही GaN च्या षटकोनी वुर्टझाइट संरचनेचा आरेख आहे. GaN पदार्थाची वुर्टझाइट संरचना ही षटकोनी क्लोज-पॅक्ड संरचनेत मोडते. प्रत्येक युनिट सेलमध्ये 12 अणू असतात, ज्यात 6 N अणू आणि 6 Ga अणूंचा समावेश असतो. प्रत्येक Ga (N) अणू जवळच्या 4 N (Ga) अणूंशी बंध तयार करतो आणि [0001] दिशेने ABABAB… या क्रमाने रचलेला असतो [2].
आकृती २ वुर्टझाइट संरचनेचा GaN क्रिस्टल सेल आकृती
III GaN एपिटॅक्सीसाठी सामान्यतः वापरले जाणारे सब्सट्रेट्स
GaN एपिटॅक्सीसाठी GaN सबस्ट्रेट्सवर होमोजिनियस एपिटॅक्सी हा सर्वोत्तम पर्याय असल्याचे दिसते. तथापि, GaN च्या मोठ्या बॉन्ड एनर्जीमुळे, जेव्हा तापमान 2500℃ च्या वितळणबिंदूपर्यंत पोहोचते, तेव्हा त्याचा संबंधित विघटन दाब सुमारे 4.5GPa असतो. जेव्हा विघटन दाब या दाबापेक्षा कमी असतो, तेव्हा GaN वितळत नाही परंतु त्याचे थेट विघटन होते. यामुळे झोक्रालस्की पद्धतीसारखी प्रगत सबस्ट्रेट तयारी तंत्रज्ञान GaN सिंगल क्रिस्टल सबस्ट्रेट्सच्या तयारीसाठी अयोग्य ठरतात, ज्यामुळे GaN सबस्ट्रेट्सचे मोठ्या प्रमाणावर उत्पादन करणे कठीण आणि महाग होते. म्हणून, GaN एपिटॅक्सियल वाढीमध्ये सामान्यतः वापरले जाणारे सबस्ट्रेट्स प्रामुख्याने Si, SiC, नीलम (सफायर) इत्यादी आहेत [3].
तक्ता ३ GaN आणि सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या सबस्ट्रेट सामग्रीचे मापदंड
नीलमवर GaN एपिटॅक्सी
सफायरमध्ये स्थिर रासायनिक गुणधर्म आहेत, ते स्वस्त आहे आणि त्याच्या मोठ्या प्रमाणावरील उत्पादन उद्योगात उच्च परिपक्वता आहे. त्यामुळे, सेमीकंडक्टर उपकरण अभियांत्रिकीमध्ये ते सर्वात जुन्या आणि सर्वाधिक वापरल्या जाणाऱ्या सबस्ट्रेट सामग्रीपैकी एक बनले आहे. GaN एपिटॅक्सीसाठी सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या सबस्ट्रेटपैकी एक म्हणून, सफायर सबस्ट्रेटसाठी सोडवण्याची आवश्यकता असलेल्या मुख्य समस्या खालीलप्रमाणे आहेत:
✔ सफायर (Al2O3) आणि GaN यांच्यातील मोठ्या लॅटिस विसंगतीमुळे (सुमारे १५%), एपिटॅक्सियल थर आणि सब्सट्रेट यांच्यातील इंटरफेसवर दोषांची घनता खूप जास्त असते. त्याचे प्रतिकूल परिणाम कमी करण्यासाठी, एपिटॅक्सी प्रक्रिया सुरू होण्यापूर्वी सब्सट्रेटवर जटिल पूर्व-उपचार करणे आवश्यक आहे. सफायर सब्सट्रेटवर GaN एपिटॅक्सी वाढवण्यापूर्वी, सब्सट्रेटचा पृष्ठभाग प्रथम कठोरपणे स्वच्छ करणे आवश्यक आहे, जेणेकरून दूषित घटक, पॉलिशिंगमुळे झालेले नुकसान इत्यादी काढून टाकता येतील आणि पायऱ्या व पायऱ्यांसारखी पृष्ठभागीय रचना तयार करता येईल. त्यानंतर, एपिटॅक्सियल थराचे वेटिंग गुणधर्म बदलण्यासाठी सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावर नायट्राइड प्रक्रिया केली जाते. शेवटी, अंतिम एपिटॅक्सियल वाढीची तयारी करण्यासाठी सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावर एक पातळ AlN बफर थर (साधारणपणे १०-१००nm जाडीचा) जमा करणे आणि कमी तापमानावर ॲनील करणे आवश्यक असते. तरीही, सफायर सब्सट्रेटवर वाढवलेल्या GaN एपिटॅक्सियल फिल्म्समधील डिसलोकेशन घनता होमोएपिटॅक्सियल फिल्म्सपेक्षा जास्त आहे (सुमारे 1010cm-2, सिलिकॉन होमोएपिटॅक्सियल फिल्म्स किंवा गॅलियम आर्सेनाइड होमोएपिटॅक्सियल फिल्म्समधील जवळजवळ शून्य डिसलोकेशन घनतेच्या तुलनेत, किंवा 102 आणि 104cm-2 दरम्यान). उच्च दोष घनता वाहक गतिशीलता कमी करते, ज्यामुळे अल्पसंख्याक वाहकांचे आयुष्य कमी होते आणि औष्णिक चालकता कमी होते, या सर्वांमुळे डिव्हाइसची कार्यक्षमता कमी होईल [4];
✔ सफायरचा औष्णिक प्रसरण गुणांक GaN पेक्षा जास्त असतो, त्यामुळे निक्षेपण तापमानापासून खोलीच्या तापमानापर्यंत थंड होण्याच्या प्रक्रियेदरम्यान एपिटॅक्सियल थरात द्विअक्षीय संकुचित ताण निर्माण होतो. जाड एपिटॅक्सियल फिल्म्ससाठी, या ताणामुळे फिल्मला किंवा अगदी सबस्ट्रेटलाही तडे जाऊ शकतात;
✔ इतर सब्सट्रेट्सच्या तुलनेत, सफायर सब्सट्रेट्सची औष्णिक वाहकता कमी असते (100℃ वर सुमारे 0.25W*cm-1*K-1), आणि उष्णता विसर्जन क्षमता खराब असते;
✔ कमी चालकतेमुळे, सफायर सबस्ट्रेट्स इतर सेमीकंडक्टर उपकरणांसोबत त्यांच्या एकत्रीकरणासाठी आणि वापरासाठी अनुकूल नसतात.
जरी सफायर सब्सट्रेटवर वाढवलेल्या GaN एपिटॅक्सियल थरांमध्ये दोषांची घनता जास्त असली तरी, त्यामुळे GaN-आधारित निळ्या-हिरव्या LEDs च्या ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक कार्यक्षमतेत लक्षणीय घट होत नाही, म्हणून GaN-आधारित LEDs साठी सफायर सब्सट्रेट अजूनही सामान्यपणे वापरले जातात.
लेझर किंवा इतर उच्च-घनतेच्या ऊर्जा उपकरणांसारख्या GaN उपकरणांच्या अधिक नवीन उपयोगांच्या विकासामुळे, सफायर सब्सट्रेट्समधील अंगभूत दोष त्यांच्या वापरावर अधिकाधिक मर्यादा घालत आहेत. याव्यतिरिक्त, SiC सब्सट्रेट वाढ तंत्रज्ञानाचा विकास, खर्च कपात आणि Si सब्सट्रेट्सवरील GaN एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञानाच्या परिपक्वतेमुळे, सफायर सब्सट्रेट्सवर GaN एपिटॅक्सियल थर वाढवण्यावरील संशोधनात हळूहळू घट होण्याचा कल दिसून येत आहे.
SiC वर GaN एपिटॅक्सी
सफायरच्या तुलनेत, SiC सबस्ट्रेट्समध्ये (4H- आणि 6H-क्रिस्टल्स) GaN एपिटॅक्सियल लेयर्ससोबत कमी लॅटिस मिसमॅच (3.1%, जे [0001] ओरिएंटेड एपिटॅक्सियल फिल्म्सच्या समतुल्य आहे), उच्च औष्णिक वाहकता (सुमारे 3.8W*cm-1*K-1) इत्यादी वैशिष्ट्ये आहेत. याव्यतिरिक्त, SiC सबस्ट्रेट्सच्या वाहकतेमुळे सबस्ट्रेटच्या मागील बाजूस इलेक्ट्रिकल कॉन्टॅक्ट्स करणे देखील शक्य होते, ज्यामुळे डिव्हाइसची रचना सोपी होण्यास मदत होते. या फायद्यांमुळे अधिकाधिक संशोधक सिलिकॉन कार्बाइड सबस्ट्रेट्सवर GaN एपिटॅक्सीवर काम करण्यासाठी आकर्षित झाले आहेत.
तथापि, GaN एपिलेयर्स वाढवणे टाळण्यासाठी थेट SiC सबस्ट्रेट्सवर काम करण्यामध्ये देखील अनेक तोटे आहेत, ज्यामध्ये खालील गोष्टींचा समावेश आहे:
✔ SiC सबस्ट्रेट्सचा पृष्ठभागाचा खडबडीतपणा सफायर सबस्ट्रेट्सपेक्षा खूप जास्त असतो (सफायरचा खडबडीतपणा 0.1nm RMS, SiC चा खडबडीतपणा 1nm RMS), SiC सबस्ट्रेट्समध्ये उच्च कठीणपणा आणि खराब प्रक्रिया कार्यक्षमता असते, आणि हा खडबडीतपणा आणि अवशिष्ट पॉलिशिंग नुकसान हे GaN एपिलेयर्समधील दोषांच्या स्त्रोतांपैकी एक आहेत.
✔ SiC सबस्ट्रेट्सची स्क्रू डिसलोकेशन घनता जास्त असते (डिसलोकेशन घनता 103-104cm-2), स्क्रू डिसलोकेशन्स GaN एपिलेयरपर्यंत पसरू शकतात आणि डिव्हाइसची कार्यक्षमता कमी करू शकतात;
✔ सबस्ट्रेटच्या पृष्ठभागावरील अणूंच्या मांडणीमुळे GaN एपिलेयरमध्ये स्टॅकिंग फॉल्ट्स (BSFs) तयार होतात. SiC सबस्ट्रेटवरील एपिटॅक्सियल GaN साठी, सबस्ट्रेटवर अणूंच्या मांडणीचे अनेक संभाव्य क्रम असतात, ज्यामुळे त्यावरच्या एपिटॅक्सियल GaN थराच्या सुरुवातीच्या अणूंच्या रचनेचा क्रम विसंगत होतो, आणि त्यात स्टॅकिंग फॉल्ट्स होण्याची शक्यता असते. स्टॅकिंग फॉल्ट्स (SFs) c-अक्षाच्या दिशेने अंगभूत विद्युत क्षेत्रे निर्माण करतात, ज्यामुळे इन-प्लेन कॅरियर सेपरेशन डिव्हाइसेसच्या गळतीसारख्या समस्या उद्भवतात;
✔ SiC सबस्ट्रेटचा औष्णिक प्रसरण गुणांक AlN आणि GaN पेक्षा लहान असतो, ज्यामुळे थंड होण्याच्या प्रक्रियेदरम्यान एपिटॅक्सियल थर आणि सबस्ट्रेटमध्ये औष्णिक ताण जमा होतो. वॉल्टेराइट आणि ब्रँड यांनी त्यांच्या संशोधनाच्या निष्कर्षांवर आधारित असा अंदाज वर्तवला की पातळ, सुसंगतपणे ताणलेल्या AlN न्यूक्लिएशन थरांवर GaN एपिटॅक्सियल थर वाढवून ही समस्या कमी केली जाऊ शकते किंवा सोडवली जाऊ शकते;
✔ गॅलियम (Ga) अणूंच्या कमी ओलावा शोषण्याची समस्या. जेव्हा SiC पृष्ठभागावर थेट GaN एपिटॅक्सियल थर वाढवले जातात, तेव्हा दोन अणूंमधील कमी ओलावा शोषण्यामुळे, सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावर GaN ची 3D बेटांसारखी वाढ होण्याची शक्यता असते. GaN एपिटॅक्सीमध्ये एपिटॅक्सियल सामग्रीची गुणवत्ता सुधारण्यासाठी बफर थर वापरणे हा सर्वात सामान्यपणे वापरला जाणारा उपाय आहे. AlN किंवा AlxGa1-xN बफर थर वापरल्याने SiC पृष्ठभागाचे ओलावा शोषण्याचे प्रमाण प्रभावीपणे सुधारता येते आणि GaN एपिटॅक्सियल थराची वाढ द्विमितीय करता येते. याव्यतिरिक्त, ते ताण नियंत्रित करू शकते आणि सब्सट्रेटमधील दोष GaN एपिटॅक्सीपर्यंत पसरण्यापासून रोखू शकते;
✔ एसआयसी सबस्ट्रेट्स तयार करण्याचे तंत्रज्ञान अपरिपक्व आहे, सबस्ट्रेटची किंमत जास्त आहे, तसेच पुरवठादार कमी आणि पुरवठा कमी आहे.
टॉरेस आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांच्या संशोधनातून असे दिसून आले आहे की एपिटॅक्सीपूर्वी SiC सबस्ट्रेटला उच्च तापमानावर (1600°C) H2 ने एचिंग केल्यास सबस्ट्रेटच्या पृष्ठभागावर अधिक सुव्यवस्थित स्टेप स्ट्रक्चर तयार होऊ शकते, ज्यामुळे मूळ सबस्ट्रेटच्या पृष्ठभागावर थेट वाढवण्यापेक्षा उच्च दर्जाची AlN एपिटॅक्सियल फिल्म मिळते. झी आणि त्यांच्या टीमच्या संशोधनातून असेही दिसून आले आहे की सिलिकॉन कार्बाइड सबस्ट्रेटच्या एचिंग प्रीट्रीटमेंटमुळे GaN एपिटॅक्सियल लेयरच्या पृष्ठभागाची मॉर्फोलॉजी आणि क्रिस्टल गुणवत्ता लक्षणीयरीत्या सुधारू शकते. स्मिथ आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी असे शोधून काढले की सबस्ट्रेट/बफर लेयर आणि बफर लेयर/एपिटॅक्सियल लेयर इंटरफेसमधून उद्भवणारे थ्रेडिंग डिसलोकेशन्स हे सबस्ट्रेटच्या सपाटपणाशी संबंधित आहेत [5].
आकृती ४. वेगवेगळ्या पृष्ठभागीय उपचार स्थितींखाली 6H-SiC सबस्ट्रेट (0001) वर वाढवलेल्या GaN एपिटॅक्सियल लेयर नमुन्यांचे TEM मॉर्फोलॉजी (a) रासायनिक स्वच्छता; (b) रासायनिक स्वच्छता + हायड्रोजन प्लाझ्मा उपचार; (c) रासायनिक स्वच्छता + हायड्रोजन प्लाझ्मा उपचार + ३० मिनिटांसाठी १३००℃ हायड्रोजन उष्णता उपचार
Si वर GaN एपिटॅक्सी
सिलिकॉन कार्बाइड, सफायर आणि इतर सबस्ट्रेट्सच्या तुलनेत, सिलिकॉन सबस्ट्रेट तयार करण्याची प्रक्रिया अधिक परिपक्व आहे, आणि ती उच्च खर्च-कार्यक्षमतेसह मोठ्या आकाराचे परिपक्व सबस्ट्रेट्स स्थिरपणे पुरवू शकते. त्याच वेळी, त्याची औष्णिक वाहकता आणि विद्युत वाहकता चांगली असून, सिलिकॉन इलेक्ट्रॉनिक उपकरण प्रक्रिया देखील परिपक्व आहे. भविष्यात ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक GaN उपकरणांना सिलिकॉन इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांसोबत उत्तम प्रकारे एकत्रित करण्याच्या शक्यतेमुळे, सिलिकॉनवर GaN एपिटॅक्सीची वाढ करणे देखील खूप आकर्षक ठरते.
तथापि, Si सबस्ट्रेट आणि GaN मटेरियलमधील लॅटिस कॉन्स्टंट्समधील मोठ्या फरकामुळे, Si सबस्ट्रेटवर GaN ची हेटेरोजिनियस एपिटॅक्सी ही एक वैशिष्ट्यपूर्ण लार्ज मिसमॅच एपिटॅक्सी आहे, आणि तिला अनेक समस्यांनाही सामोरे जावे लागते:
✔ पृष्ठभागावरील आंतरपृष्ठ ऊर्जेची समस्या. जेव्हा Si सब्सट्रेटवर GaN वाढवले जाते, तेव्हा Si सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागाचे प्रथम नायट्राइड होऊन एक अनाकार सिलिकॉन नायट्राइड थर तयार होतो, जो उच्च-घनतेच्या GaN च्या केंद्रनिर्मिती आणि वाढीसाठी अनुकूल नसतो. याव्यतिरिक्त, Si पृष्ठभाग प्रथम Ga च्या संपर्कात येतो, ज्यामुळे Si सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागाचे क्षरण होते. उच्च तापमानात, Si पृष्ठभागाचे विघटन GaN एपिटॅक्सियल थरात पसरून ब्लॅक सिलिकॉन स्पॉट्स तयार करते.
✔ GaN आणि Si मधील लॅटिस कॉन्स्टंटमधील तफावत मोठी आहे (~17%), ज्यामुळे उच्च-घनतेच्या थ्रेडिंग डिसलोकेशन्सची निर्मिती होईल आणि एपिटॅक्सियल लेयरची गुणवत्ता लक्षणीयरीत्या कमी होईल;
✔ Si च्या तुलनेत, GaN चा औष्णिक प्रसरण गुणांक जास्त असतो (GaN चा औष्णिक प्रसरण गुणांक सुमारे 5.6×10-6K-1 आहे, तर Si चा औष्णिक प्रसरण गुणांक सुमारे 2.6×10-6K-1 आहे), आणि एपिटॅक्सियल तापमान खोलीच्या तापमानापर्यंत थंड होत असताना GaN एपिटॅक्सियल थरात तडे निर्माण होऊ शकतात;
✔ उच्च तापमानावर Si ची NH3 सोबत अभिक्रिया होऊन पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx तयार होते. AlN हे पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx वर प्राधान्याने अभिमुख केंद्रक तयार करू शकत नाही, ज्यामुळे नंतर वाढणाऱ्या GaN थराचे अव्यवस्थित अभिमुखता 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 लॅटिस मिसमॅचची समस्या सोडवण्यासाठी, संशोधकांनी Si सबस्ट्रेटवर बफर लेयर्स म्हणून AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO आणि SiC सारखे पदार्थ वापरण्याचा प्रयत्न केला आहे. पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx ची निर्मिती टाळण्यासाठी आणि GaN/AlN/Si (111) पदार्थांच्या क्रिस्टल गुणवत्तेवर होणारे त्याचे प्रतिकूल परिणाम कमी करण्यासाठी, AlN बफर लेयरच्या एपिटॅक्सियल वाढीपूर्वी ठराविक कालावधीसाठी TMAl वापरणे सामान्यतः आवश्यक असते, जेणेकरून NH3 ची उघड्या Si पृष्ठभागाशी अभिक्रिया होऊन SiNx तयार होण्यापासून रोखता येईल. याव्यतिरिक्त, एपिटॅक्सियल लेयरची गुणवत्ता सुधारण्यासाठी पॅटर्न्ड सबस्ट्रेट तंत्रज्ञानासारख्या एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञानाचा वापर केला जाऊ शकतो. या तंत्रज्ञानाच्या विकासामुळे एपिटॅक्सियल इंटरफेसवर SiNx ची निर्मिती रोखण्यास, GaN एपिटॅक्सियल लेयरच्या द्विमितीय वाढीस प्रोत्साहन देण्यास आणि एपिटॅक्सियल लेयरच्या वाढीची गुणवत्ता सुधारण्यास मदत होते. याव्यतिरिक्त, सिलिकॉन सबस्ट्रेटवरील GaN एपिटॅक्सियल लेयरमध्ये तडे जाणे टाळण्यासाठी, औष्णिक प्रसरण गुणांकांमधील फरकामुळे निर्माण होणाऱ्या ताणतणावाची भरपाई करण्याकरिता AlN बफर लेयर वापरला जातो. क्रोस्टच्या संशोधनातून असे दिसून येते की AlN बफर लेयरची जाडी आणि ताणातील घट यांच्यात सकारात्मक सहसंबंध आहे. जेव्हा बफर लेयरची जाडी 12nm पर्यंत पोहोचते, तेव्हा योग्य वाढ योजनेद्वारे सिलिकॉन सब्सट्रेटवर एपिटॅक्सियल लेयरला तडे न जाता 6μm पेक्षा जास्त जाडीचा एपिटॅक्सियल थर वाढवता येतो.
संशोधकांच्या दीर्घकालीन प्रयत्नांनंतर, सिलिकॉन सब्सट्रेटवर वाढवलेल्या GaN एपिटॅक्सियल थरांच्या गुणवत्तेत लक्षणीय सुधारणा झाली आहे आणि फील्ड इफेक्ट ट्रान्झिस्टर, शोटकी बॅरियर अल्ट्राव्हायोलेट डिटेक्टर, निळे-हिरवे एलईडी आणि अल्ट्राव्हायोलेट लेझर यांसारख्या उपकरणांमध्ये लक्षणीय प्रगती झाली आहे.
थोडक्यात सांगायचे झाल्यास, सामान्यतः वापरले जाणारे GaN एपिटॅक्सियल सबस्ट्रेट्स हे सर्व हेटेरोजिनियस एपिटॅक्सीचे असल्यामुळे, त्या सर्वांना कमी-अधिक प्रमाणात लॅटिस मिसमॅच आणि थर्मल एक्सपान्शन कोएफिशियंट्समधील मोठे फरक यांसारख्या सामान्य समस्यांना सामोरे जावे लागते. होमोजिनियस एपिटॅक्सियल GaN सबस्ट्रेट्स तंत्रज्ञानाच्या परिपक्वतेमुळे मर्यादित आहेत आणि त्यांचे अद्याप मोठ्या प्रमाणावर उत्पादन झालेले नाही. उत्पादन खर्च जास्त आहे, सबस्ट्रेटचा आकार लहान आहे आणि सबस्ट्रेटची गुणवत्ता आदर्श नाही. नवीन GaN एपिटॅक्सियल सबस्ट्रेट्सचा विकास आणि एपिटॅक्सियल गुणवत्तेतील सुधारणा हे अजूनही GaN एपिटॅक्सियल उद्योगाच्या पुढील विकासाला प्रतिबंधित करणाऱ्या महत्त्वाच्या घटकांपैकी एक आहेत.
IV. GaN एपिटॅक्सीसाठीच्या सामान्य पद्धती
एमओसीव्हीडी (रासायनिक बाष्प निक्षेपण)
GaN एपिटॅक्सीसाठी GaN सबस्ट्रेट्सवरील होमोजिनियस एपिटॅक्सी हा सर्वोत्तम पर्याय असल्याचे दिसते. तथापि, केमिकल व्हेपर डिपॉझिशनचे प्रीकर्सर्स ट्रायमिथाइलगॅलियम आणि अमोनिया असून, कॅरियर गॅस हायड्रोजन असल्यामुळे, MOCVD वाढीचे सामान्य तापमान सुमारे १०००-११००℃ असते आणि वाढीचा दर सुमारे काही मायक्रॉन प्रति तास असतो. यामुळे अणू पातळीवर तीव्र इंटरफेस तयार होऊ शकतात, जे हेटरोजंक्शन, क्वांटम वेल्स, सुपरलॅटिस आणि इतर संरचना वाढवण्यासाठी अत्यंत योग्य आहे. त्याचा जलद वाढीचा दर, चांगली एकसमानता आणि मोठ्या क्षेत्रावरील व अनेक भागांच्या वाढीसाठी असलेली उपयुक्तता यामुळे औद्योगिक उत्पादनात त्याचा वारंवार वापर केला जातो.
एमबीई (मॉलिक्युलर बीम एपिटॅक्सी)
मॉलिक्युलर बीम एपिटॅक्सीमध्ये, गॅलियम (Ga) एक मूलद्रव्यीय स्रोत म्हणून वापरला जातो आणि सक्रिय नायट्रोजन RF प्लाझ्माद्वारे नायट्रोजनपासून मिळवला जातो. MOCVD पद्धतीच्या तुलनेत, MBE वाढीचे तापमान सुमारे 350-400℃ कमी असते. कमी वाढीच्या तापमानामुळे उच्च तापमानाच्या वातावरणामुळे होणारे काही प्रदूषण टाळता येते. MBE प्रणाली अति-उच्च निर्वात स्थितीत कार्य करते, ज्यामुळे त्यात अधिक इन-सिटू शोध पद्धती एकत्रित करता येतात. त्याच वेळी, त्याचा वाढीचा दर आणि उत्पादन क्षमता MOCVD शी तुलना करता येत नाही आणि त्याचा वापर वैज्ञानिक संशोधनात अधिक केला जातो [7].
आकृती 5 (a) Eiko-MBE योजनाबद्ध (b) MBE मुख्य प्रतिक्रिया कक्ष योजनाबद्ध
एचव्हीपीई पद्धत (हायड्राइड व्हेपर फेज एपिटॅक्सी)
हायड्राइड व्हेपर फेज एपिटॅक्सी पद्धतीचे पूर्वगामी घटक GaCl3 आणि NH3 आहेत. डेट्चप्रोहम आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी सफायर सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावर शेकडो मायक्रॉन जाडीचा GaN एपिटॅक्सियल थर वाढवण्यासाठी या पद्धतीचा वापर केला. त्यांच्या प्रयोगात, सफायर सब्सट्रेट आणि एपिटॅक्सियल थर यांच्यामध्ये बफर थर म्हणून ZnO चा थर वाढवण्यात आला आणि एपिटॅक्सियल थर सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावरून सोलून काढण्यात आला. MOCVD आणि MBE च्या तुलनेत, HVPE पद्धतीचे मुख्य वैशिष्ट्य म्हणजे तिचा उच्च वाढीचा दर, जो जाड थर आणि स्थूल पदार्थांच्या उत्पादनासाठी योग्य आहे. तथापि, जेव्हा एपिटॅक्सियल थराची जाडी 20μm पेक्षा जास्त होते, तेव्हा या पद्धतीने तयार झालेल्या एपिटॅक्सियल थराला तडे जाण्याची शक्यता असते.
अकिरा उसुई यांनी या पद्धतीवर आधारित पॅटर्न्ड सबस्ट्रेट तंत्रज्ञान सादर केले. त्यांनी सर्वप्रथम MOCVD पद्धतीचा वापर करून सफायर सबस्ट्रेटवर १-१.५ मायक्रॉन जाडीचा एक पातळ GaN एपिटॅक्सियल थर वाढवला. या एपिटॅक्सियल थरामध्ये कमी तापमानाच्या परिस्थितीत वाढवलेला २० नॅनोमीटर जाडीचा GaN बफर थर आणि उच्च तापमानाच्या परिस्थितीत वाढवलेला एक GaN थर यांचा समावेश होता. त्यानंतर, ४३०°C तापमानावर, एपिटॅक्सियल थराच्या पृष्ठभागावर SiO2 चा एक थर चढवण्यात आला आणि फोटोलिथोग्राफीद्वारे SiO2 फिल्मवर विंडो स्ट्राइप्स तयार करण्यात आल्या. स्ट्राइप्समधील अंतर ७ मायक्रॉन होते आणि मास्कची रुंदी १ मायक्रॉन ते ४ मायक्रॉन पर्यंत होती. या सुधारणेनंतर, त्यांना २-इंच व्यासाच्या सफायर सबस्ट्रेटवर एक असा GaN एपिटॅक्सियल थर मिळाला, जो अनेक मायक्रॉन किंवा अगदी शेकडो मायक्रॉनपर्यंत जाडी वाढल्यावरही तडेविरहित आणि आरशासारखा गुळगुळीत होता. पारंपरिक HVPE पद्धतीच्या 109-1010cm-2 पासून दोष घनता सुमारे 6×107cm-2 पर्यंत कमी झाली. त्यांनी प्रयोगात असेही निदर्शनास आणले की जेव्हा वाढीचा दर 75μm/h पेक्षा जास्त होतो तेव्हा नमुन्याचा पृष्ठभाग खडबडीत होतो [8].
आकृती ६ सबस्ट्रेटचा आलेखी आराखडा
५. सारांश आणि दृष्टिकोन
२०१४ मध्ये जेव्हा निळ्या प्रकाशाच्या एलईडीला भौतिकशास्त्रातील नोबेल पारितोषिक मिळाले, तेव्हा GaN मटेरियल उदयास येऊ लागले आणि ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स क्षेत्रातील जलद चार्जिंगच्या अनुप्रयोगांमध्ये ते लोकांच्या परिचयात आले. खरे तर, ५जी बेस स्टेशनमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या पॉवर ॲम्प्लिफायर आणि आरएफ उपकरणांमधील त्याचे अनुप्रयोग, जे बहुतेक लोकांना दिसत नाहीत, ते देखील शांतपणे उदयास आले आहेत. अलिकडच्या वर्षांत, GaN-आधारित ऑटोमोटिव्ह-ग्रेड पॉवर उपकरणांमधील महत्त्वपूर्ण प्रगतीमुळे GaN मटेरियलच्या अनुप्रयोगांच्या बाजारपेठेसाठी विकासाचे नवीन मार्ग खुले होण्याची अपेक्षा आहे.
प्रचंड बाजारपेठेतील मागणीमुळे GaN-संबंधित उद्योग आणि तंत्रज्ञानाच्या विकासाला नक्कीच चालना मिळेल. GaN-संबंधित औद्योगिक साखळीच्या परिपक्वतेमुळे आणि सुधारणेमुळे, सध्याच्या GaN एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञानासमोरील समस्या अखेरीस सुधारल्या जातील किंवा त्यावर मात केली जाईल. भविष्यात, लोक नक्कीच अधिक नवीन एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञान आणि अधिक उत्कृष्ट सबस्ट्रेट पर्याय विकसित करतील. तोपर्यंत, लोक अनुप्रयोगाच्या परिस्थितीच्या वैशिष्ट्यांनुसार, विविध अनुप्रयोग परिस्थितींसाठी सर्वात योग्य बाह्य संशोधन तंत्रज्ञान आणि सबस्ट्रेट निवडू शकतील आणि सर्वात स्पर्धात्मक सानुकूलित उत्पादने तयार करू शकतील.
पोस्ट करण्याची वेळ: २८ जून २०२४