1. Semikondutturi tat-tielet ġenerazzjoni
L-ewwel ġenerazzjoni tat-teknoloġija tas-semikondutturi ġiet żviluppata bbażata fuq materjali semikondutturi bħas-Si u l-Ge. Hija l-bażi materjali għall-iżvilupp tat-transistors u t-teknoloġija taċ-ċirkwiti integrati. Il-materjali semikondutturi tal-ewwel ġenerazzjoni poġġew il-pedament għall-industrija elettronika fis-seklu 20 u huma l-materjali bażiċi għat-teknoloġija taċ-ċirkwiti integrati.
Il-materjali semikondutturi tat-tieni ġenerazzjoni jinkludu prinċipalment arsenur tal-gallju, fosfid tal-indju, fosfid tal-gallju, arsenur tal-indju, arsenur tal-aluminju u l-komposti ternarji tagħhom. Il-materjali semikondutturi tat-tieni ġenerazzjoni huma l-pedament tal-industrija tal-informazzjoni optoelettronika. Fuq din il-bażi, ġew żviluppati industriji relatati bħad-dawl, il-wiri, il-lejżer, u l-fotovoltajċi. Dawn jintużaw ħafna fl-industriji kontemporanji tat-teknoloġija tal-informazzjoni u l-wiri optoelettroniċi.
Materjali rappreżentattivi tal-materjali semikondutturi tat-tielet ġenerazzjoni jinkludu n-nitrid tal-gallju u l-karbur tas-silikon. Minħabba l-medda wiesgħa tagħhom, il-veloċità għolja tad-drift tas-saturazzjoni tal-elettroni, il-konduttività termali għolja, u s-saħħa għolja tal-kamp tat-tkissir, huma materjali ideali għat-tħejjija ta' apparati elettroniċi b'densità ta' enerġija għolja, frekwenza għolja, u telf baxx. Fost dawn, l-apparati tal-enerġija tal-karbur tas-silikon għandhom il-vantaġġi ta' densità għolja ta' enerġija, konsum baxx ta' enerġija, u daqs żgħir, u għandhom prospetti wesgħin ta' applikazzjoni f'vetturi tal-enerġija ġodda, fotovoltajċi, trasport ferrovjarju, dejta kbira, u oqsma oħra. L-apparati RF tan-nitrid tal-gallju għandhom il-vantaġġi ta' frekwenza għolja, qawwa għolja, bandwidth wiesgħa, konsum baxx ta' enerġija u daqs żgħir, u għandhom prospetti wesgħin ta' applikazzjoni f'komunikazzjonijiet 5G, l-Internet tal-Oġġetti, radar militari u oqsma oħra. Barra minn hekk, apparati tal-enerġija bbażati fuq in-nitrid tal-gallju ntużaw ħafna fil-qasam ta' vultaġġ baxx. Barra minn hekk, f'dawn l-aħħar snin, il-materjali emerġenti tal-ossidu tal-gallju huma mistennija li jiffurmaw komplementarjetà teknika mat-teknoloġiji eżistenti tas-SiC u l-GaN, u għandhom prospetti potenzjali ta' applikazzjoni fl-oqsma ta' frekwenza baxxa u vultaġġ għoli.
Meta mqabbla mal-materjali semikondutturi tat-tieni ġenerazzjoni, il-materjali semikondutturi tat-tielet ġenerazzjoni għandhom wisa' usa' tal-bandgap (il-wisa' tal-bandgap tas-Si, materjal tipiku tal-materjal semikonduttur tal-ewwel ġenerazzjoni, hija madwar 1.1eV, il-wisa' tal-bandgap tal-GaAs, materjal tipiku tal-materjal semikonduttur tat-tieni ġenerazzjoni, hija madwar 1.42eV, u l-wisa' tal-bandgap tal-GaN, materjal tipiku tal-materjal semikonduttur tat-tielet ġenerazzjoni, hija 'l fuq minn 2.3eV), reżistenza aktar b'saħħitha għar-radjazzjoni, reżistenza aktar b'saħħitha għat-tkissir tal-kamp elettriku, u reżistenza ogħla għat-temperatura. Il-materjali semikondutturi tat-tielet ġenerazzjoni b'wisa' usa' tal-bandgap huma partikolarment adattati għall-produzzjoni ta' apparati elettroniċi reżistenti għar-radjazzjoni, ta' frekwenza għolja, qawwa għolja u densità għolja ta' integrazzjoni. L-applikazzjonijiet tagħhom f'apparati ta' frekwenza tar-radju microwave, LEDs, lejżers, apparati tal-enerġija u oqsma oħra ġibdu ħafna attenzjoni, u wrew prospetti wesgħin ta' żvilupp fil-komunikazzjonijiet mobbli, grids intelliġenti, trasport ferrovjarju, vetturi tal-enerġija ġodda, elettronika għall-konsumatur, u apparati tad-dawl ultravjola u blu-aħdar [1].
Sors tal-immaġni: CASA, Zheshang Securities Research Institute
Figura 1 Skala ta' żmien u tbassir tal-apparat tal-enerġija GaN
Struttura u karatteristiċi tal-materjal GaN II
GaN huwa semikonduttur b'bandgap dirett. Il-wisa' tal-bandgap tal-istruttura wurtzite f'temperatura tal-kamra hija ta' madwar 3.26eV. Il-materjali GaN għandhom tliet strutturi kristallini ewlenin, jiġifieri l-istruttura wurtzite, l-istruttura sfalerite u l-istruttura tal-melħ tal-blat. Fost dawn, l-istruttura wurtzite hija l-istruttura kristallina l-aktar stabbli. Il-Figura 2 hija dijagramma tal-istruttura eżagonali wurtzite ta' GaN. L-istruttura wurtzite tal-materjal GaN tappartjeni għal struttura eżagonali ppakkjata mill-qrib. Kull ċellula unitarja għandha 12-il atomu, inklużi 6 atomi N u 6 atomi Ga. Kull atomu Ga (N) jifforma rabta mal-4 atomi N (Ga) l-eqreb u huwa f'munzelli fl-ordni ta' ABABAB... tul id-direzzjoni [0001] [2].
Figura 2 Dijagramma taċ-ċellula tal-kristall GaN tal-istruttura tal-Wurtzite
III Sottostrati użati b'mod komuni għall-epitassija tal-GaN
Jidher li l-epitassija omoġenja fuq sottostrati GaN hija l-aħjar għażla għall-epitassija GaN. Madankollu, minħabba l-enerġija kbira tal-bond tal-GaN, meta t-temperatura tilħaq il-punt tat-tidwib ta' 2500℃, il-pressjoni tad-dekompożizzjoni korrispondenti tagħha hija ta' madwar 4.5GPa. Meta l-pressjoni tad-dekompożizzjoni tkun aktar baxxa minn din il-pressjoni, il-GaN ma jdubx iżda jiddekomponi direttament. Dan jagħmel it-teknoloġiji maturi tal-preparazzjoni tas-sottostrati bħall-metodu Czochralski mhux adattati għall-preparazzjoni ta' sottostrati ta' kristall wieħed GaN, u b'hekk is-sottostrati GaN huma diffiċli biex jiġu prodotti bil-massa u għaljin. Għalhekk, is-sottostrati użati komunement fit-tkabbir epitassjali tal-GaN huma prinċipalment Si, SiC, żaffir, eċċ. [3].
Ċart 3 GaN u parametri ta' materjali ta' sottostrat użati b'mod komuni
Epitassija GaN fuq żaffir
Iż-żaffir għandu proprjetajiet kimiċi stabbli, huwa rħis, u għandu maturità għolja fl-industrija tal-produzzjoni fuq skala kbira. Għalhekk, sar wieħed mill-aktar materjali ta' sottostrat bikrija u użati ħafna fl-inġinerija ta' apparati semikondutturi. Bħala wieħed mis-sottostrati komunement użati għall-epitassija GaN, il-problemi ewlenin li jeħtieġ li jiġu solvuti għas-sottostrati taż-żaffir huma:
✔ Minħabba d-diskrepanza kbira fil-kannizzata bejn iż-żaffir (Al2O3) u l-GaN (madwar 15%), id-densità tad-difetti fl-interfaċċja bejn is-saff epitassjali u s-sottostrat hija għolja ħafna. Sabiex jitnaqqsu l-effetti avversi tiegħu, is-sottostrat irid ikun soġġett għal trattament minn qabel kumpless qabel ma jibda l-proċess tal-epitassija. Qabel ma tikber l-epitassija tal-GaN fuq sottostrati taż-żaffir, il-wiċċ tas-sottostrat l-ewwel irid jitnaddaf b'mod strett biex jitneħħew il-kontaminanti, il-ħsara residwa tal-lostru, eċċ., u biex jiġu prodotti turġien u strutturi tal-wiċċ tat-turġien. Imbagħad, il-wiċċ tas-sottostrat jiġi nitridat biex jinbidlu l-proprjetajiet tat-tixrib tas-saff epitassjali. Fl-aħħarnett, saff irqiq ta' lqugħ tal-AlN (ġeneralment ħoxnin 10-100nm) jeħtieġ li jiġi depożitat fuq il-wiċċ tas-sottostrat u ttemprat f'temperatura baxxa biex jipprepara għat-tkabbir epitassjali finali. Anke hekk, id-densità tad-dislokazzjoni fil-films epitassjali GaN imkabbra fuq sottostrati taż-żaffir għadha ogħla minn dik tal-films omoepitassiali (madwar 1010cm-2, meta mqabbla ma' densità ta' dislokazzjoni essenzjalment żero f'films omoepitassiali tas-silikon jew films omoepitassiali tal-arseniur tal-gallju, jew bejn 102 u 104cm-2). Id-densità ogħla tad-difetti tnaqqas il-mobilità tat-trasportaturi, u b'hekk tqassar il-ħajja tat-trasportaturi minoritarji u tnaqqas il-konduttività termali, li kollha jnaqqsu l-prestazzjoni tal-apparat [4];
✔ Il-koeffiċjent tal-espansjoni termali taż-żaffir huwa akbar minn dak tal-GaN, għalhekk stress kompressiv bijassjali se jiġi ġġenerat fis-saff epitassjali matul il-proċess tat-tkessiħ mit-temperatura tad-depożizzjoni għat-temperatura tal-kamra. Għal films epitassjali eħxen, dan l-istress jista' jikkawża qsim tal-film jew saħansitra tas-sottostrat;
✔ Meta mqabbla ma' sottostrati oħra, il-konduttività termali tas-sottostrati taż-żaffir hija aktar baxxa (madwar 0.25W*cm-1*K-1 f'100℃), u l-prestazzjoni tad-dissipazzjoni tas-sħana hija fqira;
✔ Minħabba l-konduttività fqira tiegħu, is-sottostrati taż-żaffir mhumiex favorevoli għall-integrazzjoni u l-applikazzjoni tagħhom ma' apparati semikondutturi oħra.
Għalkemm id-densità tad-difetti tas-saffi epitassjali GaN imkabbra fuq sottostrati taż-żaffir hija għolja, ma jidhirx li tnaqqas b'mod sinifikanti l-prestazzjoni optoelettronika tal-LEDs blu-aħdar ibbażati fuq GaN, għalhekk is-sottostrati taż-żaffir għadhom sottostrati komunement użati għal LEDs ibbażati fuq GaN.
Bl-iżvilupp ta' aktar applikazzjonijiet ġodda ta' apparati GaN bħal lejżers jew apparati oħra ta' enerġija ta' densità għolja, id-difetti inerenti tas-sottostrati taż-żaffir saru dejjem aktar limitazzjoni fuq l-applikazzjoni tagħhom. Barra minn hekk, bl-iżvilupp tat-teknoloġija tat-tkabbir tas-sottostrat SiC, it-tnaqqis fl-ispejjeż u l-maturità tat-teknoloġija epitassjali GaN fuq sottostrati Si, aktar riċerka dwar it-tkabbir tas-saffi epitassjali GaN fuq sottostrati taż-żaffir uriet gradwalment xejra ta' tkessiħ.
Epitassija GaN fuq SiC
Meta mqabbla mas-saffir, is-sottostrati tas-SiC (kristalli 4H u 6H) għandhom diskrepanza iżgħar fil-kannizzata mas-saffi epitassjali tal-GaN (3.1%, ekwivalenti għal films epitassjali orjentati lejn [0001]), konduttività termali ogħla (madwar 3.8W*cm-1*K-1), eċċ. Barra minn hekk, il-konduttività tas-sottostrati tas-SiC tippermetti wkoll li jsiru kuntatti elettriċi fuq wara tas-sottostrat, li jgħin biex jissimplifika l-istruttura tal-apparat. L-eżistenza ta' dawn il-vantaġġi ġibdet aktar u aktar riċerkaturi biex jaħdmu fuq l-epitassija tal-GaN fuq sottostrati tal-karbur tas-silikon.
Madankollu, ix-xogħol dirett fuq sottostrati tas-SiC biex jiġi evitat it-tkabbir ta' epilayers tal-GaN jiffaċċja wkoll serje ta' żvantaġġi, inklużi dawn li ġejjin:
✔ Il-ħruxija tal-wiċċ tas-sottostrati tas-SiC hija ħafna ogħla minn dik tas-sottostrati taż-żaffir (ħruxija taż-żaffir 0.1nm RMS, ħruxija tas-SiC 1nm RMS), is-sottostrati tas-SiC għandhom ebusija għolja u prestazzjoni fqira tal-ipproċessar, u din il-ħruxija u l-ħsara residwa tal-lostru huma wkoll wieħed mis-sorsi ta' difetti fl-epilayers tal-GaN.
✔ Id-densità tad-dislokazzjoni tal-viti tas-sottostrati tas-SiC hija għolja (densità tad-dislokazzjoni 103-104cm-2), id-dislokazzjonijiet tal-viti jistgħu jippropagaw għall-epilaff tal-GaN u jnaqqsu l-prestazzjoni tal-apparat;
✔ L-arranġament atomiku fuq il-wiċċ tas-sottostrat jikkaġuna l-formazzjoni ta' difetti ta' stivar (BSFs) fl-epilaff GaN. Għal GaN epitassjali fuq sottostrati SiC, hemm diversi ordnijiet possibbli ta' arranġament atomiku fuq is-sottostrat, li jirriżultaw f'ordni inizjali inkonsistenti ta' stivar atomiku tas-saff epitassjali GaN fuqu, li huwa suxxettibbli għal difetti ta' stivar. Il-ħsarat ta' stivar (SFs) jintroduċu kampi elettriċi integrati tul l-assi c, li jwasslu għal problemi bħal tnixxija ta' apparati ta' separazzjoni tat-trasportaturi fil-pjan;
✔ Il-koeffiċjent tal-espansjoni termali tas-sottostrat SiC huwa iżgħar minn dak tal-AlN u l-GaN, li jikkawża akkumulazzjoni ta' stress termali bejn is-saff epitassjali u s-sottostrat matul il-proċess tat-tkessiħ. Waltereit u Brand bassru, abbażi tar-riżultati tar-riċerka tagħhom, li din il-problema tista' tittaffa jew tiġi solvuta billi jitkabbru saffi epitassjali GaN fuq saffi ta' nukleazzjoni AlN irqaq u mġiegħla b'mod koerenti;
✔ Il-problema tal-imxarrab fqir tal-atomi Ga. Meta jitkabbru saffi epitassjali GaN direttament fuq il-wiċċ SiC, minħabba l-imxarrab fqir bejn iż-żewġ atomi, GaN huwa suxxettibbli għal tkabbir ta' gżejjer 3D fuq il-wiċċ tas-sottostrat. L-introduzzjoni ta' saff buffer hija l-aktar soluzzjoni użata komunement biex tittejjeb il-kwalità tal-materjali epitassjali fl-epitassija GaN. L-introduzzjoni ta' saff buffer AlN jew AlxGa1-xN tista' ttejjeb b'mod effettiv l-imxarrab tal-wiċċ SiC u tagħmel is-saff epitassjali GaN jikber f'żewġ dimensjonijiet. Barra minn hekk, jista' wkoll jirregola l-istress u jipprevjeni difetti tas-sottostrat milli jestendu għall-epitassija GaN;
✔ It-teknoloġija tal-preparazzjoni tas-sottostrati tas-SiC mhix immatura, l-ispiża tas-sottostrat hija għolja, u hemm ftit fornituri u ftit provvista.
Ir-riċerka ta' Torres et al. turi li l-inċiżjoni tas-sottostrat SiC bl-H2 f'temperatura għolja (1600°C) qabel l-epitassija tista' tipproduċi struttura ta' pass pass aktar ordnata fuq il-wiċċ tas-sottostrat, u b'hekk tikseb film epitassjali tal-AlN ta' kwalità ogħla milli meta jitkabbar direttament fuq il-wiċċ oriġinali tas-sottostrat. Ir-riċerka ta' Xie u t-tim tiegħu turi wkoll li t-trattament minn qabel tal-inċiżjoni tas-sottostrat tal-karbur tas-silikon jista' jtejjeb b'mod sinifikanti l-morfoloġija tal-wiċċ u l-kwalità tal-kristall tas-saff epitassjali tal-GaN. Smith et al. sabu li d-dislokazzjonijiet tal-ħjut li joriġinaw mill-interfaċċji tas-sottostrat/saff buffer u s-saff buffer/saff epitassjali huma relatati mal-flatness tas-sottostrat [5].
Figura 4 Morfoloġija TEM ta' kampjuni ta' saff epitassjali GaN imkabbra fuq sottostrat 6H-SiC (0001) taħt kundizzjonijiet differenti ta' trattament tal-wiċċ (a) tindif kimiku; (b) tindif kimiku + trattament bil-plażma tal-idroġenu; (ċ) tindif kimiku + trattament bil-plażma tal-idroġenu + trattament bis-sħana tal-idroġenu f'1300℃ għal 30 minuta
Epitassija tal-GaN fuq Si
Meta mqabbel mal-karbur tas-silikon, iż-żaffir u sottostrati oħra, il-proċess ta' preparazzjoni tas-sottostrat tas-silikon huwa matur, u jista' jipprovdi b'mod stabbli sottostrati maturi ta' daqs kbir bi prestazzjoni ta' spiża għolja. Fl-istess ħin, il-konduttività termali u l-konduttività elettrika huma tajbin, u l-proċess tal-apparat elettroniku tas-Si huwa matur. Il-possibbiltà li apparati optoelettroniċi GaN jiġu integrati perfettament ma' apparati elettroniċi tas-Si fil-futur tagħmel ukoll it-tkabbir tal-epitassija GaN fuq is-silikon attraenti ħafna.
Madankollu, minħabba d-differenza kbira fil-kostanti tal-kannizzata bejn is-sottostrat tas-Si u l-materjal tal-GaN, l-epitassija eteroġenja tal-GaN fuq is-sottostrat tas-Si hija epitassija tipika ta' żbilanċ kbir, u teħtieġ ukoll li tiffaċċja serje ta' problemi:
✔ Problema tal-enerġija tal-interfaċċja tal-wiċċ. Meta l-GaN jikber fuq sottostrat tas-Si, il-wiċċ tas-sottostrat tas-Si l-ewwel jiġi nitridat biex jifforma saff ta' nitrid tas-silikon amorfu li ma jwassalx għan-nukleazzjoni u t-tkabbir ta' GaN ta' densità għolja. Barra minn hekk, il-wiċċ tas-Si l-ewwel jiġi f'kuntatt mal-Ga, li jikkorrodi l-wiċċ tas-sottostrat tas-Si. F'temperaturi għoljin, id-dekompożizzjoni tal-wiċċ tas-Si tinfirex fis-saff epitassjali tal-GaN biex tifforma tikek suwed tas-silikon.
✔ Id-diskrepanza kostanti tal-kannizzata bejn GaN u Si hija kbira (~17%), u dan iwassal għall-formazzjoni ta' dislokazzjonijiet ta' ħjut ta' densità għolja u jnaqqas b'mod sinifikanti l-kwalità tas-saff epitassjali;
✔ Meta mqabbel ma' Si, GaN għandu koeffiċjent ta' espansjoni termali akbar (il-koeffiċjent ta' espansjoni termali ta' GaN huwa madwar 5.6×10-6K-1, il-koeffiċjent ta' espansjoni termali ta' Si huwa madwar 2.6×10-6K-1), u jistgħu jiġu ġġenerati xquq fis-saff epitassjali ta' GaN waqt it-tkessiħ tat-temperatura epitassjali għat-temperatura tal-kamra;
✔ Si jirreaġixxi ma' NH3 f'temperaturi għoljin biex jifforma SiNx polikristallin. AlN ma jistax jifforma nukleu orjentat b'mod preferenzjali fuq SiNx polikristallin, u dan iwassal għal orjentazzjoni diżordinata tas-saff GaN li jkun tkabbar sussegwentement u numru għoli ta' difetti, li jirriżulta fi kwalità fqira tal-kristall tas-saff epitassjali GaN, u anke diffikultà fil-formazzjoni ta' saff epitassjali GaN monokristallin [6].
Sabiex tissolva l-problema ta' nuqqas ta' qbil kbir fil-kannizzata, ir-riċerkaturi ppruvaw jintroduċu materjali bħal AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, u SiC bħala saffi buffer fuq sottostrati tas-Si. Sabiex tiġi evitata l-formazzjoni ta' SiNx polikristallin u jitnaqqsu l-effetti avversi tiegħu fuq il-kwalità tal-kristall tal-materjali GaN/AlN/Si (111), it-TMAl ġeneralment ikun meħtieġ li jiġi introdott għal ċertu perjodu ta' żmien qabel it-tkabbir epitassjali tas-saff buffer tal-AlN biex jipprevjeni li l-NH3 jirreaġixxi mal-wiċċ tas-Si espost biex jifforma SiNx. Barra minn hekk, teknoloġiji epitassjali bħat-teknoloġija tas-sottostrat immudellat jistgħu jintużaw biex itejbu l-kwalità tas-saff epitassjali. L-iżvilupp ta' dawn it-teknoloġiji jgħin biex jinibixxi l-formazzjoni ta' SiNx fl-interfaċċja epitassjali, jippromwovi t-tkabbir bidimensjonali tas-saff epitassjali tal-GaN, u jtejjeb il-kwalità tat-tkabbir tas-saff epitassjali. Barra minn hekk, jiġi introdott saff buffer tal-AlN biex jikkumpensa għall-istress tensili kkawżat mid-differenza fil-koeffiċjenti tal-espansjoni termali biex jiġu evitati xquq fis-saff epitassjali tal-GaN fuq is-sottostrat tas-silikon. Ir-riċerka ta' Krost turi li hemm korrelazzjoni pożittiva bejn il-ħxuna tas-saff buffer tal-AlN u t-tnaqqis fit-tensjoni. Meta l-ħxuna tas-saff buffer tilħaq it-12nm, saff epitassjali eħxen minn 6μm jista' jitkabbar fuq sottostrat tas-silikon permezz ta' skema ta' tkabbir xierqa mingħajr ma tinqasam is-saff epitassjali.
Wara sforzi fit-tul mir-riċerkaturi, il-kwalità tas-saffi epitassjali tal-GaN imkabbra fuq sottostrati tas-silikon tjiebet b'mod sinifikanti, u apparati bħal transistors tal-effett tal-kamp, ditekters ultravjola tal-barriera Schottky, LEDs blu-aħdar u lejżers ultravjola għamlu progress sinifikanti.
Fil-qosor, peress li s-sottostrati epitassjali GaN li jintużaw b'mod komuni huma kollha epitassjali eteroġenji, kollha jiffaċċjaw problemi komuni bħal nuqqas ta' qbil fil-kannizzata u differenzi kbar fil-koeffiċjenti tal-espansjoni termali fi gradi varji. Sottostrati epitassjali GaN omoġenji huma limitati mill-maturità tat-teknoloġija, u s-sottostrati għadhom ma ġewx prodotti bil-massa. L-ispiża tal-produzzjoni hija għolja, id-daqs tas-sottostrat huwa żgħir, u l-kwalità tas-sottostrat mhijiex ideali. L-iżvilupp ta' sottostrati epitassjali GaN ġodda u t-titjib tal-kwalità epitassjali għadhom wieħed mill-fatturi importanti li jirrestrinġu l-iżvilupp ulterjuri tal-industrija epitassjali GaN.
IV. Metodi komuni għall-epitassija tal-GaN
MOCVD (depożizzjoni kimika tal-fwar)
Jidher li l-epitassija omoġenja fuq sottostrati GaN hija l-aħjar għażla għall-epitassija GaN. Madankollu, peress li l-prekursuri tad-depożizzjoni kimika tal-fwar huma t-trimetilgallju u l-ammonja, u l-gass trasportatur huwa l-idroġenu, it-temperatura tipika tat-tkabbir tal-MOCVD hija madwar 1000-1100 ℃, u r-rata ta' tkabbir tal-MOCVD hija madwar ftit mikroni fis-siegħa. Jista' jipproduċi interfaċċji weqfin fil-livell atomiku, li huwa adattat ħafna għat-tkabbir ta' eteroġunzjonijiet, bjar kwantistiċi, superlattiċi u strutturi oħra. Ir-rata ta' tkabbir mgħaġġla tiegħu, l-uniformità tajba, u l-idoneità għat-tkabbir fuq żona kbira u biċċiet multipli spiss jintużaw fil-produzzjoni industrijali.
MBE (epitassija b'raġġ molekulari)
Fl-epitassija tar-raġġ molekulari, Ga juża sors elementali, u n-nitroġenu attiv jinkiseb min-nitroġenu permezz tal-plażma RF. Meta mqabbel mal-metodu MOCVD, it-temperatura tat-tkabbir tal-MBE hija madwar 350-400℃ aktar baxxa. It-temperatura tat-tkabbir aktar baxxa tista' tevita ċertu tniġġis li jista' jkun ikkawżat minn ambjenti b'temperatura għolja. Is-sistema MBE topera taħt vakwu ultra-għoli, li jippermettilha tintegra aktar metodi ta' skoperta in situ. Fl-istess ħin, ir-rata tat-tkabbir u l-kapaċità ta' produzzjoni tagħha ma jistgħux jitqabblu mal-MOCVD, u tintuża aktar fir-riċerka xjentifika [7].
Figura 5 (a) Skematika Eiko-MBE (b) Skematika tal-kamra tar-reazzjoni prinċipali MBE
Metodu HVPE (epitassija tal-fażi tal-fwar tal-idruri)
Il-prekursuri tal-metodu tal-epitassija tal-fażi tal-fwar tal-idruri huma GaCl3 u NH3. Detchprohm et al. użaw dan il-metodu biex ikabbru saff epitassjali ta' GaN ħoxnin mijiet ta' mikroni fuq il-wiċċ ta' sottostrat taż-żaffir. Fl-esperiment tagħhom, saff ta' ZnO tkabbar bejn is-sottostrat taż-żaffir u s-saff epitassjali bħala saff buffer, u s-saff epitassjali tqaxxar mill-wiċċ tas-sottostrat. Meta mqabbel ma' MOCVD u MBE, il-karatteristika ewlenija tal-metodu HVPE hija r-rata għolja ta' tkabbir tiegħu, li hija adattata għall-produzzjoni ta' saffi ħoxnin u materjali bl-ingrossa. Madankollu, meta l-ħxuna tas-saff epitassjali taqbeż l-20μm, is-saff epitassjali prodott b'dan il-metodu huwa suxxettibbli għal xquq.
Akira USUI introduċa teknoloġija ta' sottostrat immudellat ibbażata fuq dan il-metodu. L-ewwel kibru saff epitassjali rqiq ta' GaN ta' ħxuna ta' 1-1.5μm fuq sottostrat taż-żaffir bl-użu tal-metodu MOCVD. Is-saff epitassjali kien jikkonsisti minn saff ta' buffer ta' GaN ta' ħxuna ta' 20nm imkabbar f'kundizzjonijiet ta' temperatura baxxa u saff ta' GaN imkabbar f'kundizzjonijiet ta' temperatura għolja. Imbagħad, f'430℃, saff ta' SiO2 ġie indurat fuq il-wiċċ tas-saff epitassjali, u strixxi tat-twieqi saru fuq il-film SiO2 permezz ta' fotolitografija. L-ispazjar tal-istrixxi kien ta' 7μm u l-wisa' tal-maskra varjat minn 1μm sa 4μm. Wara dan it-titjib, kisbu saff epitassjali ta' GaN fuq sottostrat taż-żaffir b'dijametru ta' 2 pulzieri li kien ħieles mix-xquq u lixx daqs mera anke meta l-ħxuna żdiedet għal għexieren jew saħansitra mijiet ta' mikroni. Id-densità tad-difetti tnaqqset minn 109-1010cm-2 tal-metodu tradizzjonali HVPE għal madwar 6×107cm-2. Huma wkoll irrimarkaw fl-esperiment li meta r-rata tat-tkabbir taqbeż il-75μm/siegħa, il-wiċċ tal-kampjun isir mhux maħdum[8].
Figura 6 Skematika Grafika tas-Sottostrat
V. Sommarju u Prospettivi
Il-materjali GaN bdew jitfaċċaw fl-2014 meta l-LED tad-dawl blu rebaħ il-Premju Nobel fil-Fiżika dik is-sena, u daħal fil-qasam pubbliku tal-applikazzjonijiet tal-iċċarġjar veloċi fil-qasam tal-elettronika għall-konsumatur. Fil-fatt, ħarġu wkoll bil-kwiet applikazzjonijiet fl-amplifikaturi tal-qawwa u apparati RF użati fl-istazzjonijiet bażi 5G li ħafna nies ma jistgħux jaraw. Fi snin reċenti, l-avvanz tal-apparati tal-qawwa tal-grad tal-karozzi bbażati fuq GaN huwa mistenni li jiftaħ punti ta' tkabbir ġodda għas-suq tal-applikazzjonijiet tal-materjal GaN.
Id-domanda enormi tas-suq żgur li se tippromwovi l-iżvilupp ta' industriji u teknoloġiji relatati mal-GaN. Bil-maturità u t-titjib tal-katina industrijali relatata mal-GaN, il-problemi li tiffaċċja t-teknoloġija epitassjali attwali tal-GaN eventwalment se jitjiebu jew jingħelbu. Fil-futur, in-nies żgur li se jiżviluppaw aktar teknoloġiji epitassjali ġodda u aktar għażliet ta' sottostrat eċċellenti. Sa dakinhar, in-nies ikunu jistgħu jagħżlu l-aktar teknoloġija ta' riċerka esterna adattata u sottostrat għal xenarji ta' applikazzjoni differenti skont il-karatteristiċi tax-xenarji ta' applikazzjoni, u jipproduċu l-aktar prodotti personalizzati kompetittivi.
Ħin tal-posta: 28 ta' Ġunju 2024