१. तेस्रो पुस्ताका अर्धचालकहरू
पहिलो पुस्ताको अर्धचालक प्रविधि Si र Ge जस्ता अर्धचालक सामग्रीहरूमा आधारित विकसित गरिएको थियो। यो ट्रान्जिस्टर र एकीकृत सर्किट प्रविधिको विकासको लागि भौतिक आधार हो। पहिलो पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीले २० औं शताब्दीमा इलेक्ट्रोनिक उद्योगको जग बसाल्यो र एकीकृत सर्किट प्रविधिको लागि आधारभूत सामग्रीहरू हुन्।
दोस्रो पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीहरूमा मुख्यतया ग्यालियम आर्सेनाइड, इन्डियम फस्फाइड, ग्यालियम फस्फाइड, इन्डियम आर्सेनाइड, एल्युमिनियम आर्सेनाइड र तिनीहरूका त्रिकोणीय यौगिकहरू समावेश छन्। दोस्रो पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीहरू अप्टोइलेक्ट्रोनिक सूचना उद्योगको जग हुन्। यस आधारमा, प्रकाश, प्रदर्शन, लेजर र फोटोभोल्टाइक्स जस्ता सम्बन्धित उद्योगहरू विकास गरिएका छन्। तिनीहरू समकालीन सूचना प्रविधि र अप्टोइलेक्ट्रोनिक प्रदर्शन उद्योगहरूमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ।
तेस्रो पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीका प्रतिनिधि सामग्रीहरूमा ग्यालियम नाइट्राइड र सिलिकन कार्बाइड समावेश छन्। तिनीहरूको फराकिलो ब्यान्ड ग्याप, उच्च इलेक्ट्रोन संतृप्ति बहाव वेग, उच्च थर्मल चालकता, र उच्च ब्रेकडाउन क्षेत्र शक्तिको कारण, तिनीहरू उच्च-शक्ति घनत्व, उच्च-फ्रिक्वेन्सी, र कम-हानि इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरू तयार गर्न आदर्श सामग्री हुन्। तिनीहरूमध्ये, सिलिकन कार्बाइड पावर उपकरणहरूमा उच्च ऊर्जा घनत्व, कम ऊर्जा खपत, र सानो आकारका फाइदाहरू छन्, र नयाँ ऊर्जा सवारी साधनहरू, फोटोभोल्टाइक्स, रेल यातायात, ठूलो डेटा, र अन्य क्षेत्रहरूमा व्यापक अनुप्रयोग सम्भावनाहरू छन्। ग्यालियम नाइट्राइड आरएफ उपकरणहरूमा उच्च आवृत्ति, उच्च शक्ति, चौडा ब्यान्डविथ, कम पावर खपत र सानो आकारका फाइदाहरू छन्, र 5G सञ्चार, इन्टरनेट अफ थिंग्स, सैन्य रडार र अन्य क्षेत्रहरूमा व्यापक अनुप्रयोग सम्भावनाहरू छन्। थप रूपमा, ग्यालियम नाइट्राइड-आधारित पावर उपकरणहरू कम-भोल्टेज क्षेत्रमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिएको छ। थप रूपमा, हालका वर्षहरूमा, उदीयमान ग्यालियम अक्साइड सामग्रीहरूले अवस्थित SiC र GaN प्रविधिहरूसँग प्राविधिक पूरकता बनाउने अपेक्षा गरिएको छ, र कम-फ्रिक्वेन्सी र उच्च-भोल्टेज क्षेत्रहरूमा सम्भावित अनुप्रयोग सम्भावनाहरू छन्।
दोस्रो पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीको तुलनामा, तेस्रो पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीहरूमा फराकिलो ब्यान्डग्याप चौडाइ हुन्छ (पहिलो पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीको विशिष्ट सामग्री Si को ब्यान्डग्याप चौडाइ लगभग १.१eV हुन्छ, दोस्रो पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीको विशिष्ट सामग्री GaAs को ब्यान्डग्याप चौडाइ लगभग १.४२eV हुन्छ, र तेस्रो पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीको विशिष्ट सामग्री GaN को ब्यान्डग्याप चौडाइ २.३eV भन्दा माथि हुन्छ), बलियो विकिरण प्रतिरोध, विद्युतीय क्षेत्र ब्रेकडाउनको लागि बलियो प्रतिरोध, र उच्च तापक्रम प्रतिरोध। फराकिलो ब्यान्डग्याप चौडाइ भएका तेस्रो पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीहरू विकिरण-प्रतिरोधी, उच्च-फ्रिक्वेन्सी, उच्च-शक्ति र उच्च-एकीकरण-घनत्व इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरूको उत्पादनको लागि विशेष रूपमा उपयुक्त छन्। माइक्रोवेभ रेडियो फ्रिक्वेन्सी उपकरणहरू, LEDs, लेजरहरू, पावर उपकरणहरू र अन्य क्षेत्रहरूमा तिनीहरूको अनुप्रयोगहरूले धेरै ध्यान आकर्षित गरेको छ, र तिनीहरूले मोबाइल सञ्चार, स्मार्ट ग्रिडहरू, रेल ट्रान्जिट, नयाँ ऊर्जा सवारी साधनहरू, उपभोक्ता इलेक्ट्रोनिक्स, र पराबैंगनी र नीलो-हरियो प्रकाश उपकरणहरूमा व्यापक विकास सम्भावनाहरू देखाएका छन् [1]।
छवि स्रोत: CASA, Zheshang Securities Research Institute
चित्र १ GaN पावर उपकरण समय स्केल र पूर्वानुमान
II GaN सामग्री संरचना र विशेषताहरू
GaN एक प्रत्यक्ष ब्यान्डग्याप अर्धचालक हो। कोठाको तापक्रममा wurtzite संरचनाको ब्यान्डग्याप चौडाइ लगभग 3.26eV हुन्छ। GaN सामग्रीहरूमा तीन मुख्य क्रिस्टल संरचनाहरू हुन्छन्, अर्थात् wurtzite संरचना, sphalerite संरचना र चट्टानी नुन संरचना। ती मध्ये, wurtzite संरचना सबैभन्दा स्थिर क्रिस्टल संरचना हो। चित्र २ GaN को हेक्सागोनल wurtzite संरचनाको रेखाचित्र हो। GaN सामग्रीको wurtzite संरचना हेक्सागोनल क्लोज-प्याक गरिएको संरचनासँग सम्बन्धित छ। प्रत्येक एकाइ कोषमा १२ परमाणुहरू हुन्छन्, जसमा ६ N परमाणुहरू र ६ Ga परमाणुहरू समावेश छन्। प्रत्येक Ga (N) परमाणुले ४ नजिकका N (Ga) परमाणुहरूसँग बन्धन बनाउँछ र [0001] दिशा [2] मा ABABAB को क्रममा स्ट्याक गरिएको हुन्छ।
चित्र २ Wurtzite संरचना GaN क्रिस्टल सेल रेखाचित्र
III GaN एपिटाक्सीको लागि सामान्यतया प्रयोग हुने सब्सट्रेटहरू
GaN सब्सट्रेटहरूमा समरूप एपिटाक्सी GaN एपिटाक्सीको लागि उत्तम विकल्प हो जस्तो देखिन्छ। यद्यपि, GaN को ठूलो बन्धन ऊर्जाको कारण, जब तापक्रम २५०० ℃ को पग्लने बिन्दुमा पुग्छ, यसको सम्बन्धित विघटन चाप लगभग ४.५ GPa हुन्छ। जब विघटन चाप यो चाप भन्दा कम हुन्छ, GaN पग्लिँदैन तर सिधै विघटन हुन्छ। यसले परिपक्व सब्सट्रेट तयारी प्रविधिहरू जस्तै Czochralski विधिलाई GaN एकल क्रिस्टल सब्सट्रेटहरूको तयारीको लागि अनुपयुक्त बनाउँछ, जसले गर्दा GaN सब्सट्रेटहरू ठूलो मात्रामा उत्पादन गर्न गाह्रो र महँगो हुन्छ। त्यसकारण, GaN एपिटाक्सियल वृद्धिमा सामान्यतया प्रयोग हुने सब्सट्रेटहरू मुख्यतया Si, SiC, नीलमणि, आदि हुन् [3]।
चार्ट ३ GaN र सामान्यतया प्रयोग हुने सब्सट्रेट सामग्रीहरूको प्यारामिटरहरू
नीलमणिमा GaN एपिटाक्सी
नीलमणिमा स्थिर रासायनिक गुणहरू छन्, सस्तो छ, र ठूलो मात्रामा उत्पादन उद्योगको उच्च परिपक्वता छ। त्यसैले, यो अर्धचालक उपकरण इन्जिनियरिङमा सबैभन्दा प्रारम्भिक र सबैभन्दा व्यापक रूपमा प्रयोग हुने सब्सट्रेट सामग्रीहरू मध्ये एक भएको छ। GaN एपिटाक्सीको लागि सामान्यतया प्रयोग हुने सब्सट्रेटहरू मध्ये एकको रूपमा, नीलमणि सब्सट्रेटहरूको लागि समाधान गर्न आवश्यक मुख्य समस्याहरू हुन्:
✔ नीलमणि (Al2O3) र GaN (लगभग १५%) बीचको ठूलो जाली बेमेलको कारणले गर्दा, एपिटेक्सियल तह र सब्सट्रेट बीचको इन्टरफेसमा दोष घनत्व धेरै उच्च छ। यसको प्रतिकूल प्रभावहरू कम गर्न, एपिटेक्सि प्रक्रिया सुरु हुनुभन्दा पहिले सब्सट्रेटलाई जटिल पूर्व-उपचारको अधीनमा राख्नुपर्छ। नीलमणि सब्सट्रेटहरूमा GaN एपिटेक्सि बढाउनु अघि, सब्सट्रेट सतहलाई पहिले दूषित पदार्थहरू, अवशिष्ट पालिसिङ क्षति, आदि हटाउन र चरणहरू र चरण सतह संरचनाहरू उत्पादन गर्न कडाईका साथ सफा गर्नुपर्छ। त्यसपछि, एपिटेक्सियल तहको भिजेको गुणहरू परिवर्तन गर्न सब्सट्रेट सतहलाई नाइट्राइड गरिन्छ। अन्तमा, अन्तिम एपिटेक्सियल वृद्धिको लागि तयारी गर्न सब्सट्रेट सतहमा पातलो AlN बफर तह (सामान्यतया १०-१००nm बाक्लो) जम्मा गर्न र कम तापक्रममा एनिल गर्न आवश्यक छ। तैपनि, नीलमणि सब्सट्रेटहरूमा उब्जाइएको GaN एपिटेक्सियल फिल्महरूमा विस्थापन घनत्व अझै पनि होमियोपिटाक्सियल फिल्महरू भन्दा बढी छ (लगभग १०१० सेमी-२, सिलिकन होमियोपिटाक्सियल फिल्महरू वा ग्यालियम आर्सेनाइड होमियोपिटाक्सियल फिल्महरूमा शून्य विस्थापन घनत्वको तुलनामा, वा १०२ र १०४ सेमी-२ बीचमा)। उच्च दोष घनत्वले वाहक गतिशीलतालाई कम गर्छ, जसले गर्दा अल्पसंख्यक वाहकको जीवनकाल छोटो हुन्छ र थर्मल चालकता घट्छ, यी सबैले उपकरणको कार्यसम्पादनलाई कम गर्नेछ [४];
✔ नीलमणिको थर्मल एक्सपेन्सन गुणांक GaN भन्दा बढी हुन्छ, त्यसैले निक्षेपण तापक्रमबाट कोठाको तापक्रममा चिसो हुने प्रक्रियाको क्रममा एपिटेक्सियल तहमा द्विअक्षीय संकुचित तनाव उत्पन्न हुनेछ। बाक्लो एपिटेक्सियल फिल्महरूको लागि, यो तनावले फिल्म वा सब्सट्रेट पनि फुट्न सक्छ;
✔ अन्य सब्सट्रेटहरूको तुलनामा, नीलमणि सब्सट्रेटहरूको थर्मल चालकता कम छ (लगभग ०.२५W*cm-१*K-१ १००℃ मा), र ताप अपव्यय प्रदर्शन कमजोर छ;
✔ यसको कमजोर चालकताको कारण, नीलमणि सब्सट्रेटहरू अन्य अर्धचालक उपकरणहरूसँग तिनीहरूको एकीकरण र प्रयोगको लागि अनुकूल छैनन्।
नीलमणि सब्सट्रेटहरूमा उब्जाइएको GaN एपिटेक्सियल तहहरूको दोष घनत्व उच्च भए तापनि, यसले GaN-आधारित नीलो-हरियो LED को अप्टोइलेक्ट्रोनिक कार्यसम्पादनलाई उल्लेखनीय रूपमा कम गरेको देखिँदैन, त्यसैले नीलमणि सब्सट्रेटहरू अझै पनि GaN-आधारित LED को लागि सामान्यतया प्रयोग हुने सब्सट्रेटहरू हुन्।
लेजर वा अन्य उच्च-घनत्व पावर उपकरणहरू जस्ता GaN उपकरणहरूको नयाँ अनुप्रयोगहरूको विकाससँगै, नीलमणि सब्सट्रेटहरूको अन्तर्निहित दोषहरू तिनीहरूको प्रयोगमा बढ्दो रूपमा सीमित हुँदै गएका छन्। थप रूपमा, SiC सब्सट्रेट वृद्धि प्रविधिको विकास, लागत घटाउने र Si सब्सट्रेटहरूमा GaN एपिटेक्सियल प्रविधिको परिपक्वतासँगै, नीलमणि सब्सट्रेटहरूमा बढ्दो GaN एपिटेक्सियल तहहरूमा थप अनुसन्धानले बिस्तारै शीतलता प्रवृत्ति देखाएको छ।
SiC मा GaN एपिटाक्सी
नीलमणिको तुलनामा, SiC सब्सट्रेटहरू (4H- र 6H-क्रिस्टलहरू) मा GaN एपिटेक्सियल तहहरू (3.1%, [0001] उन्मुख एपिटेक्सियल फिल्महरूको बराबर), उच्च थर्मल चालकता (लगभग 3.8W*cm-1*K-1), आदिसँग सानो जाली बेमेल छ। थप रूपमा, SiC सब्सट्रेटहरूको चालकताले सब्सट्रेटको पछाडि विद्युतीय सम्पर्कहरू बनाउन पनि अनुमति दिन्छ, जसले उपकरण संरचनालाई सरल बनाउन मद्दत गर्दछ। यी फाइदाहरूको अस्तित्वले सिलिकन कार्बाइड सब्सट्रेटहरूमा GaN एपिटेक्सीमा काम गर्न धेरै भन्दा धेरै अनुसन्धानकर्ताहरूलाई आकर्षित गरेको छ।
यद्यपि, GaN एपिलियरहरू बढ्नबाट बच्न SiC सब्सट्रेटहरूमा सिधै काम गर्दा पनि निम्न सहित धेरै बेफाइदाहरू हुन्छन्:
✔ SiC सब्सट्रेटहरूको सतहको खस्रोपन नीलमणि सब्सट्रेटहरूको तुलनामा धेरै बढी हुन्छ (नीलमणि खस्रोपन ०.१nm RMS, SiC खस्रोपन १nm RMS), SiC सब्सट्रेटहरूमा उच्च कठोरता र कमजोर प्रशोधन कार्यसम्पादन हुन्छ, र यो खस्रोपन र अवशिष्ट पालिसिङ क्षति पनि GaN एपिलियरहरूमा दोषहरूको स्रोतहरू मध्ये एक हो।
✔ SiC सब्सट्रेटहरूको स्क्रू विस्थापन घनत्व उच्च छ (विस्थापन घनत्व १०३-१०४ सेमी-२), स्क्रू विस्थापन GaN एपिलियरमा फैलिन सक्छ र उपकरणको कार्यसम्पादन घटाउन सक्छ;
✔ सब्सट्रेट सतहमा रहेको परमाणु व्यवस्थाले GaN एपिलियरमा स्ट्याकिङ फल्ट (BSFs) को गठनलाई प्रेरित गर्छ। SiC सब्सट्रेटहरूमा एपिटेक्सियल GaN को लागि, सब्सट्रेटमा धेरै सम्भावित परमाणु व्यवस्था क्रमहरू हुन्छन्, जसले गर्दा यसमा रहेको एपिटेक्सियल GaN तहको प्रारम्भिक परमाणु स्ट्याकिङ क्रम असंगत हुन्छ, जुन स्ट्याकिङ फल्टहरूको लागि प्रवण हुन्छ। स्ट्याकिङ फल्टहरू (SFs) ले c-अक्षको साथमा निर्मित विद्युतीय क्षेत्रहरू परिचय गराउँछ, जसले गर्दा विमानमा वाहक विभाजन उपकरणहरूको चुहावट जस्ता समस्याहरू निम्त्याउँछ;
✔ SiC सब्सट्रेटको थर्मल एक्सपेन्सन गुणांक AlN र GaN भन्दा सानो छ, जसले गर्दा चिसो प्रक्रियाको क्रममा एपिटेक्सियल तह र सब्सट्रेट बीच थर्मल तनाव संचय हुन्छ। वाल्टरिट र ब्रान्डले आफ्नो अनुसन्धान परिणामहरूको आधारमा भविष्यवाणी गरे कि पातलो, सुसंगत रूपमा तनावपूर्ण AlN न्यूक्लिएसन तहहरूमा GaN एपिटेक्सियल तहहरू बढाएर यो समस्या कम गर्न वा समाधान गर्न सकिन्छ;
✔ Ga परमाणुहरूको कमजोर भिजेकोपनको समस्या। SiC सतहमा सिधै GaN एपिटेक्सियल तहहरू बढाउँदा, दुई परमाणुहरू बीचको कमजोर भिजेकोपनको कारणले गर्दा, GaN सब्सट्रेट सतहमा 3D टापु वृद्धिको सम्भावना हुन्छ। GaN एपिटेक्सीमा एपिटेक्सियल सामग्रीहरूको गुणस्तर सुधार गर्न बफर तहको परिचय सबैभन्दा सामान्य रूपमा प्रयोग हुने समाधान हो। AlN वा AlxGa1-xN बफर तहको परिचयले SiC सतहको भिजेकोपनलाई प्रभावकारी रूपमा सुधार गर्न सक्छ र GaN एपिटेक्सियल तहलाई दुई आयामहरूमा बढ्न दिन्छ। थप रूपमा, यसले तनावलाई पनि नियमन गर्न सक्छ र सब्सट्रेट दोषहरूलाई GaN एपिटेक्सीमा विस्तार हुनबाट रोक्न सक्छ;
✔ SiC सब्सट्रेटहरूको तयारी प्रविधि अपरिपक्व छ, सब्सट्रेट लागत उच्च छ, र आपूर्तिकर्ताहरू थोरै छन् र आपूर्ति पनि थोरै छ।
टोरेस एट अलको अनुसन्धानले देखाउँछ कि एपिटेक्सी हुनुभन्दा पहिले उच्च तापक्रम (१६०० डिग्री सेल्सियस) मा H2 सँग SiC सब्सट्रेटलाई एचच गर्नाले सब्सट्रेट सतहमा बढी क्रमबद्ध चरण संरचना उत्पादन गर्न सकिन्छ, जसले गर्दा मूल सब्सट्रेट सतहमा सिधै हुर्काउँदा भन्दा उच्च गुणस्तरको AlN एपिटेक्सियल फिल्म प्राप्त हुन्छ। झी र उनको टोलीको अनुसन्धानले यो पनि देखाउँछ कि सिलिकन कार्बाइड सब्सट्रेटको एचिंग प्रिट्रीटमेन्टले GaN एपिटेक्सियल तहको सतह आकारविज्ञान र क्रिस्टल गुणस्तरमा उल्लेखनीय सुधार गर्न सक्छ। स्मिथ एट अलले पत्ता लगाए कि सब्सट्रेट/बफर तह र बफर तह/एपिटाक्सियल तह इन्टरफेसबाट उत्पन्न हुने थ्रेडिङ विस्थापनहरू सब्सट्रेटको समतलतासँग सम्बन्धित छन् [5]।
चित्र ४ विभिन्न सतह उपचार अवस्थाहरूमा 6H-SiC सब्सट्रेट (0001) मा उब्जाइएको GaN एपिटेक्सियल तह नमूनाहरूको TEM आकारविज्ञान (a) रासायनिक सफाई; (b) रासायनिक सफाई + हाइड्रोजन प्लाज्मा उपचार; (c) रासायनिक सफाई + हाइड्रोजन प्लाज्मा उपचार + 1300℃ हाइड्रोजन ताप उपचार 30 मिनेटको लागि
Si मा GaN एपिटाक्सी
सिलिकन कार्बाइड, नीलमणि र अन्य सब्सट्रेटहरूको तुलनामा, सिलिकन सब्सट्रेट तयारी प्रक्रिया परिपक्व छ, र यसले उच्च लागत प्रदर्शनको साथ परिपक्व ठूला आकारका सब्सट्रेटहरू स्थिर रूपमा प्रदान गर्न सक्छ। एकै समयमा, थर्मल चालकता र विद्युतीय चालकता राम्रो छ, र Si इलेक्ट्रोनिक उपकरण प्रक्रिया परिपक्व छ। भविष्यमा Si इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरूसँग अप्टोइलेक्ट्रोनिक GaN उपकरणहरूलाई पूर्ण रूपमा एकीकृत गर्ने सम्भावनाले पनि सिलिकनमा GaN एपिटाक्सीको विकासलाई धेरै आकर्षक बनाउँछ।
यद्यपि, Si सब्सट्रेट र GaN सामग्री बीचको जाली स्थिरांकहरूमा ठूलो भिन्नताको कारण, Si सब्सट्रेटमा GaN को विषम एपिटाक्सी एक विशिष्ट ठूलो बेमेल एपिटाक्सी हो, र यसले समस्याहरूको श्रृंखलाको सामना गर्न पनि आवश्यक छ:
✔ सतह इन्टरफेस ऊर्जा समस्या। जब GaN Si सब्सट्रेटमा बढ्छ, Si सब्सट्रेटको सतह पहिले नाइट्राइड हुन्छ जसले गर्दा एक अनाकार सिलिकन नाइट्राइड तह बन्छ जुन उच्च-घनत्व GaN को न्यूक्लिएसन र वृद्धिको लागि अनुकूल हुँदैन। यसको अतिरिक्त, Si सतह पहिले Ga लाई सम्पर्क गर्नेछ, जसले Si सब्सट्रेटको सतहलाई क्षरण गर्नेछ। उच्च तापक्रममा, Si सतहको विघटन GaN एपिटेक्सियल तहमा फैलिएर कालो सिलिकन दागहरू बन्नेछ।
✔ GaN र Si बीचको जाली स्थिर बेमेल ठूलो छ (~१७%), जसले उच्च-घनत्व थ्रेडिङ विस्थापनको गठन निम्त्याउँछ र एपिटेक्सियल तहको गुणस्तरलाई उल्लेखनीय रूपमा घटाउँछ;
✔ Si को तुलनामा, GaN मा ठूलो थर्मल विस्तार गुणांक छ (GaN को थर्मल विस्तार गुणांक लगभग 5.6×10-6K-1 छ, Si को थर्मल विस्तार गुणांक लगभग 2.6×10-6K-1 छ), र एपिटेक्सियल तापक्रमलाई कोठाको तापक्रममा चिसो पार्दा GaN एपिटेक्सियल तहमा दरारहरू उत्पन्न हुन सक्छन्;
✔ Si ले उच्च तापक्रममा NH3 सँग प्रतिक्रिया गरेर पोलिक्रिस्टलाइन SiNx बनाउँछ। AlN ले पोलिक्रिस्टलाइन SiNx मा प्राथमिकतामा आधारित न्यूक्लियस बनाउन सक्दैन, जसले गर्दा पछि बढेको GaN तहको अव्यवस्थित अभिमुखीकरण र धेरै संख्यामा दोषहरू निम्त्याउँछ, जसले गर्दा GaN एपिटेक्सियल तहको क्रिस्टल गुणस्तर खराब हुन्छ, र एकल-क्रिस्टलाइन GaN एपिटेक्सियल तह बनाउन पनि कठिनाइ हुन्छ [6]।
ठूला जाली बेमेलको समस्या समाधान गर्न, अनुसन्धानकर्ताहरूले Si सब्सट्रेटहरूमा बफर तहको रूपमा AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, र SiC जस्ता सामग्रीहरू परिचय गराउने प्रयास गरेका छन्। पोलिक्रिस्टलाइन SiNx को गठनबाट बच्न र GaN/AlN/Si (111) सामग्रीहरूको क्रिस्टल गुणस्तरमा यसको प्रतिकूल प्रभाव कम गर्न, NH3 लाई खुला Si सतहसँग प्रतिक्रिया गरेर SiNx बनाउनबाट रोक्न AlN बफर तहको एपिटेक्सियल वृद्धि हुनुभन्दा पहिले TMAl लाई सामान्यतया निश्चित समयको लागि परिचय गराउन आवश्यक हुन्छ। थप रूपमा, एपिटेक्सियल तहको गुणस्तर सुधार गर्न ढाँचाबद्ध सब्सट्रेट प्रविधि जस्ता एपिटेक्सियल प्रविधिहरू प्रयोग गर्न सकिन्छ। यी प्रविधिहरूको विकासले एपिटेक्सियल इन्टरफेसमा SiNx को गठनलाई रोक्न, GaN एपिटेक्सियल तहको द्वि-आयामी वृद्धिलाई प्रवर्द्धन गर्न र एपिटेक्सियल तहको वृद्धि गुणस्तर सुधार गर्न मद्दत गर्दछ। यसको अतिरिक्त, सिलिकन सब्सट्रेटमा GaN एपिटेक्सियल तहमा दरारहरू हुनबाट जोगाउन थर्मल विस्तार गुणांकहरूमा भिन्नताले गर्दा हुने तन्य तनावको क्षतिपूर्ति गर्न AlN बफर तह प्रस्तुत गरिन्छ। क्रोस्टको अनुसन्धानले AlN बफर तहको मोटाई र तनावमा कमी बीच सकारात्मक सम्बन्ध रहेको देखाउँछ। जब बफर तहको मोटाई १२nm पुग्छ, ६μm भन्दा मोटो एपिटेक्सियल तहलाई एपिटेक्सियल तह क्र्याक नगरी उपयुक्त वृद्धि योजना मार्फत सिलिकन सब्सट्रेटमा उब्जाउन सकिन्छ।
अनुसन्धानकर्ताहरूको लामो समयको प्रयास पछि, सिलिकन सब्सट्रेटहरूमा उब्जाइएको GaN एपिटेक्सियल तहहरूको गुणस्तरमा उल्लेखनीय सुधार भएको छ, र फिल्ड इफेक्ट ट्रान्जिस्टरहरू, स्कोट्की ब्यारियर अल्ट्राभायोलेट डिटेक्टरहरू, नीलो-हरियो एलईडीहरू र अल्ट्राभायोलेट लेजरहरू जस्ता उपकरणहरूले उल्लेखनीय प्रगति गरेका छन्।
संक्षेपमा, सामान्यतया प्रयोग हुने GaN एपिटेक्सियल सब्सट्रेटहरू सबै विषम एपिटेक्सी भएकाले, तिनीहरू सबैले सामान्य समस्याहरू जस्तै जाली बेमेल र थर्मल विस्तार गुणांकहरूमा फरक-फरक डिग्रीमा ठूलो भिन्नताहरू सामना गर्छन्। एकरूप एपिटेक्सियल GaN सब्सट्रेटहरू प्रविधिको परिपक्वताद्वारा सीमित छन्, र सब्सट्रेटहरू अझै ठूलो मात्रामा उत्पादन गरिएका छैनन्। उत्पादन लागत उच्च छ, सब्सट्रेट आकार सानो छ, र सब्सट्रेट गुणस्तर आदर्श छैन। नयाँ GaN एपिटेक्सियल सब्सट्रेटहरूको विकास र एपिटेक्सियल गुणस्तरको सुधार अझै पनि GaN एपिटेक्सियल उद्योगको थप विकासलाई प्रतिबन्धित गर्ने महत्त्वपूर्ण कारकहरू मध्ये एक हो।
IV. GaN एपिटाक्सीको लागि सामान्य विधिहरू
MOCVD (रासायनिक वाष्प निक्षेपण)
GaN सब्सट्रेटहरूमा समरूप एपिटेक्सी GaN एपिटेक्सीको लागि उत्तम विकल्प हो जस्तो देखिन्छ। यद्यपि, रासायनिक वाष्प निक्षेपणको अग्रदूत ट्राइमेथाइलग्यालियम र अमोनिया भएकोले, र वाहक ग्यास हाइड्रोजन भएकोले, विशिष्ट MOCVD वृद्धि तापमान लगभग 1000-1100 ℃ हुन्छ, र MOCVD को वृद्धि दर प्रति घण्टा केही माइक्रोन हुन्छ। यसले आणविक स्तरमा ठाडो इन्टरफेसहरू उत्पादन गर्न सक्छ, जुन हेटेरोजंक्शन, क्वान्टम इनार, सुपरल्याटिस र अन्य संरचनाहरू बढाउनको लागि धेरै उपयुक्त छ। यसको द्रुत वृद्धि दर, राम्रो एकरूपता, र ठूलो-क्षेत्र र बहु-टुक्रा वृद्धिको लागि उपयुक्तता प्रायः औद्योगिक उत्पादनमा प्रयोग गरिन्छ।
MBE (आणविक किरण एपिटाक्सी)
आणविक बीम एपिटेक्सीमा, Ga ले एक तत्व स्रोत प्रयोग गर्दछ, र सक्रिय नाइट्रोजन RF प्लाज्मा मार्फत नाइट्रोजनबाट प्राप्त गरिन्छ। MOCVD विधिको तुलनामा, MBE वृद्धि तापमान लगभग 350-400℃ कम छ। कम वृद्धि तापमानले उच्च तापक्रम वातावरणको कारणले हुन सक्ने निश्चित प्रदूषणबाट बच्न सक्छ। MBE प्रणाली अल्ट्रा-हाई भ्याकुम अन्तर्गत सञ्चालन हुन्छ, जसले यसलाई थप इन-सिटु पत्ता लगाउने विधिहरू एकीकृत गर्न अनुमति दिन्छ। एकै समयमा, यसको वृद्धि दर र उत्पादन क्षमता MOCVD सँग तुलना गर्न सकिँदैन, र यो वैज्ञानिक अनुसन्धानमा बढी प्रयोग गरिन्छ [7]।
चित्र 5 (a) Eiko-MBE योजनाबद्ध (b) MBE मुख्य प्रतिक्रिया कक्ष योजनाबद्ध
HVPE विधि (हाइड्राइड वाष्प चरण एपिटेक्सी)
हाइड्राइड वाष्प चरण एपिटेक्सी विधिका पूर्ववर्तीहरू GaCl3 र NH3 हुन्। Detchprohm et al. ले नीलमणि सब्सट्रेटको सतहमा सयौं माइक्रोन बाक्लो GaN एपिटेक्सियल तह बढाउन यो विधि प्रयोग गरे। तिनीहरूको प्रयोगमा, नीलमणि सब्सट्रेट र एपिटेक्सियल तहको बीचमा बफर तहको रूपमा ZnO को तह उब्जाइएको थियो, र एपिटेक्सियल तहलाई सब्सट्रेट सतहबाट छिलिएको थियो। MOCVD र MBE सँग तुलना गर्दा, HVPE विधिको मुख्य विशेषता यसको उच्च वृद्धि दर हो, जुन बाक्लो तह र थोक सामग्रीको उत्पादनको लागि उपयुक्त छ। यद्यपि, जब एपिटेक्सियल तहको मोटाई २०μm भन्दा बढी हुन्छ, यस विधिद्वारा उत्पादित एपिटेक्सियल तह दरार हुने सम्भावना हुन्छ।
अकिरा USUI ले यस विधिमा आधारित ढाँचाबद्ध सब्सट्रेट प्रविधि प्रस्तुत गरे। तिनीहरूले पहिले MOCVD विधि प्रयोग गरेर नीलमणि सब्सट्रेटमा पातलो १-१.५μm बाक्लो GaN एपिटेक्सियल तह बढाए। एपिटेक्सियल तहमा कम तापक्रमको अवस्थामा उब्जाइएको २०nm बाक्लो GaN बफर तह र उच्च तापक्रमको अवस्थामा उब्जाइएको GaN तह समावेश थियो। त्यसपछि, ४३०℃ मा, एपिटेक्सियल तहको सतहमा SiO2 को तह प्लेट गरिएको थियो, र फोटोलिथोग्राफीद्वारा SiO2 फिल्ममा झ्यालका स्ट्रिपहरू बनाइएका थिए। स्ट्राइप स्पेसिङ ७μm थियो र मास्कको चौडाइ १μm देखि ४μm सम्म थियो। यो सुधार पछि, तिनीहरूले २-इन्च व्यासको नीलमणि सब्सट्रेटमा GaN एपिटेक्सियल तह प्राप्त गरे जुन क्र्याक-रहित थियो र मोटाई दसौं वा सयौं माइक्रोनसम्म बढ्दा पनि ऐना जस्तै चिल्लो थियो। दोष घनत्व परम्परागत HVPE विधिको १०९-१०१०cm-२ बाट घटाएर लगभग ६×१०७cm-२ मा घटाइएको थियो। उनीहरूले प्रयोगमा यो पनि औंल्याए कि जब वृद्धि दर ७५μm/घण्टा नाघ्छ, नमूना सतह खस्रो हुन्छ [8]।
चित्र ६ ग्राफिकल सब्सट्रेट योजनाबद्ध
V. सारांश र दृष्टिकोण
२०१४ मा GaN सामग्रीहरू देखा पर्न थाले जब त्यस वर्ष नीलो बत्ती LED ले भौतिकशास्त्रमा नोबेल पुरस्कार जित्यो, र उपभोक्ता इलेक्ट्रोनिक्स क्षेत्रमा द्रुत चार्जिङ अनुप्रयोगहरूको सार्वजनिक क्षेत्रमा प्रवेश गर्यो। वास्तवमा, धेरैजसो मानिसहरूले देख्न नसक्ने 5G बेस स्टेशनहरूमा प्रयोग हुने पावर एम्पलीफायरहरू र RF उपकरणहरूमा अनुप्रयोगहरू पनि चुपचाप देखा परेका छन्। हालका वर्षहरूमा, GaN-आधारित अटोमोटिभ-ग्रेड पावर उपकरणहरूको सफलताले GaN सामग्री अनुप्रयोग बजारको लागि नयाँ वृद्धि बिन्दुहरू खोल्ने अपेक्षा गरिएको छ।
बजारको विशाल मागले निश्चित रूपमा GaN-सम्बन्धित उद्योग र प्रविधिहरूको विकासलाई प्रवर्द्धन गर्नेछ। GaN-सम्बन्धित औद्योगिक शृङ्खलाको परिपक्वता र सुधारसँगै, हालको GaN एपिटेक्सियल प्रविधिले सामना गरिरहेका समस्याहरू अन्ततः सुधार वा पार गरिनेछ। भविष्यमा, मानिसहरूले निश्चित रूपमा थप नयाँ एपिटेक्सियल प्रविधिहरू र थप उत्कृष्ट सब्सट्रेट विकल्पहरू विकास गर्नेछन्। त्यतिन्जेलसम्म, मानिसहरूले अनुप्रयोग परिदृश्यहरूको विशेषताहरू अनुसार विभिन्न अनुप्रयोग परिदृश्यहरूको लागि सबैभन्दा उपयुक्त बाह्य अनुसन्धान प्रविधि र सब्सट्रेट छनौट गर्न सक्षम हुनेछन्, र सबैभन्दा प्रतिस्पर्धी अनुकूलित उत्पादनहरू उत्पादन गर्न सक्षम हुनेछन्।
पोस्ट समय: जुन-२८-२०२४