ٽئين نسل جو سيمي ڪنڊڪٽر GaN ۽ لاڳاپيل ايپيٽيڪسيل ٽيڪنالاجي جو مختصر تعارف

1. ٽئين نسل جا سيمي ڪنڊڪٽر

پهرين نسل جي سيمي ڪنڊڪٽر ٽيڪنالاجي سيمي ڪنڊڪٽر مواد جهڙوڪ سي ۽ جي جي بنياد تي تيار ڪئي وئي هئي. اهو ٽرانزسٽر ۽ انٽيگريٽڊ سرڪٽ ٽيڪنالاجي جي ترقي لاءِ مادي بنياد آهي. پهرين نسل جي سيمي ڪنڊڪٽر مواد 20 صدي ۾ اليڪٽرانڪ صنعت جي بنياد رکي ۽ انٽيگريٽڊ سرڪٽ ٽيڪنالاجي لاءِ بنيادي مواد آهن.

ٻئي نسل جي سيمي ڪنڊڪٽر مواد ۾ خاص طور تي گيليم آرسنائيڊ، انڊيم فاسفائيڊ، گيليم فاسفائيڊ، انڊيم آرسنائيڊ، ايلومينيم آرسنائيڊ ۽ انهن جا ٽرنري مرڪب شامل آهن. ٻئي نسل جي سيمي ڪنڊڪٽر مواد آپٽو اليڪٽرانڪ انفارميشن انڊسٽري جو بنياد آهن. هن بنياد تي، لاڳاپيل صنعتون جهڙوڪ روشني، ڊسپلي، ليزر، ۽ فوٽووولٽڪ ترقي ڪئي وئي آهي. اهي جديد انفارميشن ٽيڪنالاجي ۽ آپٽو اليڪٽرانڪ ڊسپلي انڊسٽريز ۾ وڏي پيماني تي استعمال ٿين ٿا.

ٽئين نسل جي سيمي ڪنڊڪٽر مواد جي نمائندگي ڪندڙ مواد ۾ گيليم نائٽرائڊ ۽ سلڪون ڪاربائيڊ شامل آهن. انهن جي وسيع بينڊ گيپ، اعلي اليڪٽران سنترپتي ڊرفٽ ويلوسيٽي، اعلي حرارتي چالکائي، ۽ اعلي بريڪ ڊائون فيلڊ طاقت جي ڪري، اهي اعلي طاقت جي کثافت، اعلي تعدد، ۽ گهٽ نقصان واري اليڪٽرانڪ ڊوائيسز تيار ڪرڻ لاءِ مثالي مواد آهن. انهن مان، سلڪون ڪاربائيڊ پاور ڊوائيسز ۾ اعلي توانائي جي کثافت، گهٽ توانائي جي استعمال، ۽ ننڍي سائيز جا فائدا آهن، ۽ نئين توانائي گاڏين، فوٽووولٽيڪس، ريل ٽرانسپورٽ، وڏي ڊيٽا، ۽ ٻين شعبن ۾ وسيع ايپليڪيشن امڪان آهن. گيليم نائٽرائڊ آر ايف ڊوائيسز ۾ اعلي تعدد، اعلي طاقت، وسيع بينڊوڊٿ، گهٽ بجلي جي استعمال ۽ ننڍي سائيز جا فائدا آهن، ۽ 5G ڪميونيڪيشن، انٽرنيٽ آف ٿنگس، فوجي ريڊار ۽ ٻين شعبن ۾ وسيع ايپليڪيشن امڪان آهن. ان کان علاوه، گيليم نائٽرائڊ تي ٻڌل پاور ڊوائيسز کي گهٽ وولٽيج فيلڊ ۾ وڏي پيماني تي استعمال ڪيو ويو آهي. ان کان علاوه، تازن سالن ۾، اڀرندڙ گيليم آڪسائيڊ مواد جي توقع ڪئي وئي آهي ته اهي موجوده SiC ۽ GaN ٽيڪنالاجي سان ٽيڪنيڪل مڪمل ڪرڻ، ۽ گهٽ تعدد ۽ اعلي وولٽيج فيلڊ ۾ امڪاني ايپليڪيشن امڪان آهن.

ٻئي نسل جي سيمي ڪنڊڪٽر مواد جي مقابلي ۾، ٽئين نسل جي سيمي ڪنڊڪٽر مواد ۾ وسيع بينڊ گيپ ويڪر آهي (پهرين نسل جي سيمي ڪنڊڪٽر مواد جي هڪ عام مواد، Si جي بينڊ گيپ ويڪر، تقريبن 1.1eV آهي، ٻئي نسل جي سيمي ڪنڊڪٽر مواد جي هڪ عام مواد، GaAs جي بينڊ گيپ ويڪر، تقريبن 1.42eV آهي، ۽ ٽئين نسل جي سيمي ڪنڊڪٽر مواد جي هڪ عام مواد، GaN جي بينڊ گيپ ويڪر، 2.3eV کان مٿي آهي)، مضبوط تابڪاري مزاحمت، برقي ميدان جي ڀڃڪڙي جي مضبوط مزاحمت، ۽ وڌيڪ گرمي پد جي مزاحمت. ٽئين نسل جي سيمي ڪنڊڪٽر مواد وسيع بينڊ گيپ ويڪر سان خاص طور تي تابڪاري مزاحمتي، اعلي فريڪوئنسي، اعلي طاقت ۽ اعلي انضمام-کثافت اليڪٽرانڪ ڊوائيسز جي پيداوار لاءِ مناسب آهن. مائڪرو ويڪرو ريڊيو فريڪوئنسي ڊوائيسز، LEDs، ليزر، پاور ڊوائيسز ۽ ٻين شعبن ۾ انهن جي ايپليڪيشنن تمام گهڻو ڌيان ڇڪايو آهي، ۽ انهن موبائل ڪميونيڪيشن، سمارٽ گرڊ، ريل ٽرانزٽ، نئين توانائي گاڏين، صارف اليڪٽرانڪس، ۽ الٽراوائليٽ ۽ نيري سائي روشني ڊوائيسز ۾ وسيع ترقي جا امڪان ڏيکاريا آهن [1].

تصوير جو ذريعو: CASA، زيشانگ سيڪيورٽيز ريسرچ انسٽيٽيوٽ

شڪل 1 GaN پاور ڊيوائس ٽائيم اسڪيل ۽ اڳڪٿي

II GaN مواد جي جوڙجڪ ۽ خاصيتون

GaN هڪ سڌو بينڊ گيپ سيمي ڪنڊڪٽر آهي. ڪمري جي حرارت تي وورٽزائيٽ جي بناوت جي بينڊ گيپ ويڪر تقريباً 3.26eV آهي. GaN مواد ۾ ٽي مکيه ڪرسٽل ڍانچي آهن، يعني وورٽزائيٽ ڍانچي، اسفيلريٽ ڍانچي ۽ پٿر جي لوڻ جي ڍانچي. انهن مان، وورٽزائيٽ ڍانچي سڀ کان وڌيڪ مستحڪم ڪرسٽل ڍانچي آهي. شڪل 2 GaN جي هيڪساگونل وورٽزائيٽ ڍانچي جو هڪ خاڪو آهي. GaN مواد جي وورٽزائيٽ ڍانچي هڪ هيڪساگونل ويجهو ڀريل ڍانچي سان تعلق رکي ٿي. هر يونٽ سيل ۾ 12 ايٽم آهن، جن ۾ 6 N ايٽم ۽ 6 Ga ايٽم شامل آهن. هر Ga (N) ايٽم 4 ويجھن N (Ga) ايٽم سان هڪ بانڊ ٺاهيندو آهي ۽ ABABAB جي ترتيب ۾ اسٽيڪ ڪيو ويندو آهي ... [0001] هدايت [2] سان گڏ.

شڪل 2 وورٽزائٽ جي جوڙجڪ GaN ڪرسٽل سيل ڊاگرام

III GaN epitaxy لاءِ عام طور تي استعمال ٿيندڙ سبسٽريٽس

اهو لڳي ٿو ته GaN سبسٽريٽس تي هڪجهڙائي واري ايپيٽيڪسي GaN ايپيٽيڪسي لاءِ بهترين انتخاب آهي. جڏهن ته، GaN جي وڏي بانڊ توانائي جي ڪري، جڏهن گرمي پد 2500 ℃ جي پگھلڻ واري نقطي تي پهچي ٿو، ته ان جي لاڳاپيل سڙڻ جو دٻاءُ تقريباً 4.5GPa آهي. جڏهن سڙڻ جو دٻاءُ هن دٻاءُ کان گهٽ هوندو آهي، ته GaN ڳري نه ٿو پر سڌو سنئون سڙي ويندو آهي. اهو پختو سبسٽريٽ تيار ڪرڻ واري ٽيڪنالاجي جهڙوڪ Czochralski طريقو GaN سنگل ڪرسٽل سبسٽريٽس جي تياري لاءِ نا مناسب بڻائي ٿو، جنهن ڪري GaN سبسٽريٽس کي وڏي پيماني تي پيدا ڪرڻ ڏکيو ۽ مهانگو بڻائي ٿو. تنهن ڪري، GaN ايپيٽيڪسيل واڌ ۾ عام طور تي استعمال ٿيندڙ سبسٽريٽس بنيادي طور تي Si، SiC، نيلم، وغيره آهن [3].

چارٽ 3 عام طور تي استعمال ٿيندڙ سبسٽريٽ مواد جا GaN ۽ پيرا ميٽر

نيلم تي GaN ايپيٽيڪسي

نيلم ۾ مستحڪم ڪيميائي خاصيتون آهن، سستا آهن، ۽ وڏي پيماني تي پيداوار جي صنعت جي اعليٰ پختگي آهي. تنهن ڪري، اهو سيمي ڪنڊڪٽر ڊيوائس انجنيئرنگ ۾ ابتدائي ۽ سڀ کان وڌيڪ استعمال ٿيندڙ سبسٽريٽ مواد مان هڪ بڻجي ويو آهي. GaN ايپيٽيڪسي لاءِ عام طور تي استعمال ٿيندڙ سبسٽريٽ مان هڪ جي طور تي، نيلم سبسٽريٽ لاءِ حل ڪرڻ جي ضرورت جا مکيه مسئلا آهن:

✔ نيلم (Al2O3) ۽ GaN (تقريبن 15٪) جي وچ ۾ وڏي جالي جي بي ترتيبي جي ڪري، ايپيٽيڪسيل پرت ۽ سبسٽريٽ جي وچ ۾ انٽرفيس تي خرابي جي کثافت تمام گهڻي آهي. ان جي خراب اثرن کي گهٽائڻ لاءِ، ايپيٽيڪسي عمل شروع ٿيڻ کان اڳ سبسٽريٽ کي پيچيده پريٽريٽمينٽ جي تابع ڪيو وڃي. نيلم سبسٽريٽ تي GaN ايپيٽيڪسي وڌڻ کان اڳ، سبسٽريٽ جي مٿاڇري کي پهريان سختي سان صاف ڪيو وڃي ته جيئن آلودگي، باقي پالشنگ نقصان، وغيره کي ختم ڪري سگهجي، ۽ قدم ۽ قدم جي مٿاڇري جي جوڙجڪ پيدا ڪري سگهجي. پوءِ، سبسٽريٽ جي مٿاڇري کي ايپيٽيڪسيل پرت جي ويٽنگ خاصيتن کي تبديل ڪرڻ لاءِ نائٽرائڊ ڪيو ويندو آهي. آخرڪار، هڪ پتلي AlN بفر پرت (عام طور تي 10-100nm ٿلهي) کي سبسٽريٽ جي مٿاڇري تي جمع ڪرڻ ۽ آخري ايپيٽيڪسيل واڌ لاءِ تيار ڪرڻ لاءِ گهٽ درجه حرارت تي اينيل ڪرڻ جي ضرورت آهي. تڏهن به، نيلم سبسٽريٽس تي اُڀريل GaN ايپيٽيڪسيل فلمن ۾ ڊِسلوڪشن ڊينسٽي اڃا تائين هوميوپيٽيڪسيل فلمن کان وڌيڪ آهي (تقريبن 1010cm-2، سلڪون هوميوپيٽيڪسيل فلمن يا گيليم آرسنائيڊ هوميوپيٽيڪسيل فلمن ۾ بنيادي طور تي صفر ڊِسلوڪشن ڊينسٽي جي مقابلي ۾، يا 102 ۽ 104cm-2 جي وچ ۾). وڌيڪ خرابي جي کثافت ڪيريئر موبلٽي کي گھٽائي ٿي، ان ڪري اقليتي ڪيريئر جي زندگي کي گھٽائي ٿي ۽ حرارتي چالکائي کي گھٽائي ٿي، اهي سڀ ڊوائيس جي ڪارڪردگي کي گھٽائي ڇڏيندا [4]؛

✔ نيلم جو حرارتي توسيع جو ڪوئفيشينٽ GaN کان وڌيڪ آهي، تنهن ڪري ڊپوزيشن جي درجه حرارت کان ڪمري جي حرارت تائين ٿڌي ٿيڻ جي عمل دوران ايپيٽيڪسيل پرت ۾ ٻائي ايڪسيل ڪمپريسيو دٻاءُ پيدا ٿيندو. ٿلهي ايپيٽيڪسيل فلمن لاءِ، هي دٻاءُ فلم يا سبسٽريٽ جي ڀڃڻ جو سبب بڻجي سگهي ٿو؛

✔ ٻين سبسٽريٽس جي مقابلي ۾، نيلم سبسٽريٽس جي حرارتي چالکائي گهٽ آهي (تقريبن 0.25W*cm-1*K-1 100℃ تي)، ۽ گرمي جي ضايع ڪرڻ جي ڪارڪردگي خراب آهي؛

✔ ان جي خراب چالکائي جي ڪري، نيلم سبسٽريٽ ٻين سيمي ڪنڊڪٽر ڊوائيسز سان انهن جي انضمام ۽ استعمال لاءِ سازگار نه آهن.

جيتوڻيڪ نيلم سبسٽريٽس تي اُڀريل GaN ايپيٽيڪسيل پرتن جي خرابي جي کثافت وڌيڪ آهي، پر اهو GaN تي ٻڌل نيري-سائي LEDs جي آپٽو اليڪٽرونڪ ڪارڪردگي کي خاص طور تي گهٽائيندي نظر نٿو اچي، تنهن ڪري نيلم سبسٽريٽس اڃا تائين GaN تي ٻڌل LEDs لاءِ عام طور تي استعمال ٿيندڙ سبسٽريٽس آهن.

GaN ڊوائيسز جهڙوڪ ليزر يا ٻين اعليٰ کثافت واري پاور ڊوائيسز جي وڌيڪ نئين ايپليڪيشنن جي ترقي سان، نيلم سبسٽريٽ جا موروثي نقص انهن جي استعمال تي هڪ حد بڻجي ويا آهن. ان کان علاوه، SiC سبسٽريٽ جي واڌ جي ٽيڪنالاجي جي ترقي، قيمت ۾ گهٽتائي ۽ Si سبسٽريٽ تي GaN ايپيٽڪسيل ٽيڪنالاجي جي پختگي سان، نيلم سبسٽريٽ تي وڌندڙ GaN ايپيٽڪسيل پرتن تي وڌيڪ تحقيق بتدريج ٿڌي رجحان ڏيکاريو آهي.

SiC تي GaN ايپيٽيڪسي

نيلم جي مقابلي ۾، SiC سبسٽريٽس (4H- ۽ 6H-ڪرسٽل) ۾ GaN ايپيٽڪسيل پرتن (3.1٪، [0001] تي ٻڌل ايپيٽڪسيل فلمن جي برابر)، وڌيڪ حرارتي چالکائي (تقريبن 3.8W*cm-1*K-1)، وغيره سان هڪ ننڍڙو جالي بي ترتيب آهي. ان کان علاوه، SiC سبسٽريٽس جي چالکائي پڻ سبسٽريٽ جي پوئين پاسي برقي رابطن کي ٺاهڻ جي اجازت ڏئي ٿي، جيڪا ڊوائيس جي جوڙجڪ کي آسان بڻائڻ ۾ مدد ڪري ٿي. انهن فائدن جي موجودگي وڌيڪ کان وڌيڪ محققن کي سلڪون ڪاربائيڊ سبسٽريٽس تي GaN ايپيٽڪسي تي ڪم ڪرڻ لاءِ راغب ڪيو آهي.

جڏهن ته، GaN ايپيليئرز کي وڌڻ کان بچڻ لاءِ سڌو سنئون SiC سبسٽريٽس تي ڪم ڪرڻ سان پڻ ڪيترائي نقصان سامهون اچن ٿا، جن ۾ هيٺيان شامل آهن:

✔ SiC سبسٽريٽس جي مٿاڇري جي خرابي نيلم سبسٽريٽس جي ڀيٽ ۾ تمام گهڻي آهي (نيلم جي خرابي 0.1nm RMS، SiC خرابي 1nm RMS)، SiC سبسٽريٽس ۾ سختي وڌيڪ ۽ پروسيسنگ جي ڪارڪردگي خراب آهي، ۽ هي خرابي ۽ باقي پالش ڪرڻ وارو نقصان پڻ GaN ايپيليئرز ۾ خرابين جي ذريعن مان هڪ آهي.

✔ SiC سبسٽريٽس جي اسڪرو ڊِسلوڪشن ڊينسٽي وڌيڪ آهي (ڊِسلوڪشن ڊينسٽي 103-104cm-2)، اسڪرو ڊِسلوڪشن GaN ايپيليئر تائين پکڙجي سگهن ٿا ۽ ڊوائيس جي ڪارڪردگي کي گهٽائي سگهن ٿا؛

✔ سبسٽريٽ جي مٿاڇري تي ايٽمي ترتيب GaN ايپيليئر ۾ اسٽيڪنگ فالٽس (BSFs) جي ٺهڻ کي جنم ڏئي ٿي. SiC سبسٽريٽ تي ايپيٽڪسيل GaN لاءِ، سبسٽريٽ تي ڪيترائي ممڪن ايٽمي ترتيب آرڊر آهن، جنهن جي نتيجي ۾ ان تي ايپيٽڪسيل GaN پرت جي غير مطابقت واري شروعاتي ايٽمي اسٽيڪنگ آرڊر آهي، جيڪو اسٽيڪنگ فالٽس جو شڪار آهي. اسٽيڪنگ فالٽس (SFs) سي-محور سان گڏ بلٽ ان برقي شعبا متعارف ڪرائيندا آهن، جنهن جي ڪري جهاز ۾ ڪيريئر سيپريشن ڊوائيسز جي ليڪيج جهڙا مسئلا پيدا ٿين ٿا؛

✔ SiC سبسٽريٽ جو حرارتي توسيع جو ڪوئفيشينٽ AlN ۽ GaN کان ننڍو آهي، جيڪو ٿڌي عمل دوران ايپيٽڪسيل پرت ۽ سبسٽريٽ جي وچ ۾ حرارتي دٻاءُ جمع ڪرڻ جو سبب بڻجندو آهي. والٽرائيٽ ۽ برانڊ پنهنجي تحقيق جي نتيجن جي بنياد تي اڳڪٿي ڪئي ته هن مسئلي کي پتلي، مربوط طور تي ڇڪيل AlN نيوڪليشن پرتن تي GaN ايپيٽڪسيل پرتن کي وڌائڻ سان گهٽائي يا حل ڪري سگهجي ٿو؛

✔ Ga ايٽمز جي خراب ويٽيبلٽي جو مسئلو. جڏهن GaN ايپيٽڪسيل پرتن کي سڌو سنئون SiC مٿاڇري تي وڌايو ويندو آهي، ٻن ايٽمز جي وچ ۾ خراب ويٽيبلٽي جي ڪري، GaN سبسٽريٽ مٿاڇري تي 3D ٻيٽ جي واڌ جو شڪار هوندو آهي. GaN ايپيٽڪسي ۾ ايپيٽڪسيل مواد جي معيار کي بهتر بڻائڻ لاءِ بفر پرت متعارف ڪرائڻ سڀ کان وڌيڪ استعمال ٿيندڙ حل آهي. AlN يا AlxGa1-xN بفر پرت متعارف ڪرائڻ سان SiC مٿاڇري جي ويٽيبلٽي کي مؤثر طريقي سان بهتر بڻائي سگهجي ٿو ۽ GaN ايپيٽڪسيل پرت کي ٻن طول و عرض ۾ وڌائي سگهجي ٿو. ان کان علاوه، اهو دٻاءُ کي پڻ منظم ڪري سگهي ٿو ۽ سبسٽريٽ جي خرابين کي GaN ايپيٽڪسي تائين وڌائڻ کان روڪي سگهي ٿو؛

✔ SiC سبسٽريٽس جي تياري جي ٽيڪنالاجي نابالغ آهي، سبسٽريٽ جي قيمت وڌيڪ آهي، ۽ سپلائرز گهٽ آهن ۽ سپلاءِ گهٽ آهي.

ٽورس ۽ ٻين جي تحقيق مان ظاهر ٿئي ٿو ته ايپيٽيڪسي کان اڳ SiC سبسٽريٽ کي H2 سان ايچ ڪرڻ سان سبسٽريٽ جي مٿاڇري تي وڌيڪ ترتيب ڏنل قدم جي جوڙجڪ پيدا ٿي سگهي ٿي، ان ڪري اصل سبسٽريٽ جي مٿاڇري تي سڌو سنئون پوکڻ جي ڀيٽ ۾ هڪ اعليٰ معيار جي AlN ايپيٽيڪسيل فلم حاصل ڪري سگهجي ٿي. زئي ۽ سندس ٽيم جي تحقيق اهو پڻ ڏيکاري ٿي ته سلڪون ڪاربائيڊ سبسٽريٽ جي ايچنگ پريٽريٽمينٽ GaN ايپيٽيڪسيل پرت جي مٿاڇري جي مورفولوجي ۽ ڪرسٽل معيار کي خاص طور تي بهتر بڻائي سگهي ٿي. سمٿ ۽ ٻين اهو معلوم ڪيو ته سبسٽريٽ/بفر پرت ۽ بفر پرت/ايپيٽيڪسيل پرت انٽرفيس مان نڪرندڙ ٿريڊنگ ڊسلوڪيشن سبسٽريٽ جي فليٽنس سان لاڳاپيل آهن [5].

شڪل 4 مختلف مٿاڇري جي علاج جي حالتن هيٺ 6H-SiC سبسٽريٽ (0001) تي پوکيل GaN ايپيٽيڪسيل پرت جي نمونن جي TEM مورفولوجي (a) ڪيميائي صفائي؛ (b) ڪيميائي صفائي + هائيڊروجن پلازما علاج؛ (c) ڪيميائي صفائي + هائيڊروجن پلازما علاج + 1300℃ هائيڊروجن گرمي علاج 30 منٽن لاءِ

سي تي GaN ايپيٽيڪسي

سلڪون ڪاربائيڊ، نيلم ۽ ٻين سبسٽريٽ جي مقابلي ۾، سلڪون سبسٽريٽ تيار ڪرڻ جو عمل پختو آهي، ۽ اهو مستحڪم طور تي وڏي سائيز جي سبسٽريٽ کي اعلي قيمت جي ڪارڪردگي سان مهيا ڪري سگهي ٿو. ساڳئي وقت، حرارتي چالکائي ۽ برقي چالکائي سٺي آهي، ۽ Si اليڪٽرانڪ ڊوائيس جو عمل پختو آهي. مستقبل ۾ آپٽو اليڪٽرانڪ GaN ڊوائيسز کي Si اليڪٽرانڪ ڊوائيسز سان مڪمل طور تي ضم ڪرڻ جو امڪان پڻ سلڪون تي GaN ايپيٽيڪسي جي واڌ کي تمام پرڪشش بڻائي ٿو.

جڏهن ته، Si سبسٽريٽ ۽ GaN مواد جي وچ ۾ لٽيس مستقل ۾ وڏي فرق جي ڪري، Si سبسٽريٽ تي GaN جي هيٽروجينيئس ايپيٽڪسي هڪ عام وڏي بي ترتيب ايپيٽڪسي آهي، ۽ ان کي مسئلن جي هڪ سلسلي کي منهن ڏيڻ جي ضرورت آهي:

✔ مٿاڇري جي انٽرفيس توانائي جو مسئلو. جڏهن GaN هڪ Si سبسٽريٽ تي وڌندو آهي، ته Si سبسٽريٽ جي مٿاڇري کي پهريان نائٽرائڊ ڪيو ويندو ته جيئن هڪ بيڪار سلڪون نائٽرائڊ پرت ٺاهي سگهجي جيڪا اعلي کثافت واري GaN جي نيوڪليشن ۽ واڌ لاءِ سازگار نه هوندي. ان کان علاوه، Si مٿاڇري پهرين Ga سان رابطو ڪندي، جيڪا Si سبسٽريٽ جي مٿاڇري کي خراب ڪندي. تيز گرمي پد تي، Si مٿاڇري جو سڙڻ GaN ايپيٽيڪسيل پرت ۾ ڦهلجي ويندو ۽ ڪارا سلڪون داغ ٺاهيندو.

✔ GaN ۽ Si جي وچ ۾ لٽيس مسلسل بي ترتيبي وڏي آهي (~17%)، جيڪا اعليٰ کثافت واري ٿريڊنگ ڊسڪلوڪشن جي ٺهڻ جو سبب بڻجندي ۽ ايپيٽيڪسيل پرت جي معيار کي خاص طور تي گهٽائيندي؛

✔ Si جي مقابلي ۾، GaN ۾ هڪ وڏو حرارتي توسيع جو ڪوئفيشينٽ آهي (GaN جو حرارتي توسيع جو ڪوئفيشينٽ تقريباً 5.6×10-6K-1 آهي، Si جو حرارتي توسيع جو ڪوئفيشينٽ تقريباً 2.6×10-6K-1 آهي)، ۽ ايپيٽڪسيل گرمي پد کي ڪمري جي حرارت تي ٿڌي ڪرڻ دوران GaN ايپيٽڪسيل پرت ۾ دراڙ پيدا ٿي سگهن ٿا؛

✔ Si تيز گرمي پد تي NH3 سان رد عمل ڪري پولي ڪرسٽل لائن SiNx ٺاهي ٿو. AlN پولي ڪرسٽل لائن SiNx تي ترجيحي طور تي مبني نيوڪليس نه ٿو ٺاهي سگهي، جيڪو بعد ۾ وڌندڙ GaN پرت جي بي ترتيب رخ ۽ وڏي تعداد ۾ نقائص جو سبب بڻجندو آهي، جنهن جي نتيجي ۾ GaN ايپيٽيڪسيل پرت جي خراب ڪرسٽل معيار، ۽ هڪ سنگل-ڪرسٽل لائن GaN ايپيٽيڪسيل پرت ٺاهڻ ۾ به ڏکيائي ٿيندي آهي [6].

وڏين جالين جي بي ترتيبي جي مسئلي کي حل ڪرڻ لاءِ، محققن Si سبسٽريٽس تي بفر پرتن جي طور تي AlAs، GaAs، AlN، GaN، ZnO، ۽ SiC جهڙن مواد کي متعارف ڪرائڻ جي ڪوشش ڪئي آهي. پولي ڪرسٽل لائن SiNx جي ٺهڻ کان بچڻ ۽ GaN/AlN/Si (111) مواد جي ڪرسٽل معيار تي ان جي خراب اثرن کي گهٽائڻ لاءِ، عام طور تي AlN بفر پرت جي ايپيٽڪسيل واڌ کان اڳ هڪ خاص وقت لاءِ TMAl متعارف ڪرائڻ جي ضرورت هوندي آهي ته جيئن NH3 کي SiNx ٺاهڻ لاءِ بي نقاب Si مٿاڇري سان رد عمل ڪرڻ کان روڪيو وڃي. ان کان علاوه، پيٽرن ٿيل سبسٽريٽ ٽيڪنالاجي جهڙيون ايپيٽڪسيل ٽيڪنالاجيون ايپيٽڪسيل پرت جي معيار کي بهتر بڻائڻ لاءِ استعمال ڪري سگهجن ٿيون. انهن ٽيڪنالاجي جي ترقي ايپيٽڪسيل انٽرفيس تي SiNx جي ٺهڻ کي روڪڻ، GaN ايپيٽڪسيل پرت جي ٻٽي-dimensional واڌ کي فروغ ڏيڻ، ۽ ايپيٽڪسيل پرت جي واڌ جي معيار کي بهتر بڻائڻ ۾ مدد ڪري ٿي. ان کان علاوه، سلڪون سبسٽريٽ تي GaN ايپيٽڪسيل پرت ۾ دراڙ کان بچڻ لاءِ تھرمل ايڪسپينشن ڪوئفيشينٽس ۾ فرق جي ڪري پيدا ٿيندڙ ٽينسل اسٽريس جي تلافي لاءِ هڪ AlN بفر پرت متعارف ڪرائي وئي آهي. ڪروسٽ جي تحقيق ڏيکاري ٿي ته AlN بفر پرت جي ٿولهه ۽ دٻاءُ ۾ گهٽتائي جي وچ ۾ هڪ مثبت تعلق آهي. جڏهن بفر پرت جي ٿولهه 12nm تائين پهچي ٿي، ته 6μm کان وڌيڪ ٿلهي ايپيٽڪسيل پرت کي سلڪون سبسٽريٽ تي هڪ مناسب واڌ جي اسڪيم ذريعي ايپيٽڪسيل پرت جي ڀڃڪڙي کان سواءِ پوکي سگهجي ٿو.

محققن جي ڊگهي عرصي جي ڪوششن کان پوءِ، سلڪون سبسٽريٽس تي پوکيل GaN ايپيٽيڪسيل پرتن جي معيار ۾ خاص طور تي بهتري آئي آهي، ۽ فيلڊ ايفيڪٽ ٽرانزسٽر، شوٽڪي بيريئر الٽراوائليٽ ڊيٽيڪٽر، نيرو-سائي ايل اي ڊي ۽ الٽراوائليٽ ليزر جهڙن ڊوائيسز ۾ اهم ترقي ٿي آهي.

خلاصو، جيئن ته عام طور تي استعمال ٿيندڙ GaN ايپيٽيڪسيل سبسٽريٽس سڀئي متضاد ايپيٽيڪسي آهن، انهن سڀني کي عام مسئلن کي منهن ڏيڻو پوي ٿو جهڙوڪ جالي جي بي ترتيبي ۽ مختلف درجن تائين حرارتي توسيع جي کوٽائي ۾ وڏا فرق. هڪجهڙا ايپيٽيڪسيل GaN سبسٽريٽس ٽيڪنالاجي جي پختگي جي ڪري محدود آهن، ۽ سبسٽريٽس اڃا تائين وڏي پيماني تي پيدا نه ڪيا ويا آهن. پيداوار جي قيمت وڌيڪ آهي، سبسٽريٽس جو سائز ننڍو آهي، ۽ سبسٽريٽس جو معيار مثالي ناهي. نئين GaN ايپيٽيڪسيل سبسٽريٽس جي ترقي ۽ ايپيٽيڪسيل معيار جي بهتري اڃا تائين GaN ايپيٽيڪسيل انڊسٽري جي وڌيڪ ترقي کي محدود ڪندڙ اهم عنصرن مان هڪ آهي.

IV. GaN epitaxy لاءِ عام طريقا

ڪيميائي بخارات جو جمع (MOCVD)

اهو لڳي ٿو ته GaN سبسٽريٽس تي هڪجهڙائي واري ايپيٽيڪسي GaN ايپيٽيڪسي لاءِ بهترين انتخاب آهي. تنهن هوندي به، جيئن ته ڪيميائي بخارات جي جمع ٿيڻ جا اڳوڻا ٽرائيميٿيل گيليم ۽ امونيا آهن، ۽ ڪيريئر گيس هائيڊروجن آهي، عام MOCVD واڌ جو گرمي پد تقريباً 1000-1100 ℃ آهي، ۽ MOCVD جي واڌ جي شرح تقريباً ڪجهه مائڪرون في ڪلاڪ آهي. اهو ايٽمي سطح تي اسٽيپ انٽرفيس پيدا ڪري سگهي ٿو، جيڪو هيٽروجنڪشن، ڪوانٽم ويل، سپرليٽس ۽ ٻين ڍانچن کي وڌائڻ لاءِ تمام مناسب آهي. ان جي تيز واڌ جي شرح، سٺي هڪجهڙائي، ۽ وڏي ايراضي ۽ گھڻ-ٽڪڙن جي واڌ لاءِ موزونيت اڪثر صنعتي پيداوار ۾ استعمال ٿيندي آهي.
ايم بي اي (ماليڪيولر بيم ايپيٽيڪسي)
ماليڪيولر بيم ايپيٽيڪسي ۾، Ga هڪ عنصري ذريعو استعمال ڪندو آهي، ۽ فعال نائٽروجن آر ايف پلازما ذريعي نائٽروجن مان حاصل ڪيو ويندو آهي. MOCVD طريقي جي مقابلي ۾، MBE جي واڌ جو گرمي پد تقريباً 350-400 ℃ گهٽ آهي. گهٽ واڌ جو گرمي پد ڪجهه آلودگي کان بچي سگهي ٿو جيڪا شايد اعليٰ درجه حرارت واري ماحول جي ڪري ٿي سگهي ٿي. MBE سسٽم الٽرا هاءِ ويڪيوم تحت ڪم ڪري ٿو، جيڪو ان کي وڌيڪ ان-سيٽو ڳولڻ جي طريقن کي ضم ڪرڻ جي اجازت ڏئي ٿو. ساڳئي وقت، ان جي واڌ جي شرح ۽ پيداوار جي صلاحيت جو مقابلو MOCVD سان نه ٿو ڪري سگهجي، ۽ اهو سائنسي تحقيق ۾ وڌيڪ استعمال ٿيندو آهي [7].

شڪل 5 (a) Eiko-MBE اسڪيميٽڪ (b) MBE مکيه ردعمل چيمبر اسڪيمي

ايڇ وي پي اي طريقو (هائيڊرائيڊ وانپ فيز ايپيٽيڪسي)

هائيڊرائيڊ وانپ فيز ايپيٽيڪسي طريقي جا اڳوڻا GaCl3 ۽ NH3 آهن. ڊيچ پروم ۽ ٻين هن طريقي کي استعمال ڪيو ته جيئن نيلم سبسٽريٽ جي مٿاڇري تي سوين مائڪرون ٿلهي GaN ايپيٽيڪسيل پرت کي وڌايو وڃي. انهن جي تجربي ۾، ZnO جي هڪ پرت نيلم سبسٽريٽ ۽ ايپيٽيڪسيل پرت جي وچ ۾ بفر پرت جي طور تي وڌي وئي، ۽ ايپيٽيڪسيل پرت کي سبسٽريٽ جي مٿاڇري کان ڇڪيو ويو. MOCVD ۽ MBE جي مقابلي ۾، HVPE طريقي جي مکيه خاصيت ان جي اعلي واڌ جي شرح آهي، جيڪا ٿلهي پرتن ۽ بلڪ مواد جي پيداوار لاءِ مناسب آهي. جڏهن ته، جڏهن ايپيٽيڪسيل پرت جي ٿولهه 20μm کان وڌيڪ ٿي ويندي آهي، ته هن طريقي سان پيدا ٿيندڙ ايپيٽيڪسيل پرت ۾ دراڙ پئجي ويندي آهي.
آڪيرا يو ايس يو آءِ هن طريقي جي بنياد تي نموني واري سبسٽريٽ ٽيڪنالاجي متعارف ڪرائي. انهن پهريون ڀيرو MOCVD طريقو استعمال ڪندي نيلم سبسٽريٽ تي هڪ پتلي 1-1.5μm ٿلهي GaN ايپيٽڪسيل پرت کي وڌايو. ايپيٽڪسيل پرت ۾ 20nm ٿلهي GaN بفر پرت شامل هئي جيڪا گهٽ درجه حرارت جي حالتن ۾ وڌي وئي ۽ هڪ GaN پرت جيڪا وڌيڪ درجه حرارت جي حالتن ۾ وڌي وئي. پوءِ، 430 ℃ تي، ايپيٽڪسيل پرت جي مٿاڇري تي SiO2 جي هڪ پرت کي پليٽ ڪيو ويو، ۽ ونڊو پٽيون SiO2 فلم تي فوٽو ليٿوگرافي ذريعي ٺاهيون ويون. پٽي جي فاصلي 7μm هئي ۽ ماسڪ جي ويڪر 1μm کان 4μm تائين هئي. هن بهتري کان پوءِ، انهن 2 انچ قطر جي نيلم سبسٽريٽ تي هڪ GaN ايپيٽڪسيل پرت حاصل ڪئي جيڪا ڪرڪ فري ۽ آئيني وانگر هموار هئي جيتوڻيڪ جڏهن ٿولهه ڏهه يا سوين مائڪرون تائين وڌي وئي. خرابي جي کثافت روايتي HVPE طريقي جي 109-1010cm-2 کان گهٽجي 6×107cm-2 ٿي وئي. انهن تجربي ۾ اهو به اشارو ڪيو ته جڏهن واڌ جي شرح 75μm/h کان وڌي ويندي، ته نموني جي مٿاڇري ڪچي ٿي ويندي [8].

شڪل 6 گرافيڪل سبسٽريٽ اسڪيميٽ

وي. خلاصو ۽ Outlook

GaN مواد 2014 ۾ ظاهر ٿيڻ شروع ٿيا جڏهن نيري روشني واري LED انهي سال فزڪس ۾ نوبل انعام کٽيو، ۽ صارف اليڪٽرانڪس جي ميدان ۾ تيز چارجنگ ايپليڪيشنن جي عوام جي ميدان ۾ داخل ٿيو. حقيقت ۾، 5G بيس اسٽيشنن ۾ استعمال ٿيندڙ پاور ايمپليفائر ۽ RF ڊوائيسز ۾ ايپليڪيشنون جيڪي گهڻا ماڻهو نه ڏسي سگهندا آهن اهي پڻ خاموشي سان ظاهر ٿيون آهن. تازن سالن ۾، GaN تي ٻڌل آٽوميٽو گريڊ پاور ڊوائيسز جي ڪاميابي GaN مواد ايپليڪيشن مارڪيٽ لاءِ نوان واڌ جا نقطا کولڻ جي اميد آهي.
وڏي مارڪيٽ جي طلب يقيني طور تي GaN سان لاڳاپيل صنعتن ۽ ٽيڪنالاجي جي ترقي کي فروغ ڏيندي. GaN سان لاڳاپيل صنعتي زنجير جي پختگي ۽ بهتري سان، موجوده GaN ايپيٽڪسيل ٽيڪنالاجي کي درپيش مسئلا آخرڪار بهتر يا قابو پائي ويندا. مستقبل ۾، ماڻهو يقيني طور تي وڌيڪ نئين ايپيٽڪسيل ٽيڪنالاجيون ۽ وڌيڪ بهترين سبسٽريٽ آپشنز ترقي ڪندا. ان وقت تائين، ماڻهو ايپليڪيشن منظرنامي جي خاصيتن جي مطابق مختلف ايپليڪيشن منظرنامي لاءِ سڀ کان وڌيڪ مناسب خارجي تحقيق ٽيڪنالاجي ۽ سبسٽريٽ چونڊڻ جي قابل هوندا، ۽ سڀ کان وڌيڪ مقابلي واري ڪسٽمائيز پراڊڪٽس پيدا ڪندا.