1. තුන්වන පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක
පළමු පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක තාක්ෂණය Si සහ Ge වැනි අර්ධ සන්නායක ද්රව්ය මත පදනම්ව සංවර්ධනය කරන ලදී. එය ට්රාන්සිස්ටර සහ ඒකාබද්ධ පරිපථ තාක්ෂණය සංවර්ධනය කිරීම සඳහා ද්රව්යමය පදනම වේ. පළමු පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක ද්රව්ය 20 වන සියවසේදී ඉලෙක්ට්රොනික කර්මාන්තය සඳහා අඩිතාලම දැමූ අතර ඒකාබද්ධ පරිපථ තාක්ෂණය සඳහා මූලික ද්රව්ය වේ.
දෙවන පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක ද්රව්ය අතර ප්රධාන වශයෙන් ගැලියම් ආසනයිඩ්, ඉන්ඩියම් පොස්ෆයිඩ්, ගැලියම් පොස්ෆයිඩ්, ඉන්ඩියම් ආසනයිඩ්, ඇලුමිනියම් ආසනයිඩ් සහ ඒවායේ ත්රිත්ව සංයෝග ඇතුළත් වේ. දෙවන පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක ද්රව්ය ඔප්ටෝ ඉලෙක්ට්රොනික තොරතුරු කර්මාන්තයේ පදනම වේ. මෙම පදනම මත, ආලෝකකරණය, සංදර්ශකය, ලේසර් සහ ප්රකාශ වෝල්ටීයතා වැනි ආශ්රිත කර්මාන්ත සංවර්ධනය කර ඇත. ඒවා සමකාලීන තොරතුරු තාක්ෂණයේ සහ ඔප්ටෝ ඉලෙක්ට්රොනික සංදර්ශක කර්මාන්තවල බහුලව භාවිතා වේ.
තුන්වන පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක ද්රව්යවල නියෝජිත ද්රව්ය අතර ගැලියම් නයිට්රයිඩ් සහ සිලිකන් කාබයිඩ් ඇතුළත් වේ. ඒවායේ පුළුල් කලාප පරතරය, ඉහළ ඉලෙක්ට්රෝන සන්තෘප්ත ප්ලාවිත ප්රවේගය, ඉහළ තාප සන්නායකතාවය සහ ඉහළ බිඳවැටීමේ ක්ෂේත්ර ශක්තිය නිසා, ඒවා අධි බල ඝනත්වය, අධි සංඛ්යාත සහ අඩු පාඩු ඉලෙක්ට්රොනික උපාංග සකස් කිරීම සඳහා කදිම ද්රව්ය වේ. ඒවා අතර, සිලිකන් කාබයිඩ් බල උපාංගවලට ඉහළ ශක්ති ඝනත්වය, අඩු ශක්ති පරිභෝජනය සහ කුඩා ප්රමාණයේ වාසි ඇති අතර, නව බලශක්ති වාහන, ප්රකාශ වෝල්ටීයතා, දුම්රිය ප්රවාහනය, විශාල දත්ත සහ වෙනත් ක්ෂේත්රවල පුළුල් යෙදුම් අපේක්ෂාවන් ඇත. ගැලියම් නයිට්රයිඩ් RF උපාංගවලට ඉහළ සංඛ්යාත, ඉහළ බලය, පුළුල් කලාප පළල, අඩු බල පරිභෝජනය සහ කුඩා ප්රමාණයේ වාසි ඇති අතර, 5G සන්නිවේදනය, දේවල් අන්තර්ජාලය, හමුදා රේඩාර් සහ අනෙකුත් ක්ෂේත්රවල පුළුල් යෙදුම් අපේක්ෂාවන් ඇත. ඊට අමතරව, ගැලියම් නයිට්රයිඩ් මත පදනම් වූ බල උපාංග අඩු වෝල්ටීයතා ක්ෂේත්රයේ බහුලව භාවිතා වේ. මීට අමතරව, මෑත වසරවලදී, නැගී එන ගැලියම් ඔක්සයිඩ් ද්රව්ය පවතින SiC සහ GaN තාක්ෂණයන් සමඟ තාක්ෂණික අනුපූරකතාවයක් ඇති කිරීමට අපේක්ෂා කරන අතර, අඩු සංඛ්යාත සහ අධි වෝල්ටීයතා ක්ෂේත්රවල විභව යෙදුම් අපේක්ෂාවන් ඇත.
දෙවන පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක ද්රව්ය හා සසඳන විට, තුන්වන පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක ද්රව්යවලට පුළුල් කලාප පරතරයක් ඇත (පළමු පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක ද්රව්යයේ සාමාන්ය ද්රව්යයක් වන Si හි කලාප පරතරය පළල 1.1eV පමණ වන අතර, දෙවන පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක ද්රව්යයේ සාමාන්ය ද්රව්යයක් වන GaAs හි කලාප පරතරය පළල 1.42eV පමණ වන අතර, තුන්වන පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක ද්රව්යයේ සාමාන්ය ද්රව්යයක් වන GaN හි කලාප පරතරය පළල 2.3eV ට වඩා වැඩිය), ශක්තිමත් විකිරණ ප්රතිරෝධයක්, විද්යුත් ක්ෂේත්ර බිඳවැටීමට ශක්තිමත් ප්රතිරෝධයක් සහ ඉහළ උෂ්ණත්ව ප්රතිරෝධයක් ඇත. පුළුල් කලාප පරතරයක් සහිත තුන්වන පරම්පරාවේ අර්ධ සන්නායක ද්රව්ය විකිරණ-ප්රතිරෝධී, අධි-සංඛ්යාත, අධි-බල සහ අධි-ඒකාබද්ධ-ඝනත්ව ඉලෙක්ට්රොනික උපාංග නිෂ්පාදනය සඳහා විශේෂයෙන් සුදුසු වේ. මයික්රෝවේව් රේඩියෝ සංඛ්යාත උපාංග, LED, ලේසර්, බල උපාංග සහ අනෙකුත් ක්ෂේත්රවල ඒවායේ යෙදීම් බොහෝ අවධානයට ලක්ව ඇති අතර, ඒවා ජංගම සන්නිවේදනය, ස්මාර්ට් ජාලක, දුම්රිය ප්රවාහනය, නව බලශක්ති වාහන, පාරිභෝගික ඉලෙක්ට්රොනික උපකරණ සහ පාරජම්බුල සහ නිල්-කොළ ආලෝක උපාංගවල පුළුල් සංවර්ධන අපේක්ෂාවන් පෙන්වා දී ඇත [1].
රූප මූලාශ්රය: CASA, ෂෙෂැං සුරැකුම්පත් පර්යේෂණ ආයතනය
රූපය 1 GaN බල උපාංග කාල පරිමාණය සහ පුරෝකථනය
II GaN ද්රව්ය ව්යුහය සහ ලක්ෂණ
GaN යනු සෘජු කලාප පරතරය අර්ධ සන්නායකයකි. කාමර උෂ්ණත්වයේ දී වර්ට්සයිට් ව්යුහයේ කලාප පරතරය පළල 3.26eV පමණ වේ. GaN ද්රව්යවල ප්රධාන ස්ඵටික ව්යුහ තුනක් ඇත, එනම් වර්ට්සයිට් ව්යුහය, ස්පැලරයිට් ව්යුහය සහ පාෂාණ ලුණු ව්යුහය. ඒවා අතර, වර්ට්සයිට් ව්යුහය වඩාත්ම ස්ථායී ස්ඵටික ව්යුහයයි. රූපය 2 යනු GaN හි ෂඩාස්රාකාර වර්ට්සයිට් ව්යුහයේ රූප සටහනකි. GaN ද්රව්යයේ වර්ට්සයිට් ව්යුහය ෂඩාස්රාකාර සමීප ඇසුරුම් ව්යුහයකට අයත් වේ. සෑම ඒකක සෛලයකම N පරමාණු 6 ක් සහ Ga පරමාණු 6 ක් ඇතුළුව පරමාණු 12 ක් ඇත. සෑම Ga (N) පරමාණුවක්ම ආසන්නතම N (Ga) පරමාණු 4 සමඟ බන්ධනයක් සාදන අතර ABABAB අනුපිළිවෙලට ගොඩගැසී ඇත… [0001] දිශාව [2] ඔස්සේ.
රූපය 2 වර්ට්සයිට් ව්යුහය GaN ස්ඵටික සෛල රූප සටහන
III GaN එපිටැක්සි සඳහා බහුලව භාවිතා වන උපස්ථර
GaN උපස්ථර මත සමජාතීය එපිටැක්සි යනු GaN එපිටැක්සි සඳහා හොඳම තේරීම බව පෙනේ. කෙසේ වෙතත්, GaN හි විශාල බන්ධන ශක්තිය නිසා, උෂ්ණත්වය 2500℃ ද්රවාංකයට ළඟා වන විට, එහි අනුරූප වියෝජන පීඩනය 4.5GPa පමණ වේ. වියෝජන පීඩනය මෙම පීඩනයට වඩා අඩු වූ විට, GaN දිය නොවේ, නමුත් කෙලින්ම දිරාපත් වේ. මෙය Czochralski ක්රමය වැනි පරිණත උපස්ථර සකස් කිරීමේ තාක්ෂණයන් GaN තනි ස්ඵටික උපස්ථර සකස් කිරීම සඳහා නුසුදුසු කරයි, GaN උපස්ථර මහා පරිමාණයෙන් නිෂ්පාදනය කිරීමට අපහසු සහ මිල අධික වේ. එබැවින්, GaN එපිටැක්සි වර්ධනයේ බහුලව භාවිතා වන උපස්ථර ප්රධාන වශයෙන් Si, SiC, නිල් මැණික් ආදිය වේ. [3].
ප්රස්ථාරය 3 GaN සහ බහුලව භාවිතා වන උපස්ථර ද්රව්යවල පරාමිතීන්
නිල් මැණික් මත GaN එපිටැක්සි
නිල් මැණික් වලට ස්ථායී රසායනික ගුණ ඇත, ලාභදායී වන අතර මහා පරිමාණ නිෂ්පාදන කර්මාන්තයේ ඉහළ පරිණතභාවයක් ඇත. එබැවින්, එය අර්ධ සන්නායක උපාංග ඉංජිනේරු විද්යාවේ පැරණිතම සහ බහුලව භාවිතා වන උපස්ථර ද්රව්යයක් බවට පත්ව ඇත. GaN එපිටැක්සි සඳහා බහුලව භාවිතා වන උපස්ථර වලින් එකක් ලෙස, නිල් මැණික් උපස්ථර සඳහා විසඳිය යුතු ප්රධාන ගැටළු වන්නේ:
✔ නිල් මැණික් (Al2O3) සහ GaN (15% පමණ) අතර ඇති විශාල දැලිස් නොගැලපීම නිසා, එපිටැක්සියල් ස්ථරය සහ උපස්ථරය අතර අතුරුමුහුණතෙහි දෝෂ ඝනත්වය ඉතා ඉහළ ය. එහි අහිතකර බලපෑම් අඩු කිරීම සඳහා, එපිටැක්සි ක්රියාවලිය ආරම්භ වීමට පෙර උපස්ථරය සංකීර්ණ පූර්ව ප්රතිකාරයකට භාජනය කළ යුතුය. නිල් මැණික් උපස්ථර මත GaN එපිටැක්සි වගා කිරීමට පෙර, දූෂක ද්රව්ය, අවශේෂ ඔප දැමීමේ හානි ආදිය ඉවත් කිරීමට සහ පියවර සහ පියවර මතුපිට ව්යුහයන් නිපදවීමට උපස්ථර මතුපිට පළමුව දැඩි ලෙස පිරිසිදු කළ යුතුය. ඉන්පසු, එපිටැක්සියල් ස්ථරයේ තෙත් කිරීමේ ගුණාංග වෙනස් කිරීම සඳහා උපස්ථර මතුපිට නයිට්රයිඩ් කරනු ලැබේ. අවසාන වශයෙන්, තුනී AlN බෆර් තට්ටුවක් (සාමාන්යයෙන් 10-100nm ඝනකම) උපස්ථර මතුපිට තැන්පත් කර අවසාන එපිටැක්සියල් වර්ධනය සඳහා සූදානම් වීම සඳහා අඩු උෂ්ණත්වයකදී ඇනීල් කළ යුතුය. එසේ වුවද, නිල් මැණික් උපස්ථර මත වගා කරන ලද GaN එපිටැක්සියල් පටලවල විස්ථාපන ඝනත්වය තවමත් හෝමෝපිටැක්සියල් පටලවලට වඩා වැඩිය (සිලිකන් හෝමෝපිටැක්සියල් පටලවල හෝ ගැලියම් ආසනයිඩ් හෝමෝපිටැක්සියල් පටලවල අත්යවශ්යයෙන්ම ශුන්ය විස්ථාපන ඝනත්වය හෝ 102 සහ 104cm-2 අතර සසඳන විට 1010cm-2 පමණ). ඉහළ දෝෂ ඝනත්වය වාහක සංචලතාව අඩු කරයි, එමඟින් සුළුතර වාහක ආයු කාලය කෙටි කරන අතර තාප සන්නායකතාවය අඩු කරයි, මේ සියල්ල උපාංග ක්රියාකාරිත්වය අඩු කරයි [4];
✔ නිල් මැණික් වල තාප ප්රසාරණ සංගුණකය GaN ට වඩා වැඩි බැවින්, තැන්පත් උෂ්ණත්වයේ සිට කාමර උෂ්ණත්වය දක්වා සිසිලන ක්රියාවලියේදී එපිටැක්සියල් ස්ථරයේ ද්වි-අක්ෂීය සම්පීඩ්යතා ආතතිය ජනනය වේ. ඝන එපිටැක්සියල් පටල සඳහා, මෙම ආතතිය පටලයේ හෝ උපස්ථරයේ පවා ඉරිතැලීමට හේතු විය හැක;
✔ අනෙකුත් උපස්ථර හා සසඳන විට, නිල් මැණික් උපස්ථරවල තාප සන්නායකතාවය අඩුය (100℃ දී 0.25W*cm-1*K-1 පමණ), සහ තාප විසර්ජන කාර්ය සාධනය දුර්වලයි;
✔ එහි දුර්වල සන්නායකතාවය හේතුවෙන්, නිල් මැණික් උපස්ථර අනෙකුත් අර්ධ සන්නායක උපාංග සමඟ ඒකාබද්ධ කිරීමට සහ යෙදීමට හිතකර නොවේ.
නිල් මැණික් උපස්ථර මත වගා කරන ලද GaN එපිටැක්සියල් ස්ථරවල දෝෂ ඝනත්වය ඉහළ මට්ටමක පැවතුනද, එය GaN මත පදනම් වූ නිල්-කොළ LED වල දෘෂ්ටි ඉලෙක්ට්රොනික ක්රියාකාරිත්වය සැලකිය යුතු ලෙස අඩු කරන බවක් නොපෙනේ, එබැවින් නිල් මැණික් උපස්ථර තවමත් GaN මත පදනම් වූ LED සඳහා බහුලව භාවිතා වන උපස්ථර වේ.
ලේසර් හෝ වෙනත් අධි-ඝනත්ව බල උපාංග වැනි GaN උපාංගවල නව යෙදුම් සංවර්ධනය කිරීමත් සමඟ, නිල් මැණික් උපස්ථරවල ආවේණික දෝෂ ඒවායේ යෙදුමේ සීමාවක් බවට පත්ව ඇත. මීට අමතරව, SiC උපස්ථර වර්ධන තාක්ෂණය, පිරිවැය අඩු කිරීම සහ Si උපස්ථර මත GaN එපිටැක්සියල් තාක්ෂණයේ පරිණතභාවය සංවර්ධනය කිරීමත් සමඟ, නිල් මැණික් උපස්ථර මත වැඩෙන GaN එපිටැක්සියල් ස්ථර පිළිබඳ වැඩි පර්යේෂණ ක්රමයෙන් සිසිලන ප්රවණතාවක් පෙන්නුම් කර ඇත.
SiC මත GaN එපිටැක්සි
නිල් මැණික් හා සසඳන විට, SiC උපස්ථර (4H- සහ 6H-ස්ඵටික) GaN එපිටැක්සියල් ස්ථර (3.1%, [0001] දිශානුගත එපිටැක්සියල් පටලවලට සමාන), ඉහළ තාප සන්නායකතාවය (3.8W*cm-1*K-1 පමණ) ආදිය සමඟ කුඩා දැලිස් නොගැලපීමක් ඇත. ඊට අමතරව, SiC උපස්ථරවල සන්නායකතාවය උපස්ථරයේ පිටුපස විද්යුත් සම්බන්ධතා ඇති කිරීමට ද ඉඩ සලසයි, එය උපාංග ව්යුහය සරල කිරීමට උපකාරී වේ. මෙම වාසි පැවතීම සිලිකන් කාබයිඩ් උපස්ථර මත GaN එපිටැක්සිය පිළිබඳ වැඩ කිරීමට වැඩි වැඩියෙන් පර්යේෂකයන් ආකර්ෂණය කර ඇත.
කෙසේ වෙතත්, GaN එපිලේයර් වර්ධනය වීම වැළැක්වීම සඳහා SiC උපස්ථර මත සෘජුවම වැඩ කිරීමේදී පහත සඳහන් අවාසි මාලාවකට මුහුණ දීමට සිදුවේ:
✔ SiC උපස්ථරවල මතුපිට රළුබව නිල් මැණික් උපස්ථරවලට වඩා බෙහෙවින් වැඩි ය (නිල් මැණික් රළුබව 0.1nm RMS, SiC රළුබව 1nm RMS), SiC උපස්ථරවල ඉහළ දෘඪතාව සහ දුර්වල සැකසුම් කාර්ය සාධනයක් ඇති අතර, මෙම රළුබව සහ අවශේෂ ඔප දැමීමේ හානිය ද GaN එපිලේයර්වල දෝෂ සඳහා එක් ප්රභවයකි.
✔ SiC උපස්ථරවල ඉස්කුරුප්පු විස්ථාපන ඝනත්වය ඉහළයි (විස්ථාපන ඝනත්වය 103-104cm-2), ඉස්කුරුප්පු විස්ථාපන GaN එපිලේයරයට ප්රචාරණය වී උපාංග ක්රියාකාරිත්වය අඩු කළ හැකිය;
✔ උපස්ථර මතුපිට ඇති පරමාණුක සැකැස්ම GaN එපිලේයරයේ ස්ටැකිං දෝෂ (BSF) සෑදීමට හේතු වේ. SiC උපස්ථර මත එපිටැක්සියල් GaN සඳහා, උපස්ථරය මත බහුවිධ විය හැකි පරමාණුක සැකසුම් ඇණවුම් ඇති අතර, එහි ප්රතිඵලයක් ලෙස එය මත එපිටැක්සියල් GaN ස්ථරයේ නොගැලපෙන ආරම්භක පරමාණුක ස්ටැකිං අනුපිළිවෙල ඇති වන අතර එය ස්ටැකිං දෝෂ වලට ගොදුරු වේ. ස්ටැකිං දෝෂ (SFs) c-අක්ෂය දිගේ ගොඩනඟන ලද විද්යුත් ක්ෂේත්ර හඳුන්වා දෙන අතර එමඟින් තල-වාහක වෙන් කිරීමේ උපාංග කාන්දු වීම වැනි ගැටළු ඇති වේ;
✔ SiC උපස්ථරයේ තාප ප්රසාරණ සංගුණකය AlN සහ GaN වලට වඩා කුඩා වන අතර එමඟින් සිසිලන ක්රියාවලියේදී එපිටැක්සියල් ස්ථරය සහ උපස්ථරය අතර තාප ආතති සමුච්චය වීමට හේතු වේ. වෝල්ටරයිට් සහ බ්රෑන්ඩ් ඔවුන්ගේ පර්යේෂණ ප්රතිඵල මත පදනම්ව අනාවැකි පළ කළේ තුනී, සුසංයෝගීව වික්රියා කරන ලද AlN න්යෂ්ටික ස්ථර මත GaN එපිටැක්සියල් ස්ථර වැඩීමෙන් මෙම ගැටළුව සමනය කළ හැකි හෝ විසඳිය හැකි බවයි;
✔ Ga පරමාණුවල දුර්වල තෙත් කිරීමේ ගැටලුව. SiC මතුපිට මත GaN එපිටැක්සියල් ස්ථර සෘජුවම වැඩෙන විට, පරමාණු දෙක අතර දුර්වල තෙත් කිරීමේ හැකියාව හේතුවෙන්, GaN උපස්ථර මතුපිට ත්රිමාණ දූපත් වර්ධනයට නැඹුරු වේ. GaN එපිටැක්සියල් ද්රව්යවල ගුණාත්මකභාවය වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා බෆර ස්ථරයක් හඳුන්වා දීම බහුලව භාවිතා වන විසඳුමයි. AlN හෝ AlxGa1-xN බෆර ස්ථරයක් හඳුන්වා දීමෙන් SiC මතුපිටේ තෙත් කිරීමේ හැකියාව ඵලදායී ලෙස වැඩිදියුණු කළ හැකි අතර GaN එපිටැක්සියල් ස්ථරය ද්විමාන වලින් වර්ධනය වේ. ඊට අමතරව, එය ආතතිය නියාමනය කළ හැකි අතර උපස්ථර දෝෂ GaN එපිටැක්සියල් දක්වා පැතිරීම වළක්වා ගත හැකිය;
✔ SiC උපස්ථර සකස් කිරීමේ තාක්ෂණය නොමේරූ ය, උපස්ථර පිරිවැය ඉහළ ය, සැපයුම්කරුවන් ස්වල්පයක් සහ සැපයුම අඩු ය.
ටොරස් සහ ඔහුගේ කණ්ඩායමේ පර්යේෂණවලින් පෙනී යන්නේ එපිටැක්සියට පෙර ඉහළ උෂ්ණත්වයකදී (1600°C) H2 සමඟ SiC උපස්ථරය කැටයම් කිරීමෙන් උපස්ථර මතුපිට වඩාත් ඇණවුම් කළ පියවර ව්යුහයක් නිපදවිය හැකි බවත්, එමඟින් මුල් උපස්ථර මතුපිට සෘජුවම වගා කරන විට වඩා උසස් තත්ත්වයේ AlN එපිටැක්සියල් පටලයක් ලබා ගත හැකි බවත්ය. සිලිකන් කාබයිඩ් උපස්ථරය කැටයම් කිරීම පූර්ව ප්රතිකාර කිරීමෙන් GaN එපිටැක්සියල් ස්ථරයේ මතුපිට රූප විද්යාව සහ ස්ඵටික ගුණාත්මකභාවය සැලකිය යුතු ලෙස වැඩිදියුණු කළ හැකි බවත් Xie සහ ඔහුගේ කණ්ඩායමේ පර්යේෂණවලින් පෙනී යයි. ස්මිත් සහ ඔහුගේ කණ්ඩායමේ පර්යේෂණවලින් පෙනී යන්නේ උපස්ථර/බෆර් ස්ථරය සහ බෆර් ස්ථරය/එපිටැක්සියල් ස්ථර අතුරුමුහුණත් වලින් ආරම්භ වන නූල් විස්ථාපනය උපස්ථරයේ පැතලි බව හා සම්බන්ධ බවයි [5].
රූපය 4 විවිධ මතුපිට ප්රතිකාර තත්වයන් යටතේ 6H-SiC උපස්ථරය (0001) මත වගා කරන ලද GaN එපිටැක්සියල් ස්ථර සාම්පලවල TEM රූප විද්යාව (අ) රසායනික පිරිසිදු කිරීම; (ආ) රසායනික පිරිසිදු කිරීම + හයිඩ්රජන් ප්ලාස්මා ප්රතිකාරය; (ඇ) රසායනික පිරිසිදු කිරීම + හයිඩ්රජන් ප්ලාස්මා ප්රතිකාරය + 1300℃ හයිඩ්රජන් තාප පිරියම් කිරීම විනාඩි 30ක් සඳහා
Si මත GaN එපිටැක්සි
සිලිකන් කාබයිඩ්, නිල් මැණික් සහ අනෙකුත් උපස්ථර සමඟ සසඳන විට, සිලිකන් උපස්ථර සකස් කිරීමේ ක්රියාවලිය පරිණත වන අතර, එය ඉහළ පිරිවැය කාර්ය සාධනයක් සහිත පරිණත විශාල ප්රමාණයේ උපස්ථර ස්ථායීව සැපයිය හැකිය. ඒ සමඟම, තාප සන්නායකතාවය සහ විද්යුත් සන්නායකතාවය යහපත් වන අතර, Si ඉලෙක්ට්රොනික උපාංග ක්රියාවලිය පරිණත වේ. අනාගතයේදී Si ඉලෙක්ට්රොනික උපාංග සමඟ ඔප්ටෝ ඉලෙක්ට්රොනික GaN උපාංග පරිපූර්ණ ලෙස ඒකාබද්ධ කිරීමේ හැකියාව ද සිලිකන් මත GaN එපිටැක්සි වර්ධනය ඉතා ආකර්ශනීය කරයි.
කෙසේ වෙතත්, Si උපස්ථරය සහ GaN ද්රව්ය අතර දැලිස් නියතයන්හි විශාල වෙනස නිසා, Si උපස්ථරය මත GaN හි විෂමජාතීය එපිටැක්සි යනු සාමාන්ය විශාල නොගැලපුම් එපිටැක්සියක් වන අතර, එයට ගැටළු මාලාවකටද මුහුණ දීමට සිදුවේ:
✔ මතුපිට අතුරුමුහුණත් ශක්ති ගැටළුව. Si උපස්ථරයක් මත GaN වර්ධනය වන විට, Si උපස්ථරයේ මතුපිට මුලින්ම නයිට්රයිඩ් කර ඉහළ ඝනත්ව GaN හි න්යෂ්ටිකකරණයට සහ වර්ධනයට හිතකර නොවන අස්ඵටික සිලිකන් නයිට්රයිඩ් ස්ථරයක් සාදයි. ඊට අමතරව, Si මතුපිට මුලින්ම Ga හා සම්බන්ධ වන අතර එමඟින් Si උපස්ථරයේ මතුපිට විඛාදනයට ලක් වේ. ඉහළ උෂ්ණත්වවලදී, Si මතුපිට වියෝජනය GaN එපිටැක්සියල් ස්ථරයට විසරණය වී කළු සිලිකන් ලප සාදයි.
✔ GaN සහ Si අතර දැලිස් නියත නොගැලපීම විශාලයි (~17%), එය ඉහළ ඝනත්ව නූල් විස්ථාපනයන් ඇති කිරීමට සහ එපිටැක්සියල් ස්ථරයේ ගුණාත්මකභාවය සැලකිය යුතු ලෙස අඩු කිරීමට හේතු වේ;
✔ Si හා සසඳන විට, GaN හි තාප ප්රසාරණ සංගුණකය විශාල වේ (GaN හි තාප ප්රසාරණ සංගුණකය 5.6×10-6K-1 පමණ වන අතර, Si හි තාප ප්රසාරණ සංගුණකය 2.6×10-6K-1 පමණ වේ), සහ එපිටැක්සියල් උෂ්ණත්වය කාමර උෂ්ණත්වයට සිසිල් කිරීමේදී GaN එපිටැක්සියල් ස්ථරයේ ඉරිතැලීම් ජනනය විය හැක;
✔ Si ඉහළ උෂ්ණත්වවලදී NH3 සමඟ ප්රතික්රියා කර බහු ස්ඵටික SiNx සාදයි. AlN හට බහු ස්ඵටික SiNx මත මනාප දිශානත න්යෂ්ටියක් සෑදිය නොහැකි අතර, එමඟින් පසුව වැඩුණු GaN ස්ථරයේ අක්රමවත් දිශානතියකට සහ ඉහළ දෝෂ සංඛ්යාවකට තුඩු දෙන අතර, එහි ප්රතිඵලයක් ලෙස GaN එපිටැක්සියල් ස්ථරයේ දුර්වල ස්ඵටික ගුණාත්මක භාවය ඇති වන අතර තනි ස්ඵටික GaN එපිටැක්සියල් ස්ථරයක් සෑදීමේ දුෂ්කරතා පවා ඇති වේ [6].
විශාල දැලිස් නොගැලපීමේ ගැටළුව විසඳීම සඳහා, පර්යේෂකයන් Si උපස්ථර මත බෆර් ස්ථර ලෙස AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO සහ SiC වැනි ද්රව්ය හඳුන්වා දීමට උත්සාහ කර ඇත. බහු ස්ඵටික SiNx සෑදීම වළක්වා ගැනීමට සහ GaN/AlN/Si (111) ද්රව්යවල ස්ඵටික ගුණාත්මක භාවයට එහි අහිතකර බලපෑම් අඩු කිරීම සඳහා, NH3 නිරාවරණය වූ Si මතුපිට සමඟ ප්රතික්රියා කර SiNx සෑදීම වැළැක්වීම සඳහා AlN බෆර් ස්ථරයේ එපිටැක්සියල් වර්ධනයට පෙර යම් කාලයක් සඳහා TMAl සාමාන්යයෙන් හඳුන්වා දිය යුතුය. ඊට අමතරව, රටා සහිත උපස්ථර තාක්ෂණය වැනි එපිටැක්සියල් තාක්ෂණයන් එපිටැක්සියල් ස්ථරයේ ගුණාත්මකභාවය වැඩි දියුණු කිරීම සඳහා භාවිතා කළ හැකිය. මෙම තාක්ෂණයන්හි සංවර්ධනය එපිටැක්සියල් අතුරුමුහුණතෙහි SiNx සෑදීම වැළැක්වීමට, GaN එපිටැක්සියල් ස්ථරයේ ද්විමාන වර්ධනය ප්රවර්ධනය කිරීමට සහ එපිටැක්සියල් ස්ථරයේ වර්ධන ගුණාත්මකභාවය වැඩි දියුණු කිරීමට උපකාරී වේ. ඊට අමතරව, සිලිකන් උපස්ථරය මත GaN එපිටැක්සියල් ස්ථරයේ ඉරිතැලීම් වළක්වා ගැනීම සඳහා තාප ප්රසාරණ සංගුණකවල වෙනස නිසා ඇතිවන ආතන්ය ආතතියට වන්දි ගෙවීම සඳහා AlN බෆර තට්ටුවක් හඳුන්වා දෙනු ලැබේ. ක්රොස්ට්ගේ පර්යේෂණයෙන් පෙන්නුම් කරන්නේ AlN බෆර ස්ථරයේ ඝණකම සහ වික්රියාව අඩු කිරීම අතර ධනාත්මක සහසම්බන්ධයක් ඇති බවයි. බෆර ස්ථරයේ ඝණකම 12nm දක්වා ළඟා වූ විට, එපිටැක්සියල් ස්ථර ඉරිතැලීමකින් තොරව සුදුසු වර්ධන යෝජනා ක්රමයක් හරහා 6μm ට වඩා ඝන එපිටැක්සියල් තට්ටුවක් සිලිකන් උපස්ථරයක් මත වගා කළ හැකිය.
පර්යේෂකයන්ගේ දිගුකාලීන උත්සාහයෙන් පසුව, සිලිකන් උපස්ථර මත වගා කරන ලද GaN එපිටැක්සියල් ස්ථරවල ගුණාත්මකභාවය සැලකිය යුතු ලෙස වැඩිදියුණු වී ඇති අතර, ක්ෂේත්ර ආචරණ ට්රාන්සිස්ටර, ෂොට්කි බාධක පාරජම්බුල අනාවරක, නිල්-කොළ LED සහ පාරජම්බුල ලේසර් වැනි උපාංග සැලකිය යුතු ප්රගතියක් ලබා ඇත.
සාරාංශයක් ලෙස, බහුලව භාවිතා වන GaN එපිටැක්සියල් උපස්ථර සියල්ලම විෂමජාතීය එපිටැක්සියල් බැවින්, ඒවා සියල්ලම දැලිස් නොගැලපීම සහ විවිධ මට්ටම්වලට තාප ප්රසාරණ සංගුණකවල විශාල වෙනස්කම් වැනි පොදු ගැටළු වලට මුහුණ දෙයි. සමජාතීය එපිටැක්සියල් GaN උපස්ථර තාක්ෂණයේ පරිණතභාවයෙන් සීමා වී ඇති අතර උපස්ථර තවමත් මහා පරිමාණයෙන් නිෂ්පාදනය කර නොමැත. නිෂ්පාදන පිරිවැය ඉහළ ය, උපස්ථර ප්රමාණය කුඩා වන අතර උපස්ථර ගුණාත්මකභාවය පරිපූර්ණ නොවේ. නව GaN එපිටැක්සියල් උපස්ථර සංවර්ධනය කිරීම සහ එපිටැක්සියල් ගුණාත්මකභාවය වැඩිදියුණු කිරීම තවමත් GaN එපිටැක්සියල් කර්මාන්තයේ තවදුරටත් සංවර්ධනය සීමා කරන වැදගත් සාධකවලින් එකකි.
IV. GaN එපිටැක්සි සඳහා පොදු ක්රම
රසායනික වාෂ්ප තැන්පත් වීම (MOCVD)
GaN උපස්ථර මත සමජාතීය එපිටැක්සි යනු GaN එපිටැක්සි සඳහා හොඳම තේරීම බව පෙනේ. කෙසේ වෙතත්, රසායනික වාෂ්ප තැන්පත් වීමේ පූර්වගාමීන් ට්රයිමෙතිල්ගැලියම් සහ ඇමෝනියා වන අතර වාහක වායුව හයිඩ්රජන් වන බැවින්, සාමාන්ය MOCVD වර්ධන උෂ්ණත්වය 1000-1100℃ පමණ වන අතර, MOCVD හි වර්ධන වේගය පැයකට මයික්රෝන කිහිපයක් පමණ වේ. එය පරමාණුක මට්ටමින් බෑවුම් සහිත අතුරුමුහුණත් නිපදවිය හැකි අතර, එය වර්ධනය වන විෂම සන්ධි, ක්වොන්ටම් ළිං, සුපිරි දැලිස් සහ අනෙකුත් ව්යුහයන් සඳහා ඉතා සුදුසු වේ. එහි වේගවත් වර්ධන වේගය, හොඳ ඒකාකාරිත්වය සහ විශාල ප්රදේශයක සහ බහු-කෑලි වර්ධනය සඳහා යෝග්යතාවය බොහෝ විට කාර්මික නිෂ්පාදනයේ භාවිතා වේ.
MBE (අණුක කදම්භ එපිටැක්සි)
අණුක කදම්භ එපිටැක්සියේදී, Ga මූලද්රව්ය ප්රභවයක් භාවිතා කරන අතර, ක්රියාකාරී නයිට්රජන් නයිට්රජන් RF ප්ලාස්මා හරහා නයිට්රජන් වලින් ලබා ගනී. MOCVD ක්රමය හා සසඳන විට, MBE වර්ධන උෂ්ණත්වය 350-400℃ පමණ අඩුය. අඩු වර්ධන උෂ්ණත්වය ඉහළ උෂ්ණත්ව පරිසරයන් නිසා ඇති විය හැකි ඇතැම් දූෂණයන් වළක්වා ගත හැකිය. MBE පද්ධතිය අතිශය ඉහළ රික්තයක් යටතේ ක්රියාත්මක වන අතර එමඟින් එය වඩාත් ස්ථානීය හඳුනාගැනීමේ ක්රම ඒකාබද්ධ කිරීමට ඉඩ සලසයි. ඒ සමඟම, එහි වර්ධන වේගය සහ නිෂ්පාදන ධාරිතාව MOCVD සමඟ සැසඳිය නොහැකි අතර, එය විද්යාත්මක පර්යේෂණ වලදී වැඩිපුර භාවිතා වේ [7].
Figure 5 (a) Eiko-MBE ක්රමානුකුල (b) MBE ප්රධාන ප්රතික්රියා කුටීර ක්රමානුකුල
HVPE ක්රමය (හයිඩ්රයිඩ් වාෂ්ප අවධි එපිටැක්සි)
හයිඩ්රයිඩ් වාෂ්ප අවධි එපිටැක්සි ක්රමයේ පූර්වගාමීන් වන්නේ GaCl3 සහ NH3 ය. ඩෙච්ප්රොම් සහ තවත් අය නිල් මැණික් උපස්ථරයක මතුපිට මයික්රෝන සිය ගණනක් ඝනකම ඇති GaN එපිටැක්සියල් ස්ථරයක් වගා කිරීමට මෙම ක්රමය භාවිතා කළහ. ඔවුන්ගේ අත්හදා බැලීමේදී, නිල් මැණික් උපස්ථරය සහ එපිටැක්සියල් ස්ථරය අතර බෆර් තට්ටුවක් ලෙස ZnO තට්ටුවක් වගා කරන ලද අතර, එපිටැක්සියල් ස්ථරය උපස්ථර මතුපිටින් ඉවත් කරන ලදී. MOCVD සහ MBE සමඟ සසඳන විට, HVPE ක්රමයේ ප්රධාන ලක්ෂණය වන්නේ එහි ඉහළ වර්ධන වේගයයි, එය ඝන ස්ථර සහ තොග ද්රව්ය නිෂ්පාදනය සඳහා සුදුසු වේ. කෙසේ වෙතත්, එපිටැක්සියල් ස්ථරයේ ඝණකම 20μm ඉක්මවන විට, මෙම ක්රමය මඟින් නිපදවන එපිටැක්සියල් ස්ථරය ඉරිතැලීම් වලට ගොදුරු වේ.
මෙම ක්රමය මත පදනම් වූ රටා සහිත උපස්ථර තාක්ෂණය Akira USUI විසින් හඳුන්වා දෙන ලදී. ඔවුන් මුලින්ම MOCVD ක්රමය භාවිතා කරමින් නිල් මැණික් උපස්ථරයක් මත තුනී 1-1.5μm ඝනකම GaN එපිටැක්සියල් තට්ටුවක් වගා කරන ලදී. එපිටැක්සියල් ස්ථරය අඩු උෂ්ණත්ව තත්ත්වයන් යටතේ වගා කරන ලද 20nm ඝනකම GaN බෆර් ස්ථරයකින් සහ ඉහළ උෂ්ණත්ව තත්ත්වයන් යටතේ වගා කරන ලද GaN ස්ථරයකින් සමන්විත විය. ඉන්පසුව, 430℃ දී, එපිටැක්සියල් ස්ථරයේ මතුපිට SiO2 තට්ටුවක් ආලේප කරන ලද අතර, ෆොටෝලිතෝග්රැෆි මගින් SiO2 පටලය මත කවුළු ඉරි සාදන ලදී. තීරු පරතරය 7μm වූ අතර ආවරණ පළල 1μm සිට 4μm දක්වා පරාසයක පැවතුනි. මෙම වැඩිදියුණු කිරීමෙන් පසු, ඔවුන් අඟල් 2 ක විෂ්කම්භයක් සහිත නිල් මැණික් උපස්ථරයක් මත GaN එපිටැක්සියල් තට්ටුවක් ලබා ගත් අතර එය ඝනකම මයික්රෝන දස හෝ සිය ගණනක් දක්වා වැඩි වූ විට පවා ඉරිතැලීම් රහිත සහ කැඩපතක් මෙන් සුමට විය. දෝෂ ඝනත්වය සාම්ප්රදායික HVPE ක්රමයේ 109-1010cm-2 සිට 6×107cm-2 දක්වා අඩු කරන ලදී. වර්ධන වේගය 75μm/h ඉක්මවූ විට, නියැදි මතුපිට රළු වන බව ඔවුන් අත්හදා බැලීමේදී පෙන්වා දුන්හ[8].
රූපය 6 චිත්රක උපස්ථර ක්රමානුරූපය
V. සාරාංශය සහ ඉදිරි දැක්ම
නිල් ආලෝක LED එක එම වසරේ භෞතික විද්යාව සඳහා නොබෙල් ත්යාගය දිනාගත් 2014 දී GaN ද්රව්ය මතුවීමට පටන් ගත් අතර, පාරිභෝගික ඉලෙක්ට්රොනික ක්ෂේත්රයේ වේගවත් ආරෝපණ යෙදුම් ක්ෂේත්රයට එය පිවිසියේය. ඇත්ත වශයෙන්ම, බොහෝ දෙනෙකුට නොපෙනෙන 5G මූලික ස්ථානවල භාවිතා කරන බල ඇම්ප්ලිෆයර් සහ RF උපාංගවල යෙදුම් ද නිහඬව මතුවී තිබේ. මෑත වසරවලදී, GaN මත පදනම් වූ මෝටර් රථ ශ්රේණියේ බල උපාංගවල ඉදිරි ගමන GaN ද්රව්ය යෙදුම් වෙළඳපොළ සඳහා නව වර්ධන ලක්ෂ්යයන් විවෘත කරනු ඇතැයි අපේක්ෂා කෙරේ.
දැවැන්ත වෙළඳපල ඉල්ලුම නිසැකවම GaN ආශ්රිත කර්මාන්ත සහ තාක්ෂණයන්හි සංවර්ධනය ප්රවර්ධනය කරනු ඇත. GaN ආශ්රිත කාර්මික දාමයේ පරිණතභාවය සහ වැඩිදියුණු කිරීමත් සමඟ, වත්මන් GaN එපිටැක්සියල් තාක්ෂණය මුහුණ දෙන ගැටළු අවසානයේ වැඩිදියුණු වනු ඇත හෝ ජය ගනු ඇත. අනාගතයේදී, මිනිසුන් නිසැකවම නව එපිටැක්සියල් තාක්ෂණයන් සහ වඩාත් විශිෂ්ට උපස්ථර විකල්ප සංවර්ධනය කරනු ඇත. ඒ වන විට, යෙදුම් අවස්ථා වල ලක්ෂණ අනුව විවිධ යෙදුම් අවස්ථා සඳහා වඩාත් සුදුසු බාහිර පර්යේෂණ තාක්ෂණය සහ උපස්ථරය තෝරා ගැනීමට සහ වඩාත්ම තරඟකාරී අභිරුචිකරණය කළ නිෂ්පාදන නිෂ්පාදනය කිරීමට මිනිසුන්ට හැකි වනු ඇත.
පළ කිරීමේ කාලය: 2024 ජූනි-28