மூன்றாம் தலைமுறை குறைக்கடத்தி GaN மற்றும் அது தொடர்பான எபிடெக்சியல் தொழில்நுட்பம் குறித்த ஒரு சுருக்கமான அறிமுகம்

1. மூன்றாம் தலைமுறை குறைக்கடத்திகள்

முதல் தலைமுறை குறைக்கடத்தி தொழில்நுட்பமானது, சிலிக்கான் (Si) மற்றும் ஜெர்மானியம் (Ge) போன்ற குறைக்கடத்திப் பொருட்களை அடிப்படையாகக் கொண்டு உருவாக்கப்பட்டது. இது டிரான்சிஸ்டர்கள் மற்றும் ஒருங்கிணைந்த மின்சுற்று தொழில்நுட்பத்தின் வளர்ச்சிக்கு மூலப்பொருட்களாக விளங்குகிறது. முதல் தலைமுறை குறைக்கடத்திப் பொருட்கள் 20 ஆம் நூற்றாண்டில் மின்னணுத் தொழில்துறைக்கு அடித்தளமிட்டதோடு, ஒருங்கிணைந்த மின்சுற்று தொழில்நுட்பத்திற்கான அடிப்படைப் பொருட்களாகவும் திகழ்கின்றன.

இரண்டாம் தலைமுறை குறைக்கடத்திப் பொருட்களில் முக்கியமாக காலியம் ஆர்சனைடு, இண்டியம் பாஸ்பைடு, அலுமினியம் ஆர்சனைடு மற்றும் அவற்றின் மும்மைச் சேர்மங்கள் அடங்கும். இரண்டாம் தலைமுறை குறைக்கடத்திப் பொருட்கள் ஒளியியல் மின்னணு தகவல் தொழில்துறையின் அடித்தளமாக விளங்குகின்றன. இதன் அடிப்படையில், ஒளி, காட்சி, லேசர் மற்றும் ஒளிமின்னழுத்தம் போன்ற தொடர்புடைய தொழில்கள் உருவாக்கப்பட்டுள்ளன. அவை தற்கால தகவல் தொழில்நுட்பம் மற்றும் ஒளியியல் மின்னணு காட்சித் தொழில்களில் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.

மூன்றாம் தலைமுறை குறைக்கடத்திப் பொருட்களின் பிரதிநிதித்துவப் பொருட்களில் காலியம் நைட்ரைடு மற்றும் சிலிக்கான் கார்பைடு ஆகியவை அடங்கும். அவற்றின் பரந்த பட்டை இடைவெளி, உயர் எலக்ட்ரான் செறிவூட்டல் சறுக்கு வேகம், உயர் வெப்பக் கடத்துத்திறன் மற்றும் உயர் முறிவுப் புல வலிமை ஆகியவற்றின் காரணமாக, அவை உயர்-சக்தி அடர்த்தி, உயர்-அதிர்வெண் மற்றும் குறைந்த-இழப்பு மின்னணு சாதனங்களைத் தயாரிப்பதற்கு உகந்த பொருட்களாகும். அவற்றுள், சிலிக்கான் கார்பைடு சக்தி சாதனங்கள் உயர் ஆற்றல் அடர்த்தி, குறைந்த ஆற்றல் நுகர்வு மற்றும் சிறிய அளவு போன்ற நன்மைகளைக் கொண்டுள்ளன, மேலும் புதிய ஆற்றல் வாகனங்கள், ஒளிமின்னழுத்தங்கள், இரயில் போக்குவரத்து, பெருந்தரவு மற்றும் பிற துறைகளில் பரந்த பயன்பாட்டு வாய்ப்புகளைக் கொண்டுள்ளன. காலியம் நைட்ரைடு RF சாதனங்கள் உயர் அதிர்வெண், உயர் சக்தி, பரந்த அலைவரிசை, குறைந்த ஆற்றல் நுகர்வு மற்றும் சிறிய அளவு போன்ற நன்மைகளைக் கொண்டுள்ளன, மேலும் 5G தகவல் தொடர்பு, பொருட்களின் இணையம், இராணுவ ரேடார் மற்றும் பிற துறைகளில் பரந்த பயன்பாட்டு வாய்ப்புகளைக் கொண்டுள்ளன. கூடுதலாக, காலியம் நைட்ரைடு அடிப்படையிலான சக்தி சாதனங்கள் குறைந்த மின்னழுத்தத் துறையில் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்பட்டு வருகின்றன. மேலும், சமீபத்திய ஆண்டுகளில், புதிதாக உருவாகி வரும் காலியம் ஆக்சைடு பொருட்கள், தற்போதுள்ள SiC மற்றும் GaN தொழில்நுட்பங்களுடன் தொழில்நுட்ப ரீதியான நிரப்புத்தன்மையை உருவாக்கும் என்றும், குறைந்த அதிர்வெண் மற்றும் உயர் மின்னழுத்தத் துறைகளில் சாத்தியமான பயன்பாட்டு வாய்ப்புகளைக் கொண்டிருக்கும் என்றும் எதிர்பார்க்கப்படுகிறது.

இரண்டாம் தலைமுறை குறைக்கடத்திப் பொருட்களுடன் ஒப்பிடுகையில், மூன்றாம் தலைமுறை குறைக்கடத்திப் பொருட்கள் பரந்த பட்டை இடைவெளி அகலத்தைக் கொண்டுள்ளன (முதல் தலைமுறை குறைக்கடத்திப் பொருளின் ஒரு பொதுவான பொருளான Si-இன் பட்டை இடைவெளி அகலம் சுமார் 1.1 eV, இரண்டாம் தலைமுறை குறைக்கடத்திப் பொருளின் ஒரு பொதுவான பொருளான GaAs-இன் பட்டை இடைவெளி அகலம் சுமார் 1.42 eV, மற்றும் மூன்றாம் தலைமுறை குறைக்கடத்திப் பொருளின் ஒரு பொதுவான பொருளான GaN-இன் பட்டை இடைவெளி அகலம் 2.3 eV-க்கு மேல்), மேலும் வலுவான கதிர்வீச்சு எதிர்ப்பு, மின்புல முறிவுக்கு வலுவான எதிர்ப்பு மற்றும் அதிக வெப்பநிலை எதிர்ப்பு ஆகியவற்றையும் கொண்டுள்ளன. பரந்த பட்டை இடைவெளி அகலம் கொண்ட மூன்றாம் தலைமுறை குறைக்கடத்திப் பொருட்கள், கதிர்வீச்சு-எதிர்ப்பு, உயர்-அதிர்வெண், உயர்-சக்தி மற்றும் உயர்-ஒருங்கிணைப்பு-அடர்த்தி கொண்ட மின்னணு சாதனங்களின் உற்பத்திக்கு குறிப்பாகப் பொருத்தமானவை. நுண்ணலை ரேடியோ அதிர்வெண் சாதனங்கள், LED-கள், லேசர்கள், சக்தி சாதனங்கள் மற்றும் பிற துறைகளில் அவற்றின் பயன்பாடுகள் அதிக கவனத்தை ஈர்த்துள்ளன, மேலும் அவை மொபைல் தகவல்தொடர்புகள், ஸ்மார்ட் கிரிட்கள், ரயில் போக்குவரத்து, புதிய ஆற்றல் வாகனங்கள், நுகர்வோர் மின்னணுவியல் மற்றும் புற ஊதா மற்றும் நீல-பச்சை ஒளி சாதனங்களில் பரந்த வளர்ச்சி வாய்ப்புகளைக் காட்டியுள்ளன [1].

பட ஆதாரம்: CASA, ஜெஷாங் பத்திரங்கள் ஆராய்ச்சி நிறுவனம்

படம் 1 GaN ஆற்றல் சாதனத்தின் நேர அளவு மற்றும் முன்னறிவிப்பு

II GaN பொருளின் அமைப்பு மற்றும் பண்புகள்

GaN ஒரு நேரடி பேண்ட்கேப் குறைக்கடத்தி ஆகும். அறை வெப்பநிலையில் வுர்ட்சைட் கட்டமைப்பின் பேண்ட்கேப் அகலம் சுமார் 3.26eV ஆகும். GaN பொருட்கள் வுர்ட்சைட் கட்டமைப்பு, ஸ்பாலரைட் கட்டமைப்பு மற்றும் ராக் சால்ட் கட்டமைப்பு என மூன்று முக்கிய படிக கட்டமைப்புகளைக் கொண்டுள்ளன. அவற்றுள், வுர்ட்சைட் கட்டமைப்பு மிகவும் நிலையான படிக கட்டமைப்பாகும். படம் 2 என்பது GaN-இன் அறுகோண வுர்ட்சைட் கட்டமைப்பின் வரைபடமாகும். GaN பொருளின் வுர்ட்சைட் கட்டமைப்பு ஒரு அறுகோண நெருக்கமான அடுக்கப்பட்ட கட்டமைப்பைச் சார்ந்தது. ஒவ்வொரு அலகு கலத்திலும் 12 அணுக்கள் உள்ளன, இதில் 6 N அணுக்கள் மற்றும் 6 Ga அணுக்கள் அடங்கும். ஒவ்வொரு Ga (N) அணுவும் அருகிலுள்ள 4 N (Ga) அணுக்களுடன் ஒரு பிணைப்பை உருவாக்குகிறது மற்றும் [0001] திசையில் ABABAB… என்ற வரிசையில் அடுக்கப்பட்டுள்ளது [2].

படம் 2 வுர்ட்சைட் அமைப்பு GaN படிக செல் வரைபடம்

III GaN எபிடாக்ஸிக்கு பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் அடி மூலக்கூறுகள்

GaN அடி மூலக்கூறுகளில் ஒருபடித்தான எபிடாக்ஸி, GaN எபிடாக்ஸிக்கு சிறந்த தேர்வாகத் தெரிகிறது. இருப்பினும், GaN-இன் அதிக பிணைப்பு ஆற்றல் காரணமாக, வெப்பநிலை 2500℃ உருகுநிலையை அடையும்போது, ​​அதனுடன் தொடர்புடைய சிதைவு அழுத்தம் சுமார் 4.5 GPa ஆகும். சிதைவு அழுத்தம் இந்த அழுத்தத்தை விட குறைவாக இருக்கும்போது, ​​GaN உருகுவதில்லை, ஆனால் நேரடியாக சிதைவடைகிறது. இது, சோக்ரால்ஸ்கி முறை போன்ற முதிர்ந்த அடி மூலக்கூறு தயாரிப்பு தொழில்நுட்பங்களை GaN ஒற்றை படிக அடி மூலக்கூறுகளைத் தயாரிப்பதற்குப் பொருத்தமற்றதாக ஆக்குகிறது, இதனால் GaN அடி மூலக்கூறுகளை பெருமளவில் உற்பத்தி செய்வது கடினமாகவும் விலை உயர்ந்ததாகவும் ஆகிறது. எனவே, GaN எபிடாக்ஸியல் வளர்ச்சியில் பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் அடி மூலக்கூறுகள் முக்கியமாக Si, SiC, சபையர் போன்றவை ஆகும் [3].

விளக்கப்படம் 3 GaN மற்றும் பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் அடி மூலக்கூறு பொருட்களின் அளவுருக்கள்

நீலக்கல்லின் மீது GaN எபிடாக்ஸி

நீலக்கல் நிலையான வேதியியல் பண்புகளைக் கொண்டுள்ளது, விலை மலிவானது, மற்றும் பெரிய அளவிலான உற்பத்தித் துறையில் அதிக முதிர்ச்சியைக் கொண்டுள்ளது. எனவே, இது குறைக்கடத்தி சாதனப் பொறியியலில் ஆரம்பகால மற்றும் மிகவும் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படும் அடி மூலக்கூறு பொருட்களில் ஒன்றாக மாறியுள்ளது. GaN எபிடாக்ஸிக்கு பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் அடி மூலக்கூறுகளில் ஒன்றாக, நீலக்கல் அடி மூலக்கூறுகளுக்குத் தீர்க்கப்பட வேண்டிய முக்கிய பிரச்சனைகள் பின்வருமாறு:

✔ சபையர் (Al2O3) மற்றும் GaN இடையே உள்ள பெரிய லேட்டிஸ் பொருத்தமின்மை (சுமார் 15%) காரணமாக, எபிடெக்சியல் அடுக்குக்கும் அடி மூலக்கூறுக்கும் இடையிலான இடைமுகத்தில் குறைபாடுகளின் அடர்த்தி மிகவும் அதிகமாக உள்ளது. அதன் பாதகமான விளைவுகளைக் குறைப்பதற்காக, எபிடெக்சி செயல்முறை தொடங்குவதற்கு முன்பு அடி மூலக்கூறு ஒரு சிக்கலான முன்சிகிச்சைக்கு உட்படுத்தப்பட வேண்டும். சபையர் அடி மூலக்கூறுகளில் GaN எபிடெக்சியை வளர்ப்பதற்கு முன்பு, அசுத்தங்கள், எஞ்சிய மெருகூட்டல் சேதம் போன்றவற்றை அகற்றவும், படிகள் மற்றும் படி மேற்பரப்பு அமைப்புகளை உருவாக்கவும் அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பு முதலில் கடுமையாக சுத்தம் செய்யப்பட வேண்டும். பின்னர், எபிடெக்சியல் அடுக்கின் ஈரமாக்கும் பண்புகளை மாற்றுவதற்காக அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பு நைட்ரைடு செய்யப்படுகிறது. இறுதியாக, இறுதி எபிடெக்சியல் வளர்ச்சிக்குத் தயாராவதற்காக, ஒரு மெல்லிய AlN இடையடுக்கு (பொதுவாக 10-100 நானோமீட்டர் தடிமன்) அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் படியவைக்கப்பட்டு குறைந்த வெப்பநிலையில் பதப்படுத்தப்பட வேண்டும். அப்படியிருந்தும், சபையர் அடி மூலக்கூறுகளில் வளர்க்கப்பட்ட GaN எபிடெக்சியல் படலங்களில் உள்ள இடப்பெயர்வு அடர்த்தி, ஹோமோஎபிடெக்சியல் படலங்களை விட அதிகமாகவே உள்ளது (சிலிக்கான் ஹோமோஎபிடெக்சியல் படலங்கள் அல்லது காலியம் ஆர்சனைடு ஹோமோஎபிடெக்சியல் படலங்களில் இடப்பெயர்வு அடர்த்தி அடிப்படையில் பூஜ்ஜியமாக இருக்கும் நிலையில், அதாவது 10² மற்றும் 10⁴cm⁻² க்கு இடையில், சுமார் 10¹⁰cm⁻²). அதிக குறைபாடு அடர்த்தி கேரியர் நகர்வை குறைக்கிறது, இதனால் சிறுபான்மை கேரியர் ஆயுட்காலம் குறைகிறது மற்றும் வெப்ப கடத்துத்திறன் குறைகிறது, இவை அனைத்தும் சாதனத்தின் செயல்திறனைக் குறைக்கும் [4];

✔ நீலக்கல்லின் வெப்ப விரிவாக்கக் குணகம் GaN-ஐ விட அதிகமாக இருப்பதால், படியவைப்பு வெப்பநிலையிலிருந்து அறை வெப்பநிலைக்குக் குளிர்விக்கும் செயல்பாட்டின் போது, ​​படிகமேல் அடுக்கில் இருஅச்சு அமுக்க அழுத்தம் உருவாகும். தடிமனான படிகமேல் படலங்களுக்கு, இந்த அழுத்தம் படலத்திலோ அல்லது அடி மூலக்கூறிலோ கூட விரிசல்களை ஏற்படுத்தக்கூடும்;

✔ மற்ற அடி மூலக்கூறுகளுடன் ஒப்பிடும்போது, ​​நீலக்கல் அடி மூலக்கூறுகளின் வெப்பக் கடத்துத்திறன் குறைவாக உள்ளது (100℃-ல் சுமார் 0.25W*cm-1*K-1), மேலும் வெப்பச் சிதறல் செயல்திறனும் மோசமாக உள்ளது;

✔ அதன் குறைந்த கடத்துத்திறன் காரணமாக, நீலக்கல் தளங்கள் மற்ற குறைக்கடத்தி சாதனங்களுடன் ஒருங்கிணைக்கப்படுவதற்கும் பயன்படுத்துவதற்கும் உகந்ததாக இல்லை.

நீலக்கல் அடித்தளங்களின் மீது வளர்க்கப்படும் GaN புறவளர்ச்சி அடுக்குகளின் குறைபாட்டு அடர்த்தி அதிகமாக இருந்தாலும், அது GaN-அடிப்படையிலான நீல-பச்சை LED-களின் ஒளிமின்னணு செயல்திறனைக் குறிப்பிடத்தக்க அளவில் குறைப்பதாகத் தெரியவில்லை. எனவே, GaN-அடிப்படையிலான LED-களுக்கு நீலக்கல் அடித்தளங்கள் இன்றும் பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.

லேசர்கள் அல்லது பிற உயர் அடர்த்தி ஆற்றல் சாதனங்கள் போன்ற GaN சாதனங்களின் புதிய பயன்பாடுகள் அதிகரித்து வருவதால், சபையர் அடி மூலக்கூறுகளின் உள்ளார்ந்த குறைபாடுகள் அவற்றின் பயன்பாட்டிற்கு ஒரு வரம்பாக மாறி வருகின்றன. மேலும், SiC அடி மூலக்கூறு வளர்ச்சித் தொழில்நுட்பத்தின் வளர்ச்சி, செலவுக் குறைப்பு மற்றும் Si அடி மூலக்கூறுகளில் GaN எபிடெக்சியல் தொழில்நுட்பத்தின் முதிர்ச்சி ஆகியவற்றால், சபையர் அடி மூலக்கூறுகளில் GaN எபிடெக்சியல் அடுக்குகளை வளர்ப்பது குறித்த ஆராய்ச்சி படிப்படியாக ஒரு தணிவுப் போக்கைக் காட்டியுள்ளது.

SiC மீது GaN எபிடாக்ஸி

நீலக்கல்லுடன் ஒப்பிடுகையில், SiC அடி மூலக்கூறுகள் (4H- மற்றும் 6H-படிகங்கள்) GaN எபிடெக்சியல் அடுக்குகளுடன் ஒரு சிறிய லேட்டிஸ் பொருத்தமின்மையையும் (3.1%, இது [0001] திசையமைவு எபிடெக்சியல் படங்களுக்கு சமமானது), அதிக வெப்பக் கடத்துத்திறனையும் (சுமார் 3.8W*cm-1*K-1) போன்ற நன்மைகளைக் கொண்டுள்ளன. மேலும், SiC அடி மூலக்கூறுகளின் கடத்துத்திறன், அடி மூலக்கூறின் பின்புறத்தில் மின் இணைப்புகளை ஏற்படுத்தவும் அனுமதிக்கிறது, இது சாதனத்தின் கட்டமைப்பை எளிதாக்க உதவுகிறது. இந்த நன்மைகள் இருப்பதால், சிலிக்கான் கார்பைடு அடி மூலக்கூறுகளில் GaN எபிடெக்சி குறித்து ஆய்வு செய்ய மேலும் மேலும் ஆராய்ச்சியாளர்கள் ஈர்க்கப்பட்டுள்ளனர்.

இருப்பினும், GaN புறப்படலங்களை வளர்ப்பதைத் தவிர்ப்பதற்காக SiC அடிமூலக்கூறுகளில் நேரடியாகப் பணியாற்றுவது, பின்வருவன உள்ளிட்ட பல குறைபாடுகளையும் கொண்டுள்ளது:

✔ SiC அடிமூலக்கூறுகளின் மேற்பரப்பு சொரசொரப்பு, சபையர் அடிமூலக்கூறுகளை விட மிகவும் அதிகமாக உள்ளது (சபையர் சொரசொரப்பு 0.1nm RMS, SiC சொரசொரப்பு 1nm RMS). SiC அடிமூலக்கூறுகள் அதிக கடினத்தன்மையையும் மோசமான செயலாக்க செயல்திறனையும் கொண்டுள்ளன. மேலும், இந்த சொரசொரப்பும் எஞ்சிய மெருகூட்டல் சேதமும் GaN எபிலேயர்களில் உள்ள குறைபாடுகளின் மூலங்களில் ஒன்றாகும்.

✔ SiC அடிமூலக்கூறுகளின் திருகு இடப்பெயர்வு அடர்த்தி அதிகமாக உள்ளது (இடப்பெயர்வு அடர்த்தி 10³-10⁴cm⁻²), திருகு இடப்பெயர்வுகள் GaN புறப்படலத்திற்குப் பரவி சாதனத்தின் செயல்திறனைக் குறைக்கக்கூடும்;

✔ அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் உள்ள அணுக்களின் அமைப்பு, GaN எபிலேயரில் அடுக்குக் குறைபாடுகளை (BSFs) உருவாக்குகிறது. SiC அடி மூலக்கூறுகளின் மீதுள்ள எபிடெக்சியல் GaN-க்கு, அடி மூலக்கூறில் பல சாத்தியமான அணுக்களின் அமைப்பு வரிசைகள் உள்ளன. இதன் விளைவாக, அதன் மீதுள்ள எபிடெக்சியல் GaN அடுக்கின் ஆரம்ப அணுக்களின் அடுக்கு வரிசை சீரற்றதாகிறது, இது அடுக்குக் குறைபாடுகளுக்கு ஆளாகிறது. அடுக்குக் குறைபாடுகள் (SFs), c-அச்சு வழியே உள்ளமைக்கப்பட்ட மின்புலங்களை உருவாக்குகின்றன. இது, தளத்திற்குள் உள்ள கேரியர் பிரிப்பு சாதனங்களில் கசிவு போன்ற சிக்கல்களுக்கு வழிவகுக்கிறது;

✔ SiC அடி மூலக்கூறின் வெப்ப விரிவாக்கக் குணகம் AlN மற்றும் GaN-ஐ விடக் குறைவாக இருப்பதால், குளிர்விக்கும் செயல்முறையின் போது புறவளர்ச்சி அடுக்குக்கும் அடி மூலக்கூறுக்கும் இடையில் வெப்ப அழுத்தம் குவிகிறது. வால்டெரைட் மற்றும் பிராண்ட் ஆகியோர் தங்கள் ஆராய்ச்சி முடிவுகளின் அடிப்படையில், மெல்லிய, சீராக அழுத்தப்பட்ட AlN கருவாக்க அடுக்குகளின் மீது GaN புறவளர்ச்சி அடுக்குகளை வளர்ப்பதன் மூலம் இந்தப் பிரச்சனையைத் தணிக்கலாம் அல்லது தீர்க்கலாம் என்று கணித்துள்ளனர்;

✔ Ga அணுக்களின் குறைந்த ஈரமாகும் தன்மை பிரச்சனை. SiC மேற்பரப்பில் நேரடியாக GaN எபிடெக்சியல் அடுக்குகளை வளர்க்கும்போது, ​​இரண்டு அணுக்களுக்கும் இடையே உள்ள குறைந்த ஈரமாகும் தன்மையால், அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் GaN முப்பரிமாண தீவு வளர்ச்சிக்கு ஆளாகிறது. GaN எபிடெக்சியில் எபிடெக்சியல் பொருட்களின் தரத்தை மேம்படுத்த, ஒரு இடையடுக்கு (buffer layer) அறிமுகப்படுத்துவதே மிகவும் பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் தீர்வாகும். AlN அல்லது AlxGa1-xN இடையடுக்கு அறிமுகப்படுத்துவது, SiC மேற்பரப்பின் ஈரமாகும் தன்மையை திறம்பட மேம்படுத்தி, GaN எபிடெக்சியல் அடுக்கை இரு பரிமாணங்களில் வளரச் செய்யும். கூடுதலாக, இது அழுத்தத்தை ஒழுங்குபடுத்தி, அடி மூலக்கூறு குறைபாடுகள் GaN எபிடெக்சி வரை பரவுவதைத் தடுக்கவும் செய்கிறது.

✔ SiC அடிமூலக்கூறுகளின் தயாரிப்புத் தொழில்நுட்பம் முதிர்ச்சியற்றதாக உள்ளது, அடிமூலக்கூறின் விலை அதிகமாக உள்ளது, மேலும் வழங்குநர்கள் குறைவாக இருப்பதால் விநியோகமும் குறைவாகவே உள்ளது.

டோரஸ் மற்றும் அவரது குழுவினரின் ஆராய்ச்சி, எபிடாக்ஸிக்கு முன் SiC அடி மூலக்கூறை அதிக வெப்பநிலையில் (1600°C) H2 உடன் அரிப்பது, அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் மிகவும் ஒழுங்கமைக்கப்பட்ட படி அமைப்பை உருவாக்க முடியும் என்பதைக் காட்டுகிறது, இதன் மூலம் அசல் அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் நேரடியாக வளர்க்கப்படுவதை விட உயர்தரமான AlN எபிடாக்ஸியல் படலத்தைப் பெறலாம். ஸீ மற்றும் அவரது குழுவினரின் ஆராய்ச்சியும், சிலிக்கான் கார்பைடு அடி மூலக்கூறின் அரிப்பு முன் சிகிச்சை, GaN எபிடாக்ஸியல் அடுக்கின் மேற்பரப்பு உருவவியல் மற்றும் படிகத் தரத்தை கணிசமாக மேம்படுத்த முடியும் என்பதைக் காட்டுகிறது. ஸ்மித் மற்றும் அவரது குழுவினர், அடி மூலக்கூறு/தாங்கல் அடுக்கு மற்றும் தாங்கல் அடுக்கு/எபிடாக்ஸியல் அடுக்கு இடைமுகங்களிலிருந்து உருவாகும் த்ரெடிங் டிஸ்லொகேஷன்கள் அடி மூலக்கூறின் தட்டையான தன்மையுடன் தொடர்புடையவை என்பதைக் கண்டறிந்தனர் [5].

படம் 4 வெவ்வேறு மேற்பரப்பு சிகிச்சை நிலைமைகளின் கீழ் 6H-SiC அடி மூலக்கூறு (0001) மீது வளர்க்கப்பட்ட GaN எபிடெக்சியல் அடுக்கு மாதிரிகளின் TEM உருவவியல் (அ) இரசாயன சுத்தம் செய்தல்; (ஆ) இரசாயன சுத்தம் செய்தல் + ஹைட்ரஜன் பிளாஸ்மா சிகிச்சை; (இ) இரசாயன சுத்தம் செய்தல் + ஹைட்ரஜன் பிளாஸ்மா சிகிச்சை + 30 நிமிடங்களுக்கு 1300℃ ஹைட்ரஜன் வெப்ப சிகிச்சை

Si மீது GaN எபிடாக்ஸி

சிலிக்கான் கார்பைடு, சபையர் மற்றும் பிற அடி மூலக்கூறுகளுடன் ஒப்பிடுகையில், சிலிக்கான் அடி மூலக்கூறு தயாரிப்பு செயல்முறை முதிர்ச்சியடைந்துள்ளது, மேலும் இது அதிக செலவு செயல்திறனுடன் முதிர்ச்சியடைந்த பெரிய அளவிலான அடி மூலக்கூறுகளை நிலையாக வழங்க முடியும். அதே நேரத்தில், வெப்பக் கடத்துத்திறன் மற்றும் மின் கடத்துத்திறன் சிறப்பாக உள்ளன, மேலும் சிலிக்கான் மின்னணு சாதன செயல்முறையும் முதிர்ச்சியடைந்துள்ளது. எதிர்காலத்தில் ஒளியியல்-மின்னணு GaN சாதனங்களை சிலிக்கான் மின்னணு சாதனங்களுடன் கச்சிதமாக ஒருங்கிணைக்கும் சாத்தியக்கூறும், சிலிக்கானின் மீது GaN எபிடாக்ஸியின் வளர்ச்சியை மிகவும் கவர்ச்சிகரமானதாக ஆக்குகிறது.

இருப்பினும், Si அடிமூலக்கூறுக்கும் GaN பொருளுக்கும் இடையிலான படிக மாறிலிகளில் உள்ள பெரிய வேறுபாட்டின் காரணமாக, Si அடிமூலக்கூறின் மீது GaN-இன் பல்லினப் படிகவளர்ச்சியானது ஒரு வழக்கமான பெரிய பொருந்தாமைப் படிகவளர்ச்சியாகும், மேலும் அது தொடர்ச்சியான சிக்கல்களையும் எதிர்கொள்ள வேண்டியுள்ளது:

✔ மேற்பரப்பு இடைமுக ஆற்றல் சிக்கல். ஒரு Si தளத்தின் மீது GaN வளரும்போது, ​​Si தளத்தின் மேற்பரப்பு முதலில் நைட்ரைடு செய்யப்பட்டு, அதிக அடர்த்தி கொண்ட GaN-இன் கருவாக்கம் மற்றும் வளர்ச்சிக்கு உகந்ததல்லாத ஒரு உருவமற்ற சிலிக்கான் நைட்ரைடு அடுக்கை உருவாக்கும். மேலும், Si மேற்பரப்பு முதலில் Ga-உடன் தொடர்பு கொள்ளும், இது Si தளத்தின் மேற்பரப்பை அரித்துவிடும். உயர் வெப்பநிலையில், Si மேற்பரப்பின் சிதைவானது GaN புறவளர்ச்சி அடுக்கிற்குள் பரவி, கருப்பு சிலிக்கான் புள்ளிகளை உருவாக்கும்.

✔ GaN மற்றும் Si-க்கு இடையேயான லேட்டிஸ் மாறிலிப் பொருத்தமின்மை அதிகமாக (~17%) உள்ளது, இது அதிக அடர்த்தி கொண்ட த்ரெடிங் டிஸ்லொகேஷன்கள் உருவாக வழிவகுத்து, எபிடெக்சியல் அடுக்கின் தரத்தை கணிசமாகக் குறைக்கும்;

✔ சிலிக்கானுடன் (Si) ஒப்பிடும்போது, ​​கேலியம் நைட்ரைடு (GaN) அதிக வெப்ப விரிவாக்க குணகத்தைக் கொண்டுள்ளது (கேலியம் நைட்ரைடின் வெப்ப விரிவாக்க குணகம் சுமார் 5.6×10⁻⁶K⁻¹, சிலிக்கானின் வெப்ப விரிவாக்க குணகம் சுமார் 2.6×10⁻⁶K⁻¹), மேலும் புறப்பரப்பு வெப்பநிலையை அறை வெப்பநிலைக்குக் குளிர்விக்கும் போது கேலியம் நைட்ரைடு புறப்பரப்பு அடுக்கில் விரிசல்கள் உருவாகலாம்;

✔ Si அதிக வெப்பநிலையில் NH3 உடன் வினைபுரிந்து பலபடிக SiNx ஐ உருவாக்குகிறது. AlN பலபடிக SiNx மீது முன்னுரிமை அளிக்கப்பட்ட கருவை உருவாக்க முடியாது, இது பின்னர் வளர்க்கப்படும் GaN அடுக்கின் ஒழுங்கற்ற நோக்குநிலை மற்றும் அதிக எண்ணிக்கையிலான குறைபாடுகளுக்கு வழிவகுக்கிறது, இதன் விளைவாக GaN எபிடெக்சியல் அடுக்கின் படிகத் தரம் மோசமாகிறது, மேலும் ஒற்றை-படிக GaN எபிடெக்சியல் அடுக்கை உருவாக்குவதில் கூட சிரமம் ஏற்படுகிறது [6].

பெரிய படிகக்கூடு பொருத்தமின்மை சிக்கலைத் தீர்ப்பதற்காக, ஆராய்ச்சியாளர்கள் சிலிக்கான் (Si) அடி மூலக்கூறுகளின் மீது AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, மற்றும் SiC போன்ற பொருட்களை இடையடுக்குகளாக அறிமுகப்படுத்த முயன்றுள்ளனர். பலபடிக SiNx உருவாவதைத் தவிர்ப்பதற்கும், GaN/AlN/Si (111) பொருட்களின் படிகத் தரத்தில் அதன் பாதகமான விளைவுகளைக் குறைப்பதற்கும், வெளிப்பட்ட சிலிக்கான் (Si) மேற்பரப்புடன் NH3 வினைபுரிந்து SiNx-ஐ உருவாக்குவதைத் தடுப்பதற்காக, AlN இடையடுக்கு படிகவளர்ச்சிக்கு முன்பு ஒரு குறிப்பிட்ட காலத்திற்கு TMAl பொதுவாக அறிமுகப்படுத்தப்பட வேண்டும். மேலும், படிகவளர்ச்சி அடுக்கின் தரத்தை மேம்படுத்த, வடிவமைக்கப்பட்ட அடி மூலக்கூறு தொழில்நுட்பம் போன்ற படிகவளர்ச்சி தொழில்நுட்பங்களைப் பயன்படுத்தலாம். இந்தத் தொழில்நுட்பங்களின் வளர்ச்சி, படிகவளர்ச்சி இடைமுகத்தில் SiNx உருவாவதைத் தடுக்கவும், GaN படிகவளர்ச்சி அடுக்கின் இரு பரிமாண வளர்ச்சியை ஊக்குவிக்கவும், மற்றும் படிகவளர்ச்சி அடுக்கின் வளர்ச்சித் தரத்தை மேம்படுத்தவும் உதவுகிறது. கூடுதலாக, சிலிக்கான் அடி மூலக்கூறின் மீதுள்ள GaN படிகவளர்ச்சி அடுக்கில் விரிசல்கள் ஏற்படுவதைத் தவிர்ப்பதற்காக, வெப்ப விரிவாக்கக் குணகங்களின் வேறுபாட்டால் ஏற்படும் இழுவிசை அழுத்தத்தை ஈடுசெய்ய ஒரு AlN இடையடுக்கு அறிமுகப்படுத்தப்படுகிறது. AlN இடையடுக்குத் தடிமனுக்கும் திரிபுக் குறைப்பிற்கும் இடையே ஒரு நேர்மறையான தொடர்பு இருப்பதாக க்ரோஸ்டின் ஆராய்ச்சி காட்டுகிறது. இடையடுக்குத் தடிமன் 12 நானோமீட்டரை அடையும்போது, ​​தகுந்த வளர்ச்சித் திட்டத்தின் மூலம், புறவளர்ச்சி அடுக்கில் விரிசல் ஏற்படாமல், 6 மைக்ரோமீட்டருக்கும் அதிகமான தடிமன் கொண்ட ஒரு புறவளர்ச்சி அடுக்கை சிலிக்கான் அடித்தளத்தின் மீது வளர்க்க முடியும்.

ஆராய்ச்சியாளர்களின் நீண்டகால முயற்சிகளுக்குப் பிறகு, சிலிக்கான் தளங்களில் வளர்க்கப்பட்ட GaN எபிடெக்சியல் அடுக்குகளின் தரம் கணிசமாக மேம்படுத்தப்பட்டுள்ளது, மேலும் புல விளைவு டிரான்சிஸ்டர்கள், ஸ்காட்கி தடுப்பு புற ஊதா கண்டறிவான்கள், நீல-பச்சை LED-கள் மற்றும் புற ஊதா லேசர்கள் போன்ற சாதனங்களும் குறிப்பிடத்தக்க முன்னேற்றம் அடைந்துள்ளன.

சுருக்கமாக, பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் GaN எபிடெக்சியல் அடி மூலக்கூறுகள் அனைத்தும் பல்லின எபிடெக்சியல் வகையைச் சேர்ந்தவை என்பதால், அவை அனைத்தும் படிகக் கட்டமைப்புப் பொருத்தமின்மை மற்றும் வெப்ப விரிவாக்கக் குணகங்களில் உள்ள பெரிய வேறுபாடுகள் போன்ற பொதுவான சிக்கல்களை வெவ்வேறு அளவுகளில் எதிர்கொள்கின்றன. ஒருபடித்தான எபிடெக்சியல் GaN அடி மூலக்கூறுகள் தொழில்நுட்பத்தின் முதிர்ச்சியால் கட்டுப்படுத்தப்படுகின்றன, மேலும் இந்த அடி மூலக்கூறுகள் இன்னும் பெருமளவில் உற்பத்தி செய்யப்படவில்லை. உற்பத்திச் செலவு அதிகமாக உள்ளது, அடி மூலக்கூறின் அளவு சிறியது, மற்றும் அடி மூலக்கூறின் தரம் சிறந்ததாக இல்லை. புதிய GaN எபிடெக்சியல் அடி மூலக்கூறுகளின் உருவாக்கம் மற்றும் எபிடெக்சியல் தரத்தின் மேம்பாடு ஆகியவை GaN எபிடெக்சியல் தொழில்துறையின் மேலதிக வளர்ச்சியைத் தடுக்கும் முக்கிய காரணிகளில் ஒன்றாக இன்றும் இருக்கின்றன.

IV. GaN எபிடாக்ஸிக்கான பொதுவான முறைகள்

MOCVD (வேதியியல் ஆவிப் படிவு)

GaN அடி மூலக்கூறுகளின் மீது செய்யப்படும் ஒருபடித்தான எபிடாக்ஸியே GaN எபிடாக்ஸிக்கு சிறந்த தேர்வாகத் தெரிகிறது. இருப்பினும், வேதி ஆவிப் படிவு முறையின் முன்னோடிகளாக டிரைமெத்தில்காலியம் மற்றும் அம்மோனியாவும், கடத்தி வாயுவாக ஹைட்ரஜனும் இருப்பதால், வழக்கமான MOCVD வளர்ச்சி வெப்பநிலை சுமார் 1000-1100℃ ஆகவும், MOCVD-யின் வளர்ச்சி விகிதம் ஒரு மணி நேரத்திற்கு சில மைக்ரான்கள் ஆகவும் உள்ளது. இது அணு மட்டத்தில் செங்குத்தான இடைமுகங்களை உருவாக்க முடியும், இது ஹெட்டரோஜங்ஷன்கள், குவாண்டம் கிணறுகள், சூப்பர்லேட்டிஸ்கள் மற்றும் பிற கட்டமைப்புகளை வளர்ப்பதற்கு மிகவும் பொருத்தமானது. இதன் வேகமான வளர்ச்சி விகிதம், நல்ல சீரான தன்மை, மற்றும் பெரிய பரப்பளவு மற்றும் பல-துண்டு வளர்ச்சிக்கு ஏற்ற தன்மை ஆகியவை தொழில்துறை உற்பத்தியில் அடிக்கடி பயன்படுத்தப்படுகின்றன.
MBE (மூலக்கூறு கற்றை எபிடாக்ஸி)
மூலக்கூறு கற்றை எபிடாக்ஸியில், Ga ஒரு தனிம மூலத்தைப் பயன்படுத்துகிறது, மேலும் RF பிளாஸ்மா மூலம் நைட்ரஜனிலிருந்து செயலில் உள்ள நைட்ரஜன் பெறப்படுகிறது. MOCVD முறையுடன் ஒப்பிடும்போது, ​​MBE வளர்ச்சி வெப்பநிலை சுமார் 350-400℃ குறைவாக உள்ளது. குறைந்த வளர்ச்சி வெப்பநிலை அதிக வெப்பநிலை சூழல்களால் ஏற்படக்கூடிய சில மாசுபாடுகளைத் தவிர்க்கலாம். MBE அமைப்பு அதி உயர் வெற்றிடத்தில் செயல்படுகிறது, இது அதிக இன்-சிட்டு கண்டறிதல் முறைகளை ஒருங்கிணைக்க அனுமதிக்கிறது. அதே நேரத்தில், அதன் வளர்ச்சி விகிதம் மற்றும் உற்பத்தித் திறனை MOCVD உடன் ஒப்பிட முடியாது, மேலும் இது அறிவியல் ஆராய்ச்சியில் அதிகமாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது [7].

படம் 5 (a) Eiko-MBE திட்டம் (b) MBE முக்கிய எதிர்வினை அறை திட்டம்

HVPE முறை (ஹைட்ரைடு ஆவி நிலை எபிடாக்ஸி)

ஹைட்ரைடு ஆவி நிலை எபிடாக்ஸி முறையின் முன்னோடிகள் GaCl3 மற்றும் NH3 ஆகும். டெட்ச்ப்ரோம் மற்றும் அவரது குழுவினர், ஒரு சபையர் அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்பில் நூற்றுக்கணக்கான மைக்ரான் தடிமன் கொண்ட GaN எபிடாக்ஸியல் அடுக்கை வளர்க்க இந்த முறையைப் பயன்படுத்தினர். அவர்களின் சோதனையில், சபையர் அடி மூலக்கூறுக்கும் எபிடாக்ஸியல் அடுக்குக்கும் இடையில் ஒரு இடையடுக்கு அடுக்காக ZnO அடுக்கு வளர்க்கப்பட்டது, மேலும் எபிடாக்ஸியல் அடுக்கு அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் இருந்து உரிக்கப்பட்டது. MOCVD மற்றும் MBE உடன் ஒப்பிடும்போது, ​​HVPE முறையின் முக்கிய அம்சம் அதன் அதிக வளர்ச்சி விகிதமாகும், இது தடிமனான அடுக்குகள் மற்றும் மொத்தப் பொருட்களை உற்பத்தி செய்வதற்கு ஏற்றது. இருப்பினும், எபிடாக்ஸியல் அடுக்கின் தடிமன் 20μm-ஐத் தாண்டும்போது, ​​இந்த முறையில் உற்பத்தி செய்யப்படும் எபிடாக்ஸியல் அடுக்கில் விரிசல்கள் ஏற்பட வாய்ப்புள்ளது.
அகிரா உசுய் இந்த முறையின் அடிப்படையில் வடிவமைக்கப்பட்ட அடி மூலக்கூறு தொழில்நுட்பத்தை அறிமுகப்படுத்தியது. அவர்கள் முதலில் MOCVD முறையைப் பயன்படுத்தி ஒரு சபையர் அடி மூலக்கூறின் மீது 1-1.5μm தடிமன் கொண்ட ஒரு மெல்லிய GaN எபிடெக்சியல் அடுக்கை வளர்த்தனர். அந்த எபிடெக்சியல் அடுக்கானது, குறைந்த வெப்பநிலை நிலைகளில் வளர்க்கப்பட்ட 20nm தடிமன் கொண்ட ஒரு GaN இடையடுக்கு மற்றும் உயர் வெப்பநிலை நிலைகளில் வளர்க்கப்பட்ட ஒரு GaN அடுக்கு ஆகியவற்றைக் கொண்டிருந்தது. பின்னர், 430℃ வெப்பநிலையில், எபிடெக்சியல் அடுக்கின் மேற்பரப்பில் ஒரு SiO2 அடுக்கு பூசப்பட்டது, மேலும் ஒளிக்கல்லச்சு மூலம் SiO2 படலத்தின் மீது சாளரப் பட்டைகள் உருவாக்கப்பட்டன. பட்டைகளுக்கு இடையேயான இடைவெளி 7μm ஆகவும், முகமூடியின் அகலம் 1μm முதல் 4μm வரையும் இருந்தது. இந்த மேம்பாட்டிற்குப் பிறகு, அவர்கள் 2-அங்குல விட்டம் கொண்ட சபையர் அடி மூலக்கூறின் மீது, அதன் தடிமன் பத்து அல்லது நூற்றுக்கணக்கான மைக்ரான்களாக அதிகரித்தபோதும் கூட, விரிசல் இல்லாத மற்றும் கண்ணாடி போல வழவழப்பான ஒரு GaN எபிடெக்சியல் அடுக்கைப் பெற்றனர். பாரம்பரிய HVPE முறையின் 109-1010cm-2 குறைபாடு அடர்த்தி சுமார் 6×107cm-2 ஆகக் குறைக்கப்பட்டது. வளர்ச்சி விகிதம் 75μm/h ஐத் தாண்டும்போது, ​​மாதிரி மேற்பரப்பு கரடுமுரடாக மாறும் என்பதையும் அவர்கள் பரிசோதனையில் சுட்டிக்காட்டினர்[8].

படம் 6 வரைபட அடிப்படைத் திட்டப்படம்

V. சுருக்கம் மற்றும் கண்ணோட்டம்

2014-ஆம் ஆண்டில் நீல ஒளி எல்.ஈ.டி இயற்பியலுக்கான நோபல் பரிசை வென்றபோது GaN பொருட்கள் வெளிவரத் தொடங்கின, மேலும் நுகர்வோர் மின்னணுவியல் துறையில் வேகமான மின்னேற்றப் பயன்பாடுகளுக்காகப் பொதுமக்களின் பார்வைக்கு வந்தன. உண்மையில், பெரும்பாலான மக்களால் பார்க்க முடியாத, 5G அடிப்படை நிலையங்களில் பயன்படுத்தப்படும் ஆற்றல் பெருக்கிகள் மற்றும் RF சாதனங்களில் உள்ள பயன்பாடுகளும் அமைதியாக வெளிவந்துள்ளன. சமீபத்திய ஆண்டுகளில், GaN-அடிப்படையிலான வாகனத் தர ஆற்றல் சாதனங்களின் திருப்புமுனையானது, GaN பொருள் பயன்பாட்டுச் சந்தைக்குப் புதிய வளர்ச்சி வாய்ப்புகளைத் திறக்கும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது.
மிகப்பெரிய சந்தைத் தேவை, GaN தொடர்பான தொழில்கள் மற்றும் தொழில்நுட்பங்களின் வளர்ச்சியை நிச்சயமாக ஊக்குவிக்கும். GaN தொடர்பான தொழில் சங்கிலியின் முதிர்ச்சி மற்றும் மேம்பாட்டுடன், தற்போதைய GaN எபிடெக்சியல் தொழில்நுட்பம் எதிர்கொள்ளும் சிக்கல்கள் காலப்போக்கில் மேம்படுத்தப்படும் அல்லது களையப்படும். எதிர்காலத்தில், மக்கள் நிச்சயமாக மேலும் பல புதிய எபிடெக்சியல் தொழில்நுட்பங்களையும், மிகச் சிறந்த அடி மூலக்கூறு தேர்வுகளையும் உருவாக்குவார்கள். அப்போது, ​​மக்கள் வெவ்வேறு பயன்பாட்டுச் சூழல்களின் பண்புகளுக்கு ஏற்ப, மிகவும் பொருத்தமான வெளிப்புற ஆராய்ச்சி தொழில்நுட்பத்தையும் அடி மூலக்கூறையும் தேர்வுசெய்து, மிகவும் போட்டித்தன்மை வாய்ந்த தனிப்பயனாக்கப்பட்ட தயாரிப்புகளை உற்பத்தி செய்ய முடியும்.