மூன்றாம் தலைமுறை குறைக்கடத்தி GaN மற்றும் தொடர்புடைய எபிடாக்சியல் தொழில்நுட்ப சுருக்கமான அறிமுகம்

1. மூன்றாம் தலைமுறை குறைக்கடத்திகள்

முதல் தலைமுறை குறைக்கடத்தி தொழில்நுட்பம் Si மற்றும் Ge போன்ற குறைக்கடத்தி பொருட்களை அடிப்படையாகக் கொண்டு உருவாக்கப்பட்டது. இது டிரான்சிஸ்டர்கள் மற்றும் ஒருங்கிணைந்த சுற்று தொழில்நுட்பத்தின் வளர்ச்சிக்கான பொருள் அடிப்படையாகும். முதல் தலைமுறை குறைக்கடத்தி பொருட்கள் 20 ஆம் நூற்றாண்டில் மின்னணுத் தொழிலுக்கு அடித்தளம் அமைத்தன, மேலும் அவை ஒருங்கிணைந்த சுற்று தொழில்நுட்பத்திற்கான அடிப்படைப் பொருட்களாகும்.

இரண்டாம் தலைமுறை குறைக்கடத்தி பொருட்களில் முக்கியமாக காலியம் ஆர்சனைடு, இண்டியம் பாஸ்பைடு, காலியம் பாஸ்பைடு, இண்டியம் ஆர்சனைடு, அலுமினியம் ஆர்சனைடு மற்றும் அவற்றின் மும்முனை சேர்மங்கள் அடங்கும். இரண்டாம் தலைமுறை குறைக்கடத்தி பொருட்கள் ஆப்டோ எலக்ட்ரானிக் தகவல் துறையின் அடித்தளமாகும். இந்த அடிப்படையில், லைட்டிங், டிஸ்ப்ளே, லேசர் மற்றும் ஃபோட்டோவோல்டாயிக்ஸ் போன்ற தொடர்புடைய தொழில்கள் உருவாக்கப்பட்டுள்ளன. அவை சமகால தகவல் தொழில்நுட்பம் மற்றும் ஆப்டோ எலக்ட்ரானிக் காட்சித் தொழில்களில் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.

மூன்றாம் தலைமுறை குறைக்கடத்திப் பொருட்களின் பிரதிநிதித்துவப் பொருட்களில் காலியம் நைட்ரைடு மற்றும் சிலிக்கான் கார்பைடு ஆகியவை அடங்கும். அவற்றின் பரந்த பட்டை இடைவெளி, அதிக எலக்ட்ரான் செறிவூட்டல் சறுக்கல் வேகம், அதிக வெப்ப கடத்துத்திறன் மற்றும் அதிக முறிவு புல வலிமை காரணமாக, அவை அதிக சக்தி அடர்த்தி, அதிக அதிர்வெண் மற்றும் குறைந்த இழப்பு மின்னணு சாதனங்களைத் தயாரிப்பதற்கு ஏற்ற பொருட்களாகும். அவற்றில், சிலிக்கான் கார்பைடு சக்தி சாதனங்கள் அதிக ஆற்றல் அடர்த்தி, குறைந்த ஆற்றல் நுகர்வு மற்றும் சிறிய அளவு ஆகியவற்றின் நன்மைகளைக் கொண்டுள்ளன, மேலும் புதிய ஆற்றல் வாகனங்கள், ஒளிமின்னழுத்தங்கள், ரயில் போக்குவரத்து, பெரிய தரவு மற்றும் பிற துறைகளில் பரந்த பயன்பாட்டு வாய்ப்புகளைக் கொண்டுள்ளன. காலியம் நைட்ரைடு RF சாதனங்கள் அதிக அதிர்வெண், அதிக சக்தி, பரந்த அலைவரிசை, குறைந்த மின் நுகர்வு மற்றும் சிறிய அளவு ஆகியவற்றின் நன்மைகளைக் கொண்டுள்ளன, மேலும் 5G தகவல்தொடர்புகள், இணையம் ஆஃப் திங்ஸ், இராணுவ ரேடார் மற்றும் பிற துறைகளில் பரந்த பயன்பாட்டு வாய்ப்புகளைக் கொண்டுள்ளன. கூடுதலாக, காலியம் நைட்ரைடு அடிப்படையிலான சக்தி சாதனங்கள் குறைந்த மின்னழுத்தத் துறையில் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. கூடுதலாக, சமீபத்திய ஆண்டுகளில், வளர்ந்து வரும் காலியம் ஆக்சைடு பொருட்கள் ஏற்கனவே உள்ள SiC மற்றும் GaN தொழில்நுட்பங்களுடன் தொழில்நுட்ப நிரப்புத்தன்மையை உருவாக்கும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது, மேலும் குறைந்த அதிர்வெண் மற்றும் உயர் மின்னழுத்த புலங்களில் சாத்தியமான பயன்பாட்டு வாய்ப்புகளைக் கொண்டுள்ளன.

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

பட மூலம்: CASA, ஜெஷாங் பத்திர ஆராய்ச்சி நிறுவனம்

படம் 1 GaN சக்தி சாதன நேர அளவுகோல் மற்றும் முன்னறிவிப்பு

II GaN பொருள் அமைப்பு மற்றும் பண்புகள்

GaN என்பது ஒரு நேரடி பட்டை இடைவெளி குறைக்கடத்தி. அறை வெப்பநிலையில் வூர்ட்சைட் கட்டமைப்பின் பட்டை இடைவெளி அகலம் சுமார் 3.26eV ஆகும். GaN பொருட்கள் வூர்ட்சைட் அமைப்பு, ஸ்பேலரைட் அமைப்பு மற்றும் பாறை உப்பு அமைப்பு என மூன்று முக்கிய படிக அமைப்புகளைக் கொண்டுள்ளன. அவற்றில், வூர்ட்சைட் அமைப்பு மிகவும் நிலையான படிக அமைப்பாகும். படம் 2 என்பது GaN இன் அறுகோண வூர்ட்சைட் அமைப்பின் வரைபடம். GaN பொருளின் வூர்ட்சைட் அமைப்பு ஒரு அறுகோண நெருக்கமான-நிரம்பிய கட்டமைப்பைச் சேர்ந்தது. ஒவ்வொரு அலகு கலமும் 6 N அணுக்கள் மற்றும் 6 Ga அணுக்கள் உட்பட 12 அணுக்களைக் கொண்டுள்ளது. ஒவ்வொரு Ga (N) அணுவும் 4 அருகிலுள்ள N (Ga) அணுக்களுடன் ஒரு பிணைப்பை உருவாக்குகிறது மற்றும் ABABAB வரிசையில் அடுக்கி வைக்கப்பட்டுள்ளது… [0001] திசையில் [2].

படம் 2 வூர்ட்சைட் அமைப்பு GaN படிக செல் வரைபடம்

III GaN எபிடாக்ஸிக்கு பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் அடி மூலக்கூறுகள்

GaN அடி மூலக்கூறுகளில் ஒரே மாதிரியான எபிடாக்ஸி என்பது GaN எபிடாக்ஸிக்கு சிறந்த தேர்வாகத் தெரிகிறது. இருப்பினும், GaN இன் பெரிய பிணைப்பு ஆற்றல் காரணமாக, வெப்பநிலை 2500℃ உருகுநிலையை அடையும் போது, ​​அதன் தொடர்புடைய சிதைவு அழுத்தம் சுமார் 4.5GPa ஆகும். சிதைவு அழுத்தம் இந்த அழுத்தத்தை விடக் குறைவாக இருக்கும்போது, ​​GaN உருகாது, ஆனால் நேரடியாக சிதைகிறது. இது Czochralski முறை போன்ற முதிர்ந்த அடி மூலக்கூறு தயாரிப்பு தொழில்நுட்பங்களை GaN ஒற்றை படிக அடி மூலக்கூறுகளைத் தயாரிப்பதற்குப் பொருத்தமற்றதாக ஆக்குகிறது, இதனால் GaN அடி மூலக்கூறுகளை பெருமளவில் உற்பத்தி செய்வது கடினம் மற்றும் விலை உயர்ந்தது. எனவே, GaN எபிடாக்ஸியல் வளர்ச்சியில் பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் அடி மூலக்கூறுகள் முக்கியமாக Si, SiC, சபையர் போன்றவை. [3].

விளக்கப்படம் 3 GaN மற்றும் பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் அடி மூலக்கூறு பொருட்களின் அளவுருக்கள்

சபையரில் GaN எபிடாக்ஸி

நீலக்கல் நிலையான வேதியியல் பண்புகளைக் கொண்டுள்ளது, மலிவானது மற்றும் பெரிய அளவிலான உற்பத்தித் தொழிலின் அதிக முதிர்ச்சியைக் கொண்டுள்ளது. எனவே, இது குறைக்கடத்தி சாதன பொறியியலில் ஆரம்பகால மற்றும் மிகவும் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படும் அடி மூலக்கூறு பொருட்களில் ஒன்றாக மாறியுள்ளது. GaN எபிடாக்ஸிக்கு பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் அடி மூலக்கூறுகளில் ஒன்றாக, சபையர் அடி மூலக்கூறுகளுக்கு தீர்க்கப்பட வேண்டிய முக்கிய சிக்கல்கள்:

✔ சபையர் (Al2O3) மற்றும் GaN (சுமார் 15%) இடையே உள்ள பெரிய லேட்டிஸ் பொருத்தமின்மை காரணமாக, எபிடாக்சியல் அடுக்குக்கும் அடி மூலக்கூறுக்கும் இடையிலான இடைமுகத்தில் குறைபாடு அடர்த்தி மிக அதிகமாக உள்ளது. அதன் பாதகமான விளைவுகளைக் குறைக்க, எபிடாக்சியல் செயல்முறை தொடங்குவதற்கு முன்பு அடி மூலக்கூறு சிக்கலான முன் சிகிச்சைக்கு உட்படுத்தப்பட வேண்டும். சபையர் அடி மூலக்கூறுகளில் GaN எபிடாக்சியை வளர்ப்பதற்கு முன், அசுத்தங்கள், எஞ்சிய பாலிஷ் சேதம் போன்றவற்றை அகற்றவும், படிகள் மற்றும் படி மேற்பரப்பு கட்டமைப்புகளை உருவாக்கவும் அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பு முதலில் கண்டிப்பாக சுத்தம் செய்யப்பட வேண்டும். பின்னர், எபிடாக்சியல் அடுக்கின் ஈரமாக்கும் பண்புகளை மாற்ற அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பு நைட்ரைடு செய்யப்படுகிறது. இறுதியாக, ஒரு மெல்லிய AlN இடையக அடுக்கு (பொதுவாக 10-100nm தடிமன்) அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் படிந்து, இறுதி எபிடாக்சியல் வளர்ச்சிக்குத் தயாராக குறைந்த வெப்பநிலையில் அனீல் செய்யப்பட வேண்டும். அப்படியிருந்தும், சபையர் அடி மூலக்கூறுகளில் வளர்க்கப்படும் GaN எபிடாக்சியல் படலங்களில் இடப்பெயர்ச்சி அடர்த்தி ஹோமோபிடாக்சியல் படலங்களை விட அதிகமாக உள்ளது (சுமார் 1010cm-2, சிலிக்கான் ஹோமோபிடாக்சியல் படலங்கள் அல்லது காலியம் ஆர்சனைடு ஹோமோபிடாக்சியல் படலங்களில் அடிப்படையில் பூஜ்ஜிய இடப்பெயர்ச்சி அடர்த்தியுடன் ஒப்பிடும்போது, ​​அல்லது 102 மற்றும் 104cm-2 க்கு இடையில்). அதிக குறைபாடு அடர்த்தி கேரியர் இயக்கத்தைக் குறைக்கிறது, இதன் மூலம் சிறுபான்மை கேரியர் ஆயுட்காலம் குறைகிறது மற்றும் வெப்ப கடத்துத்திறனைக் குறைக்கிறது, இவை அனைத்தும் சாதன செயல்திறனைக் குறைக்கும் [4];

✔ சபையரின் வெப்ப விரிவாக்க குணகம் GaN ஐ விட அதிகமாக உள்ளது, எனவே படிவு வெப்பநிலையிலிருந்து அறை வெப்பநிலைக்கு குளிர்விக்கும் செயல்பாட்டின் போது எபிடாக்சியல் அடுக்கில் பைஆக்சியல் அமுக்க அழுத்தம் உருவாக்கப்படும். தடிமனான எபிடாக்சியல் படலங்களுக்கு, இந்த அழுத்தம் படலம் அல்லது அடி மூலக்கூறில் விரிசலை ஏற்படுத்தக்கூடும்;

✔ மற்ற அடி மூலக்கூறுகளுடன் ஒப்பிடும்போது, ​​சபையர் அடி மூலக்கூறுகளின் வெப்ப கடத்துத்திறன் குறைவாக உள்ளது (100℃ இல் சுமார் 0.25W*cm-1*K-1), மேலும் வெப்பச் சிதறல் செயல்திறன் மோசமாக உள்ளது;

✔ அதன் மோசமான கடத்துத்திறன் காரணமாக, சபையர் அடி மூலக்கூறுகள் மற்ற குறைக்கடத்தி சாதனங்களுடன் அவற்றின் ஒருங்கிணைப்பு மற்றும் பயன்பாட்டிற்கு உகந்தவை அல்ல.

சபையர் அடி மூலக்கூறுகளில் வளர்க்கப்படும் GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளின் குறைபாடு அடர்த்தி அதிகமாக இருந்தாலும், அது GaN-அடிப்படையிலான நீல-பச்சை LED-களின் ஒளியியல் மின்னணு செயல்திறனைக் கணிசமாகக் குறைப்பதாகத் தெரியவில்லை, எனவே சபையர் அடி மூலக்கூறுகள் இன்னும் GaN-அடிப்படையிலான LED-களுக்கு பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் அடி மூலக்கூறுகளாகும்.

லேசர்கள் அல்லது பிற உயர் அடர்த்தி கொண்ட சக்தி சாதனங்கள் போன்ற GaN சாதனங்களின் புதிய பயன்பாடுகளின் வளர்ச்சியுடன், சபையர் அடி மூலக்கூறுகளின் உள்ளார்ந்த குறைபாடுகள் அவற்றின் பயன்பாட்டில் ஒரு வரம்பாக மாறி வருகின்றன. கூடுதலாக, SiC அடி மூலக்கூறு வளர்ச்சி தொழில்நுட்பத்தின் வளர்ச்சி, செலவுக் குறைப்பு மற்றும் Si அடி மூலக்கூறுகளில் GaN எபிடாக்சியல் தொழில்நுட்பத்தின் முதிர்ச்சி ஆகியவற்றுடன், சபையர் அடி மூலக்கூறுகளில் GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளை வளர்ப்பது குறித்த கூடுதல் ஆராய்ச்சி படிப்படியாக குளிர்விக்கும் போக்கைக் காட்டியுள்ளது.

SiC இல் GaN எபிடாக்ஸி

சபையருடன் ஒப்பிடும்போது, ​​SiC அடி மூலக்கூறுகள் (4H- மற்றும் 6H-படிகங்கள்) GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளுடன் (3.1%, [0001] சார்ந்த எபிடாக்சியல் படலங்களுக்கு சமம்), அதிக வெப்ப கடத்துத்திறன் (சுமார் 3.8W*cm-1*K-1) போன்ற சிறிய லேட்டிஸ் பொருத்தமின்மையைக் கொண்டுள்ளன. கூடுதலாக, SiC அடி மூலக்கூறுகளின் கடத்துத்திறன் அடி மூலக்கூறின் பின்புறத்தில் மின் தொடர்புகளை உருவாக்க அனுமதிக்கிறது, இது சாதன கட்டமைப்பை எளிமைப்படுத்த உதவுகிறது. இந்த நன்மைகளின் இருப்பு சிலிக்கான் கார்பைடு அடி மூலக்கூறுகளில் GaN எபிடாக்ஸியில் பணியாற்ற அதிக ஆராய்ச்சியாளர்களை ஈர்த்துள்ளது.

இருப்பினும், GaN எபிலேயர்களை வளர்ப்பதைத் தவிர்ப்பதற்காக SiC அடி மூலக்கூறுகளில் நேரடியாக வேலை செய்வதும் தொடர்ச்சியான குறைபாடுகளை எதிர்கொள்கிறது, அவற்றில் பின்வருவன அடங்கும்:

✔ SiC அடி மூலக்கூறுகளின் மேற்பரப்பு கடினத்தன்மை சபையர் அடி மூலக்கூறுகளை விட மிக அதிகமாக உள்ளது (சபையர் கடினத்தன்மை 0.1nm RMS, SiC கடினத்தன்மை 1nm RMS), SiC அடி மூலக்கூறுகள் அதிக கடினத்தன்மை மற்றும் மோசமான செயலாக்க செயல்திறனைக் கொண்டுள்ளன, மேலும் இந்த கடினத்தன்மை மற்றும் எஞ்சிய பாலிஷ் சேதமும் GaN எபிலேயர்களில் குறைபாடுகளுக்கான ஆதாரங்களில் ஒன்றாகும்.

✔ SiC அடி மூலக்கூறுகளின் திருகு இடப்பெயர்ச்சி அடர்த்தி அதிகமாக உள்ளது (இடப்பெயர்ச்சி அடர்த்தி 103-104cm-2), திருகு இடப்பெயர்ச்சிகள் GaN எபிலேயருக்கு பரவி சாதன செயல்திறனைக் குறைக்கலாம்;

✔ அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் உள்ள அணு அமைப்பு, GaN எபிலேயரில் ஸ்டேக்கிங் ஃபால்ட்கள் (BSFகள்) உருவாவதைத் தூண்டுகிறது. SiC அடி மூலக்கூறுகளில் எபிடாக்சியல் GaNக்கு, அடி மூலக்கூறில் பல சாத்தியமான அணு ஏற்பாட்டு ஆர்டர்கள் உள்ளன, இதன் விளைவாக எபிடாக்சியல் GaN அடுக்கின் சீரற்ற ஆரம்ப அணு ஸ்டேக்கிங் ஆர்டர் அதன் மீது இருக்கும், இது ஸ்டேக்கிங் ஃபால்ட்களுக்கு ஆளாகிறது. ஸ்டேக்கிங் ஃபால்ட்கள் (SFகள்) c-அச்சில் உள்ளமைக்கப்பட்ட மின்சார புலங்களை அறிமுகப்படுத்துகின்றன, இது இன்-பிளேன் கேரியர் பிரிப்பு சாதனங்களின் கசிவு போன்ற சிக்கல்களுக்கு வழிவகுக்கிறது;

✔ SiC அடி மூலக்கூறின் வெப்ப விரிவாக்க குணகம் AlN மற்றும் GaN ஐ விட சிறியது, இது குளிர்விக்கும் செயல்பாட்டின் போது எபிடாக்சியல் அடுக்குக்கும் அடி மூலக்கூறுக்கும் இடையில் வெப்ப அழுத்தக் குவிப்பை ஏற்படுத்துகிறது. வால்டெரெய்ட் மற்றும் பிராண்ட் ஆகியோர் தங்கள் ஆராய்ச்சி முடிவுகளின் அடிப்படையில், மெல்லிய, ஒத்திசைவான வடிகட்டிய AlN அணுக்கரு அடுக்குகளில் GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளை வளர்ப்பதன் மூலம் இந்தப் பிரச்சனையைத் தணிக்க முடியும் அல்லது தீர்க்க முடியும் என்று கணித்துள்ளனர்;

✔ Ga அணுக்களின் மோசமான ஈரப்பதத்தன்மை பிரச்சனை. GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளை நேரடியாக SiC மேற்பரப்பில் வளர்க்கும்போது, ​​இரண்டு அணுக்களுக்கு இடையேயான மோசமான ஈரப்பதத்தன்மை காரணமாக, GaN அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் 3D தீவு வளர்ச்சிக்கு ஆளாகிறது. GaN எபிடாக்சியல் பொருட்களின் தரத்தை மேம்படுத்த ஒரு இடையக அடுக்கை அறிமுகப்படுத்துவது பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் தீர்வாகும். ஒரு AlN அல்லது AlxGa1-xN இடையக அடுக்கை அறிமுகப்படுத்துவது SiC மேற்பரப்பின் ஈரப்பதத்தன்மையை திறம்பட மேம்படுத்தலாம் மற்றும் GaN எபிடாக்சியல் அடுக்கை இரு பரிமாணங்களில் வளரச் செய்யலாம். கூடுதலாக, இது அழுத்தத்தை ஒழுங்குபடுத்தலாம் மற்றும் அடி மூலக்கூறு குறைபாடுகள் GaN எபிடாக்சியல் வரை விரிவடைவதைத் தடுக்கலாம்;

✔ SiC அடி மூலக்கூறுகளின் தயாரிப்பு தொழில்நுட்பம் முதிர்ச்சியடையாதது, அடி மூலக்கூறு விலை அதிகமாக உள்ளது, மேலும் சில சப்ளையர்கள் மற்றும் சிறிய விநியோகம் உள்ளது.

எபிடாக்ஸிக்கு முன் அதிக வெப்பநிலையில் (1600°C) H2 உடன் SiC அடி மூலக்கூறை பொறிப்பது, அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் மிகவும் ஒழுங்கமைக்கப்பட்ட படி அமைப்பை உருவாக்க முடியும் என்றும், இதன் மூலம் அசல் அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் நேரடியாக வளர்க்கப்படும் போது விட உயர் தரமான AlN எபிடாக்சியல் படலத்தைப் பெற முடியும் என்றும் டோரஸ் மற்றும் அவரது குழுவின் ஆராய்ச்சி காட்டுகிறது. சிலிக்கான் கார்பைடு அடி மூலக்கூறின் முன் சிகிச்சையை பொறிப்பது GaN எபிடாக்சியல் அடுக்கின் மேற்பரப்பு உருவவியல் மற்றும் படிக தரத்தை கணிசமாக மேம்படுத்த முடியும் என்பதையும் Xie மற்றும் அவரது குழுவின் ஆராய்ச்சி காட்டுகிறது. ஸ்மித் மற்றும் பலர். அடி மூலக்கூறு/இடையக அடுக்கு மற்றும் இடையக அடுக்கு/எபிடாக்சியல் அடுக்கு இடைமுகங்களிலிருந்து உருவாகும் த்ரெட்டிங் இடப்பெயர்வுகள் அடி மூலக்கூறின் தட்டையான தன்மையுடன் தொடர்புடையவை என்பதைக் கண்டறிந்தனர் [5].

படம் 4 வெவ்வேறு மேற்பரப்பு சிகிச்சை நிலைமைகளின் கீழ் 6H-SiC அடி மூலக்கூறில் (0001) வளர்க்கப்பட்ட GaN எபிடாக்சியல் அடுக்கு மாதிரிகளின் TEM உருவவியல் (a) வேதியியல் சுத்தம் செய்தல்; (b) வேதியியல் சுத்தம் செய்தல் + ஹைட்ரஜன் பிளாஸ்மா சிகிச்சை; (c) வேதியியல் சுத்தம் செய்தல் + ஹைட்ரஜன் பிளாஸ்மா சிகிச்சை + 1300℃ ஹைட்ரஜன் வெப்ப சிகிச்சை 30 நிமிடங்கள்

Si இல் GaN எபிடாக்ஸி

சிலிக்கான் கார்பைடு, சபையர் மற்றும் பிற அடி மூலக்கூறுகளுடன் ஒப்பிடும்போது, ​​சிலிக்கான் அடி மூலக்கூறு தயாரிப்பு செயல்முறை முதிர்ச்சியடைந்தது, மேலும் இது அதிக செலவு செயல்திறன் கொண்ட முதிர்ந்த பெரிய அளவிலான அடி மூலக்கூறுகளை நிலையான முறையில் வழங்க முடியும். அதே நேரத்தில், வெப்ப கடத்துத்திறன் மற்றும் மின் கடத்துத்திறன் நன்றாக உள்ளது, மேலும் Si மின்னணு சாதன செயல்முறை முதிர்ச்சியடைந்தது. எதிர்காலத்தில் Si மின்னணு சாதனங்களுடன் ஆப்டோ எலக்ட்ரானிக் GaN சாதனங்களை முழுமையாக ஒருங்கிணைக்கும் சாத்தியக்கூறு சிலிக்கானில் GaN எபிடாக்ஸியின் வளர்ச்சியை மிகவும் கவர்ச்சிகரமானதாக ஆக்குகிறது.

இருப்பினும், Si அடி மூலக்கூறுக்கும் GaN பொருளுக்கும் இடையிலான லேட்டிஸ் மாறிலிகளில் உள்ள பெரிய வேறுபாடு காரணமாக, Si அடி மூலக்கூறில் GaN இன் பன்முகத்தன்மை கொண்ட எபிடாக்ஸி என்பது ஒரு பொதுவான பெரிய பொருந்தாத எபிடாக்ஸியாகும், மேலும் இது தொடர்ச்சியான சிக்கல்களையும் எதிர்கொள்ள வேண்டியுள்ளது:

✔ மேற்பரப்பு இடைமுக ஆற்றல் சிக்கல். ஒரு Si அடி மூலக்கூறில் GaN வளரும்போது, ​​Si அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்பு முதலில் நைட்ரைடு செய்யப்பட்டு ஒரு உருவமற்ற சிலிக்கான் நைட்ரைடு அடுக்கை உருவாக்கும், இது அதிக அடர்த்தி கொண்ட GaN இன் அணுக்கருவாக்கம் மற்றும் வளர்ச்சிக்கு உகந்ததல்ல. கூடுதலாக, Si மேற்பரப்பு முதலில் Ga ஐத் தொடர்பு கொள்ளும், இது Si அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்பை அரிக்கும். அதிக வெப்பநிலையில், Si மேற்பரப்பின் சிதைவு GaN எபிடாக்சியல் அடுக்கில் பரவி கருப்பு சிலிக்கான் புள்ளிகளை உருவாக்குகிறது.

✔ GaN மற்றும் Si இடையேயான லேட்டிஸ் மாறிலி பொருத்தமின்மை அதிகமாக உள்ளது (~17%), இது அதிக அடர்த்தி கொண்ட த்ரெட்டிங் இடப்பெயர்வுகளை உருவாக்க வழிவகுக்கும் மற்றும் எபிடாக்சியல் அடுக்கின் தரத்தை கணிசமாகக் குறைக்கும்;

✔ Si உடன் ஒப்பிடும்போது, ​​GaN அதிக வெப்ப விரிவாக்க குணகத்தைக் கொண்டுள்ளது (GaN இன் வெப்ப விரிவாக்க குணகம் சுமார் 5.6×10-6K-1, Si இன் வெப்ப விரிவாக்க குணகம் சுமார் 2.6×10-6K-1), மேலும் எபிடாக்சியல் வெப்பநிலையை அறை வெப்பநிலைக்கு குளிர்விக்கும் போது GaN எபிடாக்சியல் அடுக்கில் விரிசல்கள் உருவாகலாம்;

✔ Si அதிக வெப்பநிலையில் NH3 உடன் வினைபுரிந்து பாலிகிரிஸ்டலின் SiNx ஐ உருவாக்குகிறது. பாலிகிரிஸ்டலின் SiNx இல் AlN ஒரு முன்னுரிமை சார்ந்த கருவை உருவாக்க முடியாது, இது பின்னர் வளர்ந்த GaN அடுக்கின் ஒழுங்கற்ற நோக்குநிலைக்கும் அதிக எண்ணிக்கையிலான குறைபாடுகளுக்கும் வழிவகுக்கிறது, இதன் விளைவாக GaN எபிடாக்சியல் அடுக்கின் மோசமான படிக தரம் மற்றும் ஒற்றை-படிக GaN எபிடாக்சியல் அடுக்கை உருவாக்குவதில் கூட சிரமம் ஏற்படுகிறது [6].

பெரிய லேட்டிஸ் பொருத்தமின்மையின் சிக்கலைத் தீர்க்க, ஆராய்ச்சியாளர்கள் Si அடி மூலக்கூறுகளில் இடையக அடுக்குகளாக AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO மற்றும் SiC போன்ற பொருட்களை அறிமுகப்படுத்த முயற்சித்துள்ளனர். பாலிகிரிஸ்டலின் SiNx உருவாவதைத் தவிர்க்கவும், GaN/AlN/Si (111) பொருட்களின் படிகத் தரத்தில் அதன் பாதகமான விளைவுகளைக் குறைக்கவும், NH3 வெளிப்படும் Si மேற்பரப்புடன் வினைபுரிந்து SiNx ஐ உருவாக்குவதைத் தடுக்க AlN இடையக அடுக்கின் எபிடாக்சியல் வளர்ச்சிக்கு முன் ஒரு குறிப்பிட்ட காலத்திற்கு TMAl பொதுவாக அறிமுகப்படுத்தப்பட வேண்டும். கூடுதலாக, எபிடாக்சியல் அடுக்கின் தரத்தை மேம்படுத்த வடிவமைக்கப்பட்ட அடி மூலக்கூறு தொழில்நுட்பம் போன்ற எபிடாக்சியல் தொழில்நுட்பங்களைப் பயன்படுத்தலாம். இந்த தொழில்நுட்பங்களின் வளர்ச்சி எபிடாக்சியல் இடைமுகத்தில் SiNx உருவாவதைத் தடுக்கவும், GaN எபிடாக்சியல் அடுக்கின் இரு பரிமாண வளர்ச்சியை ஊக்குவிக்கவும், எபிடாக்சியல் அடுக்கின் வளர்ச்சி தரத்தை மேம்படுத்தவும் உதவுகிறது. கூடுதலாக, சிலிக்கான் அடி மூலக்கூறில் உள்ள GaN எபிடாக்சியல் அடுக்கில் விரிசல்களைத் தவிர்ப்பதற்காக வெப்ப விரிவாக்க குணகங்களில் உள்ள வேறுபாட்டால் ஏற்படும் இழுவிசை அழுத்தத்தை ஈடுசெய்ய ஒரு AlN இடையக அடுக்கு அறிமுகப்படுத்தப்படுகிறது. AlN இடையக அடுக்கின் தடிமனுக்கும் திரிபு குறைப்புக்கும் இடையே ஒரு நேர்மறையான தொடர்பு இருப்பதாக க்ரோஸ்டின் ஆராய்ச்சி காட்டுகிறது. இடையக அடுக்கு தடிமன் 12nm ஐ அடையும் போது, ​​6μm ஐ விட தடிமனான ஒரு எபிடாக்சியல் அடுக்கை எபிடாக்சியல் அடுக்கு விரிசல் இல்லாமல் பொருத்தமான வளர்ச்சித் திட்டத்தின் மூலம் சிலிக்கான் அடி மூலக்கூறில் வளர்க்கலாம்.

ஆராய்ச்சியாளர்களின் நீண்டகால முயற்சிகளுக்குப் பிறகு, சிலிக்கான் அடி மூலக்கூறுகளில் வளர்க்கப்படும் GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளின் தரம் கணிசமாக மேம்படுத்தப்பட்டுள்ளது, மேலும் புல விளைவு டிரான்சிஸ்டர்கள், ஷாட்கி தடை புற ஊதா கண்டறிதல்கள், நீல-பச்சை LEDகள் மற்றும் புற ஊதா லேசர்கள் போன்ற சாதனங்கள் குறிப்பிடத்தக்க முன்னேற்றத்தை அடைந்துள்ளன.

சுருக்கமாக, பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் GaN எபிடாக்சியல் அடி மூலக்கூறுகள் அனைத்தும் பன்முகத்தன்மை கொண்ட எபிடாக்சியல் என்பதால், அவை அனைத்தும் லட்டு பொருத்தமின்மை மற்றும் வெப்ப விரிவாக்க குணகங்களில் பல்வேறு அளவுகளில் பெரிய வேறுபாடுகள் போன்ற பொதுவான சிக்கல்களை எதிர்கொள்கின்றன. ஒரே மாதிரியான எபிடாக்சியல் GaN அடி மூலக்கூறுகள் தொழில்நுட்பத்தின் முதிர்ச்சியால் வரையறுக்கப்பட்டுள்ளன, மேலும் அடி மூலக்கூறுகள் இன்னும் பெருமளவில் உற்பத்தி செய்யப்படவில்லை. உற்பத்தி செலவு அதிகமாக உள்ளது, அடி மூலக்கூறு அளவு சிறியது, மற்றும் அடி மூலக்கூறு தரம் சிறந்ததாக இல்லை. புதிய GaN எபிடாக்சியல் அடி மூலக்கூறுகளின் வளர்ச்சி மற்றும் எபிடாக்சியல் தரத்தை மேம்படுத்துதல் ஆகியவை GaN எபிடாக்சியல் துறையின் மேலும் வளர்ச்சியைக் கட்டுப்படுத்தும் முக்கியமான காரணிகளில் ஒன்றாகும்.

IV. GaN எபிடாக்ஸிக்கான பொதுவான முறைகள்

MOCVD (வேதியியல் நீராவி படிவு)

GaN அடி மூலக்கூறுகளில் ஒரே மாதிரியான எபிடாக்ஸி என்பது GaN எபிடாக்ஸிக்கு சிறந்த தேர்வாகத் தெரிகிறது. இருப்பினும், வேதியியல் நீராவி படிவின் முன்னோடிகள் ட்ரைமெதில்காலியம் மற்றும் அம்மோனியா, மற்றும் கேரியர் வாயு ஹைட்ரஜன் என்பதால், வழக்கமான MOCVD வளர்ச்சி வெப்பநிலை சுமார் 1000-1100℃, மற்றும் MOCVD இன் வளர்ச்சி விகிதம் ஒரு மணி நேரத்திற்கு ஒரு சில மைக்ரான்கள் ஆகும். இது அணு மட்டத்தில் செங்குத்தான இடைமுகங்களை உருவாக்க முடியும், இது வளரும் ஹீட்டோரோஜங்ஷன்கள், குவாண்டம் கிணறுகள், சூப்பர்லேட்டீஸ்கள் மற்றும் பிற கட்டமைப்புகளுக்கு மிகவும் பொருத்தமானது. அதன் வேகமான வளர்ச்சி விகிதம், நல்ல சீரான தன்மை மற்றும் பெரிய பரப்பளவு மற்றும் பல-துண்டு வளர்ச்சிக்கு ஏற்ற தன்மை ஆகியவை பெரும்பாலும் தொழில்துறை உற்பத்தியில் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.
MBE (மூலக்கூறு கற்றை எபிடாக்ஸி)
மூலக்கூறு கற்றை எபிடாக்ஸியில், Ga ஒரு தனிம மூலத்தைப் பயன்படுத்துகிறது, மேலும் செயலில் உள்ள நைட்ரஜன் நைட்ரஜனிலிருந்து RF பிளாஸ்மா மூலம் பெறப்படுகிறது. MOCVD முறையுடன் ஒப்பிடும்போது, ​​MBE வளர்ச்சி வெப்பநிலை சுமார் 350-400℃ குறைவாக உள்ளது. குறைந்த வளர்ச்சி வெப்பநிலை அதிக வெப்பநிலை சூழல்களால் ஏற்படக்கூடிய சில மாசுபாட்டைத் தவிர்க்கலாம். MBE அமைப்பு மிக உயர்ந்த வெற்றிடத்தின் கீழ் செயல்படுகிறது, இது அதிக இடத்திலேயே கண்டறிதல் முறைகளை ஒருங்கிணைக்க அனுமதிக்கிறது. அதே நேரத்தில், அதன் வளர்ச்சி விகிதம் மற்றும் உற்பத்தி 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 நீராவி கட்ட எபிடாக்ஸி முறையின் முன்னோடிகள் GaCl3 மற்றும் NH3 ஆகும். டெக்ப்ரோம் மற்றும் பலர் இந்த முறையைப் பயன்படுத்தி ஒரு சபையர் அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்பில் நூற்றுக்கணக்கான மைக்ரான் தடிமன் கொண்ட GaN எபிடாக்ஸியல் அடுக்கை வளர்த்தனர். அவர்களின் பரிசோதனையில், சபையர் அடி மூலக்கூறுக்கும் எபிடாக்ஸியல் அடுக்குக்கும் இடையில் ஒரு இடையக அடுக்காக ZnO அடுக்கு வளர்க்கப்பட்டது, மேலும் எபிடாக்ஸியல் அடுக்கு அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் இருந்து உரிக்கப்பட்டது. MOCVD மற்றும் MBE உடன் ஒப்பிடும்போது, ​​HVPE முறையின் முக்கிய அம்சம் அதன் உயர் வளர்ச்சி விகிதம் ஆகும், இது தடிமனான அடுக்குகள் மற்றும் மொத்தப் பொருட்களின் உற்பத்திக்கு ஏற்றது. இருப்பினும், எபிடாக்ஸியல் அடுக்கின் தடிமன் 20μm ஐ தாண்டும்போது, ​​இந்த முறையால் உற்பத்தி செய்யப்படும் எபிடாக்ஸியல் அடுக்கு விரிசல்களுக்கு ஆளாகிறது.
இந்த முறையை அடிப்படையாகக் கொண்ட வடிவமைக்கப்பட்ட அடி மூலக்கூறு தொழில்நுட்பத்தை அகிரா USUI அறிமுகப்படுத்தியது. அவர்கள் முதலில் MOCVD முறையைப் பயன்படுத்தி ஒரு சபையர் அடி மூலக்கூறில் ஒரு மெல்லிய 1-1.5μm தடிமன் கொண்ட GaN எபிடாக்சியல் அடுக்கை வளர்த்தனர். எபிடாக்சியல் அடுக்கு குறைந்த வெப்பநிலை நிலைமைகளின் கீழ் வளர்க்கப்பட்ட 20nm தடிமன் கொண்ட GaN இடையக அடுக்கையும், அதிக வெப்பநிலை நிலைமைகளின் கீழ் வளர்க்கப்பட்ட GaN அடுக்கையும் கொண்டிருந்தது. பின்னர், 430℃ இல், எபிடாக்சியல் அடுக்கின் மேற்பரப்பில் SiO2 இன் ஒரு அடுக்கு பூசப்பட்டது, மேலும் ஃபோட்டோலித்தோகிராஃபி மூலம் SiO2 படலத்தில் ஜன்னல் கோடுகள் செய்யப்பட்டன. பட்டை இடைவெளி 7μm ஆகவும், முகமூடி அகலம் 1μm முதல் 4μm வரையிலும் இருந்தது. இந்த முன்னேற்றத்திற்குப் பிறகு, அவர்கள் 2-அங்குல விட்டம் கொண்ட சபையர் அடி மூலக்கூறில் ஒரு GaN எபிடாக்சியல் அடுக்கைப் பெற்றனர், இது தடிமன் பத்து அல்லது நூற்றுக்கணக்கான மைக்ரான்களாக அதிகரித்தாலும் கூட விரிசல் இல்லாததாகவும் கண்ணாடியைப் போல மென்மையாகவும் இருந்தது. குறைபாடு அடர்த்தி பாரம்பரிய HVPE முறையின் 109-1010cm-2 இலிருந்து சுமார் 6×107cm-2 ஆகக் குறைக்கப்பட்டது. வளர்ச்சி விகிதம் 75μm/h ஐத் தாண்டும்போது, ​​மாதிரி மேற்பரப்பு கரடுமுரடானதாக மாறும் என்பதையும் அவர்கள் பரிசோதனையில் சுட்டிக்காட்டினர் [8].

படம் 6 வரைகலை அடி மூலக்கூறு திட்ட வரைபடம்

V. சுருக்கம் மற்றும் கண்ணோட்டம்

2014 ஆம் ஆண்டு நீல ஒளி LED இயற்பியலுக்கான நோபல் பரிசை வென்றபோது GaN பொருட்கள் வெளிவரத் தொடங்கின, மேலும் நுகர்வோர் மின்னணு துறையில் வேகமாக சார்ஜ் செய்யும் பயன்பாடுகளில் பொதுமக்களின் துறையில் நுழைந்தன. உண்மையில், பெரும்பாலான மக்களால் பார்க்க முடியாத 5G அடிப்படை நிலையங்களில் பயன்படுத்தப்படும் பவர் பெருக்கிகள் மற்றும் RF சாதனங்களில் உள்ள பயன்பாடுகளும் அமைதியாக வெளிப்பட்டுள்ளன. சமீபத்திய ஆண்டுகளில், GaN அடிப்படையிலான ஆட்டோமொடிவ்-கிரேடு பவர் சாதனங்களின் முன்னேற்றம் GaN பொருள் பயன்பாட்டு சந்தைக்கு புதிய வளர்ச்சி புள்ளிகளைத் திறக்கும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது.
மிகப்பெரிய சந்தை தேவை நிச்சயமாக GaN தொடர்பான தொழில்கள் மற்றும் தொழில்நுட்பங்களின் வளர்ச்சியை ஊக்குவிக்கும். GaN தொடர்பான தொழில்துறை சங்கிலியின் முதிர்ச்சி மற்றும் முன்னேற்றத்துடன், தற்போதைய GaN எபிடாக்சியல் தொழில்நுட்பம் எதிர்கொள்ளும் சிக்கல்கள் இறுதியில் மேம்படுத்தப்படும் அல்லது சமாளிக்கப்படும். எதிர்காலத்தில், மக்கள் நிச்சயமாக மேலும் புதிய எபிடாக்சியல் தொழில்நுட்பங்களையும் சிறந்த அடி மூலக்கூறு விருப்பங்களையும் உருவாக்குவார்கள். அப்போது, ​​பயன்பாட்டுக் காட்சிகளின் சிறப்பியல்புகளுக்கு ஏற்ப வெவ்வேறு பயன்பாட்டுக் காட்சிகளுக்கு மிகவும் பொருத்தமான வெளிப்புற ஆராய்ச்சி தொழில்நுட்பத்தையும் அடி மூலக்கூறையும் மக்கள் தேர்வு செய்ய முடியும், மேலும் மிகவும் போட்டித்தன்மை வாய்ந்த தனிப்பயனாக்கப்பட்ட தயாரிப்புகளை உற்பத்தி செய்ய முடியும்.