మూడవ తరం సెమీకండక్టర్ GaN మరియు సంబంధిత ఎపిటాక్సియల్ టెక్నాలజీ సంక్షిప్త పరిచయం

1. మూడవ తరం సెమీకండక్టర్లు

మొదటి తరం సెమీకండక్టర్ టెక్నాలజీని Si మరియు Ge వంటి సెమీకండక్టర్ పదార్థాల ఆధారంగా అభివృద్ధి చేశారు. ఇది ట్రాన్సిస్టర్లు మరియు ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్ టెక్నాలజీ అభివృద్ధికి మెటీరియల్ ఆధారం. మొదటి తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థాలు 20వ శతాబ్దంలో ఎలక్ట్రానిక్ పరిశ్రమకు పునాది వేసాయి మరియు ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్ టెక్నాలజీకి ప్రాథమిక పదార్థాలు.

రెండవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థాలలో ప్రధానంగా గాలియం ఆర్సెనైడ్, ఇండియం ఫాస్ఫైడ్, గాలియం ఫాస్ఫైడ్, ఇండియం ఆర్సెనైడ్, అల్యూమినియం ఆర్సెనైడ్ మరియు వాటి టెర్నరీ సమ్మేళనాలు ఉన్నాయి. రెండవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థాలు ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ సమాచార పరిశ్రమకు పునాది. ఈ ప్రాతిపదికన, లైటింగ్, డిస్ప్లే, లేజర్ మరియు ఫోటోవోల్టాయిక్స్ వంటి సంబంధిత పరిశ్రమలు అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి. అవి సమకాలీన సమాచార సాంకేతికత మరియు ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ డిస్ప్లే పరిశ్రమలలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి.

మూడవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థాల ప్రతినిధి పదార్థాలలో గాలియం నైట్రైడ్ మరియు సిలికాన్ కార్బైడ్ ఉన్నాయి. వాటి విస్తృత బ్యాండ్ గ్యాప్, అధిక ఎలక్ట్రాన్ సంతృప్త డ్రిఫ్ట్ వేగం, అధిక ఉష్ణ వాహకత మరియు అధిక బ్రేక్‌డౌన్ ఫీల్డ్ బలం కారణంగా, అవి అధిక-శక్తి సాంద్రత, అధిక-పౌనఃపున్యం మరియు తక్కువ-నష్ట ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలను తయారు చేయడానికి అనువైన పదార్థాలు. వాటిలో, సిలికాన్ కార్బైడ్ పవర్ పరికరాలు అధిక శక్తి సాంద్రత, తక్కువ శక్తి వినియోగం మరియు చిన్న పరిమాణం యొక్క ప్రయోజనాలను కలిగి ఉన్నాయి మరియు కొత్త శక్తి వాహనాలు, ఫోటోవోల్టాయిక్స్, రైలు రవాణా, పెద్ద డేటా మరియు ఇతర రంగాలలో విస్తృత అనువర్తన అవకాశాలను కలిగి ఉన్నాయి. గాలియం నైట్రైడ్ RF పరికరాలు అధిక పౌనఃపున్యం, అధిక శక్తి, విస్తృత బ్యాండ్‌విడ్త్, తక్కువ విద్యుత్ వినియోగం మరియు చిన్న పరిమాణం యొక్క ప్రయోజనాలను కలిగి ఉన్నాయి మరియు 5G కమ్యూనికేషన్లు, ఇంటర్నెట్ ఆఫ్ థింగ్స్, మిలిటరీ రాడార్ మరియు ఇతర రంగాలలో విస్తృత అనువర్తన అవకాశాలను కలిగి ఉన్నాయి. అదనంగా, గాలియం నైట్రైడ్ ఆధారిత విద్యుత్ పరికరాలు తక్కువ-వోల్టేజ్ రంగంలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి. అదనంగా, ఇటీవలి సంవత్సరాలలో, ఉద్భవిస్తున్న గాలియం ఆక్సైడ్ పదార్థాలు ఇప్పటికే ఉన్న SiC మరియు GaN సాంకేతికతలతో సాంకేతిక పరిపూరకతను ఏర్పరుస్తాయని మరియు తక్కువ-ఫ్రీక్వెన్సీ మరియు అధిక-వోల్టేజ్ ఫీల్డ్‌లలో సంభావ్య అనువర్తన అవకాశాలను కలిగి ఉంటాయని భావిస్తున్నారు.

రెండవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థాలతో పోలిస్తే, మూడవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థాలు విస్తృత బ్యాండ్‌గ్యాప్ వెడల్పును కలిగి ఉంటాయి (మొదటి తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థం యొక్క సాధారణ పదార్థమైన Si యొక్క బ్యాండ్‌గ్యాప్ వెడల్పు సుమారు 1.1eV, రెండవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థం యొక్క సాధారణ పదార్థమైన GaAs యొక్క బ్యాండ్‌గ్యాప్ వెడల్పు సుమారు 1.42eV, మరియు మూడవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థం యొక్క సాధారణ పదార్థమైన GaN యొక్క బ్యాండ్‌గ్యాప్ వెడల్పు 2.3eV కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది), బలమైన రేడియేషన్ నిరోధకత, విద్యుత్ క్షేత్ర విచ్ఛిన్నానికి బలమైన నిరోధకత మరియు అధిక ఉష్ణోగ్రత నిరోధకత. విస్తృత బ్యాండ్‌గ్యాప్ వెడల్పు కలిగిన మూడవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థాలు రేడియేషన్-నిరోధక, అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ, అధిక-శక్తి మరియు అధిక-ఇంటిగ్రేషన్-డెన్సిటీ ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాల ఉత్పత్తికి ప్రత్యేకంగా అనుకూలంగా ఉంటాయి. మైక్రోవేవ్ రేడియో ఫ్రీక్వెన్సీ పరికరాలు, LEDలు, లేజర్‌లు, పవర్ పరికరాలు మరియు ఇతర రంగాలలో వాటి అప్లికేషన్లు చాలా దృష్టిని ఆకర్షించాయి మరియు అవి మొబైల్ కమ్యూనికేషన్‌లు, స్మార్ట్ గ్రిడ్‌లు, రైలు రవాణా, కొత్త శక్తి వాహనాలు, వినియోగదారు ఎలక్ట్రానిక్స్ మరియు అతినీలలోహిత మరియు నీలి-ఆకుపచ్చ కాంతి పరికరాలలో విస్తృత అభివృద్ధి అవకాశాలను చూపించాయి [1].

చిత్ర మూలం: CASA, జెషాంగ్ సెక్యూరిటీస్ రీసెర్చ్ ఇన్స్టిట్యూట్

చిత్రం 1 GaN పవర్ పరికర సమయ ప్రమాణం మరియు అంచనా

II GaN పదార్థ నిర్మాణం మరియు లక్షణాలు

GaN అనేది డైరెక్ట్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్. గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద వర్ట్‌జైట్ నిర్మాణం యొక్క బ్యాండ్‌గ్యాప్ వెడల్పు దాదాపు 3.26eV. GaN పదార్థాలు మూడు ప్రధాన క్రిస్టల్ నిర్మాణాలను కలిగి ఉంటాయి, అవి వర్ట్‌జైట్ నిర్మాణం, స్పాలరైట్ నిర్మాణం మరియు రాతి ఉప్పు నిర్మాణం. వాటిలో, వర్ట్‌జైట్ నిర్మాణం అత్యంత స్థిరమైన క్రిస్టల్ నిర్మాణం. చిత్రం 2 అనేది GaN యొక్క షట్కోణ వర్ట్‌జైట్ నిర్మాణం యొక్క రేఖాచిత్రం. GaN పదార్థం యొక్క వర్ట్‌జైట్ నిర్మాణం షట్కోణ క్లోజ్-ప్యాక్డ్ నిర్మాణానికి చెందినది. ప్రతి యూనిట్ సెల్ 6 N అణువులు మరియు 6 Ga అణువులతో సహా 12 అణువులను కలిగి ఉంటుంది. ప్రతి Ga (N) అణువు 4 సమీప N (Ga) అణువులతో బంధాన్ని ఏర్పరుస్తుంది మరియు ABABAB క్రమంలో పేర్చబడి ఉంటుంది… [0001] దిశలో [2].

చిత్రం 2 వర్ట్జైట్ నిర్మాణం GaN క్రిస్టల్ సెల్ రేఖాచిత్రం

III GaN ఎపిటాక్సీ కోసం సాధారణంగా ఉపయోగించే సబ్‌స్ట్రేట్‌లు

GaN ఉపరితలాలపై సజాతీయ ఎపిటాక్సీ GaN ఎపిటాక్సీకి ఉత్తమ ఎంపిక అని తెలుస్తోంది. అయితే, GaN యొక్క పెద్ద బంధ శక్తి కారణంగా, ఉష్ణోగ్రత 2500℃ ద్రవీభవన స్థానానికి చేరుకున్నప్పుడు, దాని సంబంధిత కుళ్ళిపోయే పీడనం దాదాపు 4.5GPa ఉంటుంది. కుళ్ళిపోయే పీడనం ఈ పీడనం కంటే తక్కువగా ఉన్నప్పుడు, GaN కరగదు కానీ నేరుగా కుళ్ళిపోతుంది. ఇది Czochralski పద్ధతి వంటి పరిణతి చెందిన ఉపరితల తయారీ సాంకేతికతలను GaN సింగిల్ క్రిస్టల్ ఉపరితలాల తయారీకి అనువుగా చేస్తుంది, దీని వలన GaN ఉపరితలాలు భారీగా ఉత్పత్తి చేయడం కష్టతరం మరియు ఖరీదైనవి. అందువల్ల, GaN ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదలలో సాధారణంగా ఉపయోగించే ఉపరితలాలు ప్రధానంగా Si, SiC, నీలమణి మొదలైనవి. [3].

చార్ట్ 3 GaN మరియు సాధారణంగా ఉపయోగించే ఉపరితల పదార్థాల పారామితులు

నీలమణిపై GaN ఎపిటాక్సీ

నీలమణి స్థిరమైన రసాయన లక్షణాలను కలిగి ఉంది, చౌకగా ఉంటుంది మరియు పెద్ద-స్థాయి ఉత్పత్తి పరిశ్రమలో అధిక పరిపక్వతను కలిగి ఉంటుంది. అందువల్ల, ఇది సెమీకండక్టర్ పరికర ఇంజనీరింగ్‌లో తొలి మరియు విస్తృతంగా ఉపయోగించే ఉపరితల పదార్థాలలో ఒకటిగా మారింది. GaN ఎపిటాక్సీ కోసం సాధారణంగా ఉపయోగించే ఉపరితలాలలో ఒకటిగా, నీలమణి ఉపరితలాల కోసం పరిష్కరించాల్సిన ప్రధాన సమస్యలు:

✔ నీలమణి (Al2O3) మరియు GaN (సుమారు 15%) మధ్య పెద్ద లాటిస్ అసమతుల్యత కారణంగా, ఎపిటాక్సియల్ పొర మరియు ఉపరితలం మధ్య ఇంటర్‌ఫేస్ వద్ద లోపం సాంద్రత చాలా ఎక్కువగా ఉంటుంది. దాని ప్రతికూల ప్రభావాలను తగ్గించడానికి, ఎపిటాక్సీ ప్రక్రియ ప్రారంభమయ్యే ముందు ఉపరితలాన్ని సంక్లిష్టమైన ముందస్తు చికిత్సకు గురిచేయాలి. నీలమణి ఉపరితలాలపై GaN ఎపిటాక్సీని పెంచే ముందు, కలుషితాలు, అవశేష పాలిషింగ్ నష్టం మొదలైన వాటిని తొలగించడానికి మరియు దశలు మరియు దశల ఉపరితల నిర్మాణాలను ఉత్పత్తి చేయడానికి ఉపరితల ఉపరితలాన్ని ముందుగా ఖచ్చితంగా శుభ్రం చేయాలి. అప్పుడు, ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క చెమ్మగిల్లడం లక్షణాలను మార్చడానికి ఉపరితల ఉపరితలం నైట్రైడ్ చేయబడుతుంది. చివరగా, తుది ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదలకు సిద్ధం కావడానికి సన్నని AlN బఫర్ పొరను (సాధారణంగా 10-100nm మందం) ఉపరితల ఉపరితలంపై జమ చేయాలి మరియు తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఎనియల్ చేయాలి. అయినప్పటికీ, నీలమణి ఉపరితలాలపై పెరిగిన GaN ఎపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌లలో డిస్‌లోకేషన్ సాంద్రత ఇప్పటికీ హోమోపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌ల కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది (సుమారు 1010cm-2, సిలికాన్ హోమోపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌లు లేదా గాలియం ఆర్సెనైడ్ హోమోపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌లలో తప్పనిసరిగా సున్నా డిస్‌లోకేషన్ సాంద్రతతో పోలిస్తే, లేదా 102 మరియు 104cm-2 మధ్య ఉంటుంది). అధిక లోపం సాంద్రత క్యారియర్ చలనశీలతను తగ్గిస్తుంది, తద్వారా మైనారిటీ క్యారియర్ జీవితకాలం తగ్గుతుంది మరియు ఉష్ణ వాహకతను తగ్గిస్తుంది, ఇవన్నీ పరికర పనితీరును తగ్గిస్తాయి [4];

✔ నీలమణి యొక్క ఉష్ణ విస్తరణ గుణకం GaN కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది, కాబట్టి నిక్షేపణ ఉష్ణోగ్రత నుండి గది ఉష్ణోగ్రతకు చల్లబరిచే ప్రక్రియలో ఎపిటాక్సియల్ పొరలో బయాక్సియల్ కంప్రెసివ్ ఒత్తిడి ఉత్పత్తి అవుతుంది. మందమైన ఎపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌ల కోసం, ఈ ఒత్తిడి ఫిల్మ్ లేదా సబ్‌స్ట్రేట్ పగుళ్లకు కారణం కావచ్చు;

✔ ఇతర ఉపరితలాలతో పోలిస్తే, నీలమణి ఉపరితలాల ఉష్ణ వాహకత తక్కువగా ఉంటుంది (100℃ వద్ద దాదాపు 0.25W*cm-1*K-1), మరియు ఉష్ణ వెదజల్లే పనితీరు పేలవంగా ఉంటుంది;

✔ దాని పేలవమైన వాహకత కారణంగా, నీలమణి ఉపరితలాలు ఇతర సెమీకండక్టర్ పరికరాలతో వాటి ఏకీకరణ మరియు అనువర్తనానికి అనుకూలంగా లేవు.

నీలమణి ఉపరితలాలపై పెరిగిన GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరల లోప సాంద్రత ఎక్కువగా ఉన్నప్పటికీ, ఇది GaN-ఆధారిత నీలి-ఆకుపచ్చ LEDల యొక్క ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ పనితీరును గణనీయంగా తగ్గించదు, కాబట్టి నీలమణి ఉపరితలాలు ఇప్పటికీ GaN-ఆధారిత LEDల కోసం సాధారణంగా ఉపయోగించే ఉపరితలాలు.

లేజర్‌లు లేదా ఇతర అధిక-సాంద్రత కలిగిన విద్యుత్ పరికరాల వంటి GaN పరికరాల యొక్క మరిన్ని కొత్త అప్లికేషన్‌ల అభివృద్ధితో, నీలమణి ఉపరితలాల యొక్క స్వాభావిక లోపాలు వాటి అప్లికేషన్‌పై పరిమితిగా మారాయి. అదనంగా, SiC ఉపరితల వృద్ధి సాంకేతికత అభివృద్ధి, ఖర్చు తగ్గింపు మరియు Si ఉపరితలాలపై GaN ఎపిటాక్సియల్ సాంకేతికత పరిపక్వతతో, నీలమణి ఉపరితలాలపై పెరుగుతున్న GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలపై మరింత పరిశోధన క్రమంగా శీతలీకరణ ధోరణిని చూపించింది.

SiC పై GaN ఎపిటాక్సీ

నీలమణితో పోలిస్తే, SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌లు (4H- మరియు 6H-స్ఫటికాలు) GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలతో (3.1%, [0001] ఓరియెంటెడ్ ఎపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌లకు సమానం), అధిక ఉష్ణ వాహకత (సుమారు 3.8W*cm-1*K-1) మొదలైన వాటితో చిన్న లాటిస్ అసమతుల్యతను కలిగి ఉంటాయి. అదనంగా, SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌ల వాహకత సబ్‌స్ట్రేట్ వెనుక భాగంలో విద్యుత్ సంబంధాలను ఏర్పరచడానికి కూడా అనుమతిస్తుంది, ఇది పరికర నిర్మాణాన్ని సరళీకృతం చేయడానికి సహాయపడుతుంది. ఈ ప్రయోజనాల ఉనికి సిలికాన్ కార్బైడ్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై GaN ఎపిటాక్సీపై పనిచేయడానికి మరింత మంది పరిశోధకులను ఆకర్షించింది.

అయితే, GaN ఎపిలేయర్‌లను పెంచకుండా ఉండటానికి SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై నేరుగా పనిచేయడం వల్ల కూడా అనేక ప్రతికూలతలు ఎదురవుతాయి, వాటిలో ఈ క్రిందివి ఉన్నాయి:

✔ SiC ఉపరితలాల ఉపరితల కరుకుదనం నీలమణి ఉపరితలాల కంటే చాలా ఎక్కువగా ఉంటుంది (నీలమణి కరుకుదనం 0.1nm RMS, SiC కరుకుదనం 1nm RMS), SiC ఉపరితలాలు అధిక కాఠిన్యం మరియు పేలవమైన ప్రాసెసింగ్ పనితీరును కలిగి ఉంటాయి మరియు ఈ కరుకుదనం మరియు అవశేష పాలిషింగ్ నష్టం కూడా GaN ఎపిలేయర్‌లలో లోపాలకు మూలాలలో ఒకటి.

✔ SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌ల స్క్రూ డిస్‌లోకేషన్ సాంద్రత ఎక్కువగా ఉంటుంది (డిస్‌లోకేషన్ సాంద్రత 103-104cm-2), స్క్రూ డిస్‌లోకేషన్‌లు GaN ఎపిలేయర్‌కు వ్యాపిస్తాయి మరియు పరికర పనితీరును తగ్గిస్తాయి;

✔ ఉపరితల ఉపరితలంపై పరమాణు అమరిక GaN ఎపిలేయర్‌లో స్టాకింగ్ ఫాల్ట్‌లు (BSFలు) ఏర్పడటానికి ప్రేరేపిస్తుంది. SiC ఉపరితలాలపై ఎపిటాక్సియల్ GaN కోసం, ఉపరితలంపై బహుళ అణు అమరిక ఆర్డర్‌లు ఉంటాయి, ఫలితంగా దానిపై ఎపిటాక్సియల్ GaN పొర యొక్క అస్థిరమైన ప్రారంభ అణు స్టాకింగ్ క్రమం ఏర్పడుతుంది, ఇది స్టాకింగ్ ఫాల్ట్‌లకు అవకాశం ఉంది. స్టాకింగ్ ఫాల్ట్‌లు (SFలు) c-యాక్సిస్ వెంట అంతర్నిర్మిత విద్యుత్ క్షేత్రాలను పరిచయం చేస్తాయి, ఇది ఇన్-ప్లేన్ క్యారియర్ సెపరేషన్ పరికరాల లీకేజ్ వంటి సమస్యలకు దారితీస్తుంది;

✔ SiC సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క థర్మల్ ఎక్స్‌పాన్షన్ కోఎఫీషియంట్ AlN మరియు GaN కంటే తక్కువగా ఉంటుంది, ఇది శీతలీకరణ ప్రక్రియలో ఎపిటాక్సియల్ పొర మరియు సబ్‌స్ట్రేట్ మధ్య థర్మల్ స్ట్రెస్ చేరడానికి కారణమవుతుంది. వాల్టెరైట్ మరియు బ్రాండ్ వారి పరిశోధన ఫలితాల ఆధారంగా ఈ సమస్యను సన్నని, పొందికగా వడకట్టిన AlN న్యూక్లియేషన్ పొరలపై GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలను పెంచడం ద్వారా తగ్గించవచ్చు లేదా పరిష్కరించవచ్చు అని అంచనా వేశారు;

✔ Ga అణువుల తడి సామర్థ్యం తక్కువగా ఉండటం సమస్య. GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలను నేరుగా SiC ఉపరితలంపై పెంచేటప్పుడు, రెండు అణువుల మధ్య తడి సామర్థ్యం తక్కువగా ఉండటం వల్ల, GaN ఉపరితల ఉపరితలంపై 3D ద్వీపం పెరుగుదలకు అవకాశం ఉంది. GaN ఎపిటాక్సిలో ఎపిటాక్సియల్ పదార్థాల నాణ్యతను మెరుగుపరచడానికి బఫర్ పొరను ప్రవేశపెట్టడం సాధారణంగా ఉపయోగించే పరిష్కారం. AlN లేదా AlxGa1-xN బఫర్ పొరను ప్రవేశపెట్టడం వలన SiC ఉపరితలం యొక్క తడి సామర్థ్యం సమర్థవంతంగా మెరుగుపడుతుంది మరియు GaN ఎపిటాక్సియల్ పొర రెండు కోణాలలో పెరిగేలా చేస్తుంది. అదనంగా, ఇది ఒత్తిడిని నియంత్రించగలదు మరియు ఉపరితల లోపాలు GaN ఎపిటాక్సి వరకు విస్తరించకుండా నిరోధించగలదు;

✔ SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌ల తయారీ సాంకేతికత అపరిపక్వమైనది, సబ్‌స్ట్రేట్ ధర ఎక్కువగా ఉంటుంది మరియు తక్కువ సరఫరాదారులు మరియు తక్కువ సరఫరా ఉంది.

టోర్రెస్ మరియు ఇతరుల పరిశోధన ప్రకారం, ఎపిటాక్సీకి ముందు అధిక ఉష్ణోగ్రత (1600°C) వద్ద SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌ను H2తో చెక్కడం వల్ల సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై మరింత క్రమబద్ధమైన స్టెప్ స్ట్రక్చర్ ఏర్పడుతుందని, తద్వారా అసలు సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై నేరుగా పెరిగిన దానికంటే అధిక నాణ్యత గల AlN ఎపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌ను పొందవచ్చని చూపిస్తుంది. సిలికాన్ కార్బైడ్ సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క ఎచింగ్ ప్రీట్రీట్‌మెంట్ GaN ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క ఉపరితల స్వరూపం మరియు క్రిస్టల్ నాణ్యతను గణనీయంగా మెరుగుపరుస్తుందని Xie మరియు అతని బృందం పరిశోధన కూడా చూపిస్తుంది. సబ్‌స్ట్రేట్/బఫర్ లేయర్ మరియు బఫర్ లేయర్/ఎపిటాక్సియల్ లేయర్ ఇంటర్‌ఫేస్‌ల నుండి ఉద్భవించే థ్రెడింగ్ డిస్‌లోకేషన్‌లు సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క ఫ్లాట్‌నెస్‌కు సంబంధించినవని స్మిత్ మరియు ఇతరులు కనుగొన్నారు [5].

మూర్తి 4, 6H-SiC సబ్‌స్ట్రేట్ (0001) పై వివిధ ఉపరితల చికిత్స పరిస్థితులలో పెరిగిన GaN ఎపిటాక్సియల్ పొర నమూనాల TEM పదనిర్మాణం (ఎ) రసాయన శుభ్రపరచడం; (బి) రసాయన శుభ్రపరచడం + హైడ్రోజన్ ప్లాస్మా చికిత్స; (సి) రసాయన శుభ్రపరచడం + హైడ్రోజన్ ప్లాస్మా చికిత్స + 1300℃ 30 నిమిషాల పాటు హైడ్రోజన్ వేడి చికిత్స

Si పై GaN ఎపిటాక్సీ

సిలికాన్ కార్బైడ్, నీలమణి మరియు ఇతర ఉపరితలాలతో పోలిస్తే, సిలికాన్ ఉపరితల తయారీ ప్రక్రియ పరిణతి చెందినది మరియు ఇది అధిక వ్యయ పనితీరుతో పరిణతి చెందిన పెద్ద-పరిమాణ ఉపరితలాలను స్థిరంగా అందించగలదు. అదే సమయంలో, ఉష్ణ వాహకత మరియు విద్యుత్ వాహకత మంచివి మరియు Si ఎలక్ట్రానిక్ పరికర ప్రక్రియ పరిణతి చెందినది. భవిష్యత్తులో ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ GaN పరికరాలను Si ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలతో సంపూర్ణంగా అనుసంధానించే అవకాశం కూడా సిలికాన్‌పై GaN ఎపిటాక్సీ పెరుగుదలను చాలా ఆకర్షణీయంగా చేస్తుంది.

అయితే, Si సబ్‌స్ట్రేట్ మరియు GaN మెటీరియల్ మధ్య లాటిస్ స్థిరాంకాలలో పెద్ద వ్యత్యాసం కారణంగా, Si సబ్‌స్ట్రేట్‌పై GaN యొక్క వైవిధ్య ఎపిటాక్సీ అనేది ఒక సాధారణ పెద్ద అసమతుల్య ఎపిటాక్సీ, మరియు ఇది అనేక సమస్యలను కూడా ఎదుర్కోవలసి ఉంటుంది:

✔ సర్ఫేస్ ఇంటర్‌ఫేస్ శక్తి సమస్య. GaN ఒక Si సబ్‌స్ట్రేట్‌పై పెరిగినప్పుడు, Si సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క ఉపరితలం మొదట నైట్రైడ్ చేయబడి ఒక అస్ఫాకార సిలికాన్ నైట్రైడ్ పొరను ఏర్పరుస్తుంది, ఇది అధిక సాంద్రత కలిగిన GaN యొక్క న్యూక్లియేషన్ మరియు పెరుగుదలకు అనుకూలంగా ఉండదు. అదనంగా, Si ఉపరితలం మొదట Gaని సంప్రదిస్తుంది, ఇది Si సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క ఉపరితలాన్ని క్షీణింపజేస్తుంది. అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద, Si ఉపరితలం యొక్క కుళ్ళిపోవడం GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలోకి వ్యాపించి నల్ల సిలికాన్ మచ్చలను ఏర్పరుస్తుంది.

✔ GaN మరియు Si మధ్య లాటిస్ స్థిరాంకం అసమతుల్యత పెద్దది (~17%), ఇది అధిక సాంద్రత కలిగిన థ్రెడింగ్ డిస్లోకేషన్స్ ఏర్పడటానికి దారితీస్తుంది మరియు ఎపిటాక్సియల్ పొర నాణ్యతను గణనీయంగా తగ్గిస్తుంది;

✔ Si తో పోలిస్తే, GaN కి పెద్ద ఉష్ణ విస్తరణ గుణకం ఉంది (GaN యొక్క ఉష్ణ విస్తరణ గుణకం దాదాపు 5.6×10-6K-1, Si యొక్క ఉష్ణ విస్తరణ గుణకం దాదాపు 2.6×10-6K-1), మరియు ఎపిటాక్సియల్ ఉష్ణోగ్రత గది ఉష్ణోగ్రతకు చల్లబరిచేటప్పుడు GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలో పగుళ్లు ఏర్పడవచ్చు;

✔ Si అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద NH3 తో చర్య జరిపి పాలీక్రిస్టలైన్ SiNx ను ఏర్పరుస్తుంది. AlN పాలీక్రిస్టలైన్ SiNx పై ప్రాధాన్యతా ఆధారిత కేంద్రకాన్ని ఏర్పరచదు, ఇది తరువాత పెరిగిన GaN పొర యొక్క క్రమరహిత ధోరణికి మరియు అధిక సంఖ్యలో లోపాలకు దారితీస్తుంది, దీని ఫలితంగా GaN ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క పేలవమైన క్రిస్టల్ నాణ్యత మరియు సింగిల్-స్ఫటికాకార GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరను ఏర్పరచడంలో కూడా ఇబ్బంది ఏర్పడుతుంది [6].

లార్జ్ లాటిస్ అసమతుల్యత సమస్యను పరిష్కరించడానికి, పరిశోధకులు AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, మరియు SiC వంటి పదార్థాలను Si సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై బఫర్ లేయర్‌లుగా ప్రవేశపెట్టడానికి ప్రయత్నించారు. పాలీక్రిస్టలైన్ SiNx ఏర్పడకుండా ఉండటానికి మరియు GaN/AlN/Si (111) పదార్థాల క్రిస్టల్ నాణ్యతపై దాని ప్రతికూల ప్రభావాలను తగ్గించడానికి, NH3 బహిర్గత Si ఉపరితలంతో చర్య జరిపి SiNx ను ఏర్పరచకుండా నిరోధించడానికి AlN బఫర్ పొర యొక్క ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదలకు ముందు కొంత సమయం వరకు TMAlను సాధారణంగా ప్రవేశపెట్టాల్సి ఉంటుంది. అదనంగా, ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క నాణ్యతను మెరుగుపరచడానికి నమూనా ఉపరితల సాంకేతికత వంటి ఎపిటాక్సియల్ సాంకేతికతలను ఉపయోగించవచ్చు. ఈ సాంకేతికతల అభివృద్ధి ఎపిటాక్సియల్ ఇంటర్‌ఫేస్‌లో SiNx ఏర్పడటాన్ని నిరోధించడానికి, GaN ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క రెండు-డైమెన్షనల్ పెరుగుదలను ప్రోత్సహించడానికి మరియు ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క పెరుగుదల నాణ్యతను మెరుగుపరచడానికి సహాయపడుతుంది. అదనంగా, సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలో పగుళ్లను నివారించడానికి ఉష్ణ విస్తరణ గుణకాలలో వ్యత్యాసం వల్ల కలిగే తన్యత ఒత్తిడిని భర్తీ చేయడానికి AlN బఫర్ పొరను ప్రవేశపెట్టారు. AlN బఫర్ పొర యొక్క మందం మరియు స్ట్రెయిన్ తగ్గింపు మధ్య సానుకూల సంబంధం ఉందని క్రోస్ట్ పరిశోధన చూపిస్తుంది. బఫర్ పొర మందం 12nm చేరుకున్నప్పుడు, ఎపిటాక్సియల్ పొర పగుళ్లు లేకుండా తగిన పెరుగుదల పథకం ద్వారా 6μm కంటే మందమైన ఎపిటాక్సియల్ పొరను సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై పెంచవచ్చు.

పరిశోధకుల దీర్ఘకాలిక ప్రయత్నాల తర్వాత, సిలికాన్ ఉపరితలాలపై పెరిగిన GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరల నాణ్యత గణనీయంగా మెరుగుపడింది మరియు ఫీల్డ్ ఎఫెక్ట్ ట్రాన్సిస్టర్లు, షాట్కీ బారియర్ అతినీలలోహిత డిటెక్టర్లు, నీలి-ఆకుపచ్చ LEDలు మరియు అతినీలలోహిత లేజర్లు వంటి పరికరాలు గణనీయమైన పురోగతిని సాధించాయి.

సారాంశంలో, సాధారణంగా ఉపయోగించే GaN ఎపిటాక్సియల్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లు అన్నీ వైవిధ్యమైన ఎపిటాక్సీ కాబట్టి, అవన్నీ లాటిస్ అసమతుల్యత మరియు వివిధ స్థాయిలలో ఉష్ణ విస్తరణ గుణకాలలో పెద్ద తేడాలు వంటి సాధారణ సమస్యలను ఎదుర్కొంటాయి. సజాతీయ ఎపిటాక్సియల్ GaN సబ్‌స్ట్రేట్‌లు సాంకేతికత యొక్క పరిపక్వత ద్వారా పరిమితం చేయబడ్డాయి మరియు సబ్‌స్ట్రేట్‌లు ఇంకా భారీగా ఉత్పత్తి చేయబడలేదు. ఉత్పత్తి ఖర్చు ఎక్కువగా ఉంది, సబ్‌స్ట్రేట్ పరిమాణం తక్కువగా ఉంది మరియు సబ్‌స్ట్రేట్ నాణ్యత ఆదర్శంగా లేదు. కొత్త GaN ఎపిటాక్సియల్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ల అభివృద్ధి మరియు ఎపిటాక్సియల్ నాణ్యత మెరుగుదల ఇప్పటికీ GaN ఎపిటాక్సియల్ పరిశ్రమ యొక్క మరింత అభివృద్ధిని పరిమితం చేసే ముఖ్యమైన అంశాలలో ఒకటి.

IV. GaN ఎపిటాక్సీకి సాధారణ పద్ధతులు

MOCVD (రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ)

GaN ఉపరితలాలపై సజాతీయ ఎపిటాక్సీ GaN ఎపిటాక్సీకి ఉత్తమ ఎంపిక అని తెలుస్తోంది. అయితే, రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ యొక్క పూర్వగాములు ట్రైమిథైల్‌గాలియం మరియు అమ్మోనియా, మరియు క్యారియర్ వాయువు హైడ్రోజన్ కాబట్టి, సాధారణ MOCVD వృద్ధి ఉష్ణోగ్రత సుమారు 1000-1100℃, మరియు MOCVD వృద్ధి రేటు గంటకు కొన్ని మైక్రాన్లు. ఇది అణు స్థాయిలో నిటారుగా ఉండే ఇంటర్‌ఫేస్‌లను ఉత్పత్తి చేయగలదు, ఇది పెరుగుతున్న హెటెరోజంక్షన్‌లు, క్వాంటం బావులు, సూపర్‌లాటిస్‌లు మరియు ఇతర నిర్మాణాలకు చాలా అనుకూలంగా ఉంటుంది. దీని వేగవంతమైన వృద్ధి రేటు, మంచి ఏకరూపత మరియు పెద్ద-ప్రాంతం మరియు బహుళ-ముక్కల పెరుగుదలకు అనుకూలత తరచుగా పారిశ్రామిక ఉత్పత్తిలో ఉపయోగించబడతాయి.
MBE (మాలిక్యులర్ బీమ్ ఎపిటాక్సీ)
మాలిక్యులర్ బీమ్ ఎపిటాక్సీలో, Ga ఒక ఎలిమెంటల్ సోర్స్‌ను ఉపయోగిస్తుంది మరియు క్రియాశీల నైట్రోజన్‌ను నైట్రోజన్ నుండి RF ప్లాస్మా ద్వారా పొందబడుతుంది. MOCVD పద్ధతితో పోలిస్తే, MBE వృద్ధి ఉష్ణోగ్రత దాదాపు 350-400℃ తక్కువగా ఉంటుంది. తక్కువ వృద్ధి ఉష్ణోగ్రత అధిక ఉష్ణోగ్రత వాతావరణాల వల్ల కలిగే కొన్ని కాలుష్యాన్ని నివారించవచ్చు. MBE వ్యవస్థ అల్ట్రా-హై వాక్యూమ్ కింద పనిచేస్తుంది, ఇది మరింత ఇన్-సిటు డిటెక్షన్ పద్ధతులను ఏకీకృతం చేయడానికి అనుమతిస్తుంది. అదే సమయంలో, దాని వృద్ధి రేటు మరియు ఉత్పత్తి సామర్థ్యాన్ని MOCVDతో పోల్చలేము మరియు ఇది శాస్త్రీయ పరిశోధనలో ఎక్కువగా ఉపయోగించబడుతుంది [7].

మూర్తి 5 (a) Eiko-MBE స్కీమాటిక్ (b) MBE మెయిన్ రియాక్షన్ ఛాంబర్ స్కీమాటిక్

HVPE పద్ధతి (హైడ్రైడ్ ఆవిరి దశ ఎపిటాక్సీ)

హైడ్రైడ్ ఆవిరి దశ ఎపిటాక్సీ పద్ధతి యొక్క పూర్వగాములు GaCl3 మరియు NH3. డెచ్‌ప్రోహ్మ్ మరియు ఇతరులు నీలమణి ఉపరితలం యొక్క ఉపరితలంపై వందల మైక్రాన్ల మందంతో GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరను పెంచడానికి ఈ పద్ధతిని ఉపయోగించారు. వారి ప్రయోగంలో, నీలమణి ఉపరితలం మరియు ఎపిటాక్సియల్ పొర మధ్య బఫర్ పొరగా ZnO పొరను పెంచారు మరియు ఎపిటాక్సియల్ పొరను ఉపరితల ఉపరితలం నుండి తొలగించారు. MOCVD మరియు MBE తో పోలిస్తే, HVPE పద్ధతి యొక్క ప్రధాన లక్షణం దాని అధిక వృద్ధి రేటు, ఇది మందపాటి పొరలు మరియు బల్క్ పదార్థాల ఉత్పత్తికి అనుకూలంగా ఉంటుంది. అయితే, ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క మందం 20μm దాటినప్పుడు, ఈ పద్ధతి ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన ఎపిటాక్సియల్ పొర పగుళ్లకు గురవుతుంది.
ఈ పద్ధతి ఆధారంగా అకిరా USUI నమూనా ఉపరితల సాంకేతికతను ప్రవేశపెట్టింది. వారు మొదట MOCVD పద్ధతిని ఉపయోగించి నీలమణి ఉపరితలంపై సన్నని 1-1.5μm మందపాటి GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరను పెంచారు. ఎపిటాక్సియల్ పొరలో తక్కువ ఉష్ణోగ్రత పరిస్థితులలో పెరిగిన 20nm మందపాటి GaN బఫర్ పొర మరియు అధిక ఉష్ణోగ్రత పరిస్థితులలో పెరిగిన GaN పొర ఉన్నాయి. తరువాత, 430℃ వద్ద, ఎపిటాక్సియల్ పొర ఉపరితలంపై SiO2 పొరను పూత పూయబడింది మరియు ఫోటోలిథోగ్రఫీ ద్వారా SiO2 ఫిల్మ్‌పై విండో చారలు తయారు చేయబడ్డాయి. చారల అంతరం 7μm మరియు ముసుగు వెడల్పు 1μm నుండి 4μm వరకు ఉంది. ఈ మెరుగుదల తర్వాత, వారు 2-అంగుళాల వ్యాసం కలిగిన నీలమణి ఉపరితలంపై GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరను పొందారు, ఇది మందం పదుల లేదా వందల మైక్రాన్లకు పెరిగినప్పటికీ పగుళ్లు లేకుండా మరియు అద్దం వలె మృదువైనది. లోప సాంద్రత సాంప్రదాయ HVPE పద్ధతి యొక్క 109-1010cm-2 నుండి దాదాపు 6×107cm-2కి తగ్గించబడింది. వృద్ధి రేటు 75μm/h దాటినప్పుడు, నమూనా ఉపరితలం గరుకుగా మారుతుందని కూడా వారు ప్రయోగంలో ఎత్తి చూపారు[8].

చిత్రం 6 గ్రాఫికల్ సబ్‌స్ట్రేట్ స్కీమాటిక్

V. సారాంశం మరియు అంచనాలు

2014లో బ్లూ లైట్ LED భౌతిక శాస్త్రంలో నోబెల్ బహుమతిని గెలుచుకున్నప్పుడు GaN పదార్థాలు వెలువడటం ప్రారంభించాయి మరియు వినియోగదారుల ఎలక్ట్రానిక్స్ రంగంలో వేగంగా ఛార్జింగ్ అప్లికేషన్ల రంగంలోకి ప్రవేశించాయి. వాస్తవానికి, చాలా మంది ప్రజలు చూడలేని 5G బేస్ స్టేషన్లలో ఉపయోగించే పవర్ యాంప్లిఫైయర్లు మరియు RF పరికరాలలోని అప్లికేషన్లు కూడా నిశ్శబ్దంగా ఉద్భవించాయి. ఇటీవలి సంవత్సరాలలో, GaN-ఆధారిత ఆటోమోటివ్-గ్రేడ్ పవర్ పరికరాల పురోగతి GaN మెటీరియల్ అప్లికేషన్ మార్కెట్‌కు కొత్త వృద్ధి పాయింట్లను తెరుస్తుందని భావిస్తున్నారు.
భారీ మార్కెట్ డిమాండ్ ఖచ్చితంగా GaN-సంబంధిత పరిశ్రమలు మరియు సాంకేతికతల అభివృద్ధిని ప్రోత్సహిస్తుంది. GaN-సంబంధిత పారిశ్రామిక గొలుసు యొక్క పరిపక్వత మరియు మెరుగుదలతో, ప్రస్తుత GaN ఎపిటాక్సియల్ టెక్నాలజీ ఎదుర్కొంటున్న సమస్యలు చివరికి మెరుగుపడతాయి లేదా అధిగమించబడతాయి. భవిష్యత్తులో, ప్రజలు ఖచ్చితంగా మరిన్ని కొత్త ఎపిటాక్సియల్ టెక్నాలజీలను మరియు మరింత అద్భుతమైన సబ్‌స్ట్రేట్ ఎంపికలను అభివృద్ధి చేస్తారు. అప్పటికి, ప్రజలు అప్లికేషన్ దృశ్యాల లక్షణాల ప్రకారం విభిన్న అప్లికేషన్ దృశ్యాలకు అత్యంత అనుకూలమైన బాహ్య పరిశోధన సాంకేతికత మరియు సబ్‌స్ట్రేట్‌ను ఎంచుకోగలుగుతారు మరియు అత్యంత పోటీతత్వ అనుకూలీకరించిన ఉత్పత్తులను ఉత్పత్తి చేయగలరు.