మూడవ తరం సెమీకండక్టర్ GaN మరియు సంబంధిత ఎపిటాక్సియల్ టెక్నాలజీ సంక్షిప్త పరిచయం

1. మూడవ తరం సెమీకండక్టర్లు

మొదటి తరం సెమీకండక్టర్ సాంకేతికత Si మరియు Ge వంటి సెమీకండక్టర్ పదార్థాల ఆధారంగా అభివృద్ధి చేయబడింది. ఇది ట్రాన్సిస్టర్లు మరియు ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్ సాంకేతికత అభివృద్ధికి పదార్థపరమైన ఆధారం. మొదటి తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థాలు 20వ శతాబ్దంలో ఎలక్ట్రానిక్ పరిశ్రమకు పునాది వేశాయి మరియు ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్ సాంకేతికతకు ప్రాథమిక పదార్థాలుగా ఉన్నాయి.

రెండవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థాలలో ప్రధానంగా గాలియం ఆర్సెనైడ్, ఇండియం ఫాస్ఫైడ్, అల్యూమినియం ఆర్సెనైడ్ మరియు వాటి త్రైపాక్షిక సమ్మేళనాలు ఉంటాయి. రెండవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థాలు ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ సమాచార పరిశ్రమకు పునాది. దీని ఆధారంగా లైటింగ్, డిస్‌ప్లే, లేజర్ మరియు ఫోటోవోల్టాయిక్స్ వంటి సంబంధిత పరిశ్రమలు అభివృద్ధి చేయబడ్డాయి. వీటిని సమకాలీన సమాచార సాంకేతికత మరియు ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ డిస్‌ప్లే పరిశ్రమలలో విస్తృతంగా ఉపయోగిస్తున్నారు.

మూడవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థాలలో గాలియం నైట్రైడ్ మరియు సిలికాన్ కార్బైడ్ వంటివి ప్రాతినిధ్య పదార్థాలుగా ఉన్నాయి. వాటి విస్తృత బ్యాండ్ గ్యాప్, అధిక ఎలక్ట్రాన్ సాచురేషన్ డ్రిఫ్ట్ వేగం, అధిక ఉష్ణ వాహకత మరియు అధిక బ్రేక్‌డౌన్ ఫీల్డ్ స్ట్రెంత్ కారణంగా, అధిక పవర్ డెన్సిటీ, అధిక ఫ్రీక్వెన్సీ మరియు తక్కువ నష్టం గల ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలను తయారు చేయడానికి ఇవి ఆదర్శవంతమైన పదార్థాలు. వీటిలో, సిలికాన్ కార్బైడ్ పవర్ పరికరాలు అధిక శక్తి సాంద్రత, తక్కువ శక్తి వినియోగం మరియు చిన్న పరిమాణం వంటి ప్రయోజనాలను కలిగి ఉన్నాయి. అంతేకాకుండా, నూతన శక్తి వాహనాలు, ఫోటోవోల్టాయిక్స్, రైలు రవాణా, బిగ్ డేటా మరియు ఇతర రంగాలలో వీటికి విస్తృతమైన అప్లికేషన్ అవకాశాలు ఉన్నాయి. గాలియం నైట్రైడ్ RF పరికరాలు అధిక ఫ్రీక్వెన్సీ, అధిక పవర్, విస్తృత బ్యాండ్‌విడ్త్, తక్కువ విద్యుత్ వినియోగం మరియు చిన్న పరిమాణం వంటి ప్రయోజనాలను కలిగి ఉన్నాయి. అంతేకాకుండా, 5G కమ్యూనికేషన్స్, ఇంటర్నెట్ ఆఫ్ థింగ్స్, మిలిటరీ రాడార్ మరియు ఇతర రంగాలలో వీటికి విస్తృతమైన అప్లికేషన్ అవకాశాలు ఉన్నాయి. అదనంగా, గాలియం నైట్రైడ్ ఆధారిత పవర్ పరికరాలు తక్కువ-వోల్టేజ్ రంగంలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి. ఇంకా, ఇటీవలి సంవత్సరాలలో, అభివృద్ధి చెందుతున్న గాలియం ఆక్సైడ్ పదార్థాలు ఇప్పటికే ఉన్న SiC మరియు GaN సాంకేతికతలతో సాంకేతిక పరిపూరకతను ఏర్పరుస్తాయని మరియు తక్కువ-ఫ్రీక్వెన్సీ మరియు అధిక-వోల్టేజ్ రంగాలలో సంభావ్య అప్లికేషన్ అవకాశాలను కలిగి ఉంటాయని భావిస్తున్నారు.

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

చిత్ర మూలం: కాసా, జెషాంగ్ సెక్యూరిటీస్ రీసెర్చ్ ఇన్స్టిట్యూట్

పటం 1 GaN పవర్ పరికరం యొక్క కాలమానం మరియు అంచనా

II GaN పదార్థ నిర్మాణం మరియు లక్షణాలు

GaN ఒక డైరెక్ట్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్. గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద వర్ట్‌జైట్ నిర్మాణం యొక్క బ్యాండ్‌గ్యాప్ వెడల్పు సుమారు 3.26eV ఉంటుంది. GaN పదార్థాలు మూడు ప్రధాన స్ఫటిక నిర్మాణాలను కలిగి ఉంటాయి, అవి వర్ట్‌జైట్ నిర్మాణం, స్ఫాలరైట్ నిర్మాణం మరియు రాక్ సాల్ట్ నిర్మాణం. వాటిలో, వర్ట్‌జైట్ నిర్మాణం అత్యంత స్థిరమైన స్ఫటిక నిర్మాణం. పటం 2 అనేది GaN యొక్క షట్కోణ వర్ట్‌జైట్ నిర్మాణం యొక్క రేఖాచిత్రం. GaN పదార్థం యొక్క వర్ట్‌జైట్ నిర్మాణం షట్కోణ క్లోజ్-ప్యాక్డ్ నిర్మాణానికి చెందుతుంది. ప్రతి యూనిట్ సెల్‌లో 12 పరమాణువులు ఉంటాయి, వీటిలో 6 N పరమాణువులు మరియు 6 Ga పరమాణువులు ఉంటాయి. ప్రతి Ga (N) పరమాణువు 4 సమీప N (Ga) పరమాణువులతో బంధాన్ని ఏర్పరుస్తుంది మరియు [0001] దిశలో ABABAB… క్రమంలో పేర్చబడి ఉంటుంది [2].

పటం 2 వుర్ట్‌జైట్ నిర్మాణం GaN క్రిస్టల్ సెల్ రేఖాచిత్రం

III GaN ఎపిటాక్సీ కోసం సాధారణంగా ఉపయోగించే సబ్‌స్ట్రేట్‌లు

GaN ఎపిటాక్సీ కోసం GaN సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై సజాతీయ ఎపిటాక్సీ ఉత్తమ ఎంపికగా కనిపిస్తుంది. అయితే, GaN యొక్క అధిక బంధ శక్తి కారణంగా, ఉష్ణోగ్రత 2500℃ ద్రవీభవన స్థానానికి చేరుకున్నప్పుడు, దానికి సంబంధించిన వియోగ పీడనం సుమారు 4.5GPa ఉంటుంది. వియోగ పీడనం ఈ పీడనం కంటే తక్కువగా ఉన్నప్పుడు, GaN కరగకుండా నేరుగా వియోగం చెందుతుంది. ఇది చోక్రాల్స్కీ పద్ధతి వంటి పరిణతి చెందిన సబ్‌స్ట్రేట్ తయారీ సాంకేతికతలను GaN సింగిల్ క్రిస్టల్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ల తయారీకి అనుచితంగా చేస్తుంది, దీనివల్ల GaN సబ్‌స్ట్రేట్‌లను భారీగా ఉత్పత్తి చేయడం కష్టంగా మరియు ఖరీదైనదిగా మారుతుంది. అందువల్ల, GaN ఎపిటాక్సియల్ వృద్ధిలో సాధారణంగా ఉపయోగించే సబ్‌స్ట్రేట్‌లు ప్రధానంగా Si, SiC, నీలమణి మొదలైనవి [3].

పట్టిక 3 GaN మరియు సాధారణంగా ఉపయోగించే సబ్‌స్ట్రేట్ పదార్థాల పారామితులు

నీలమణిపై GaN ఎపిటాక్సీ

నీలమణి (సఫైర్) స్థిరమైన రసాయన లక్షణాలను కలిగి ఉంటుంది, చవకైనది మరియు భారీ-స్థాయి ఉత్పత్తి పరిశ్రమలో అధిక పరిపక్వతను కలిగి ఉంది. అందువల్ల, ఇది సెమీకండక్టర్ పరికర ఇంజనీరింగ్‌లో మొట్టమొదటి మరియు అత్యంత విస్తృతంగా ఉపయోగించే సబ్‌స్ట్రేట్ పదార్థాలలో ఒకటిగా మారింది. GaN ఎపిటాక్సీ కోసం సాధారణంగా ఉపయోగించే సబ్‌స్ట్రేట్‌లలో ఒకటిగా, నీలమణి సబ్‌స్ట్రేట్‌ల కోసం పరిష్కరించాల్సిన ప్రధాన సమస్యలు:

✔ సఫైర్ (Al2O3) మరియు GaN మధ్య ఉన్న పెద్ద లాటిస్ వ్యత్యాసం (సుమారు 15%) కారణంగా, ఎపిటాక్సియల్ పొర మరియు సబ్‌స్ట్రేట్ మధ్య ఉన్న ఇంటర్‌ఫేస్ వద్ద లోపాల సాంద్రత చాలా ఎక్కువగా ఉంటుంది. దీని ప్రతికూల ప్రభావాలను తగ్గించడానికి, ఎపిటాక్సీ ప్రక్రియ ప్రారంభమయ్యే ముందు సబ్‌స్ట్రేట్‌కు సంక్లిష్టమైన ప్రీ-ట్రీట్‌మెంట్ చేయాలి. సఫైర్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై GaN ఎపిటాక్సీని పెంచే ముందు, మలినాలు, పాలిషింగ్ వల్ల మిగిలిపోయిన నష్టం మొదలైనవాటిని తొలగించి, మెట్లు మరియు మెట్ల ఉపరితల నిర్మాణాలను ఏర్పరచడానికి సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలాన్ని మొదట కఠినంగా శుభ్రపరచాలి. ఆ తర్వాత, ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క వెట్టింగ్ లక్షణాలను మార్చడానికి సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలాన్ని నైట్రైడ్ చేస్తారు. చివరగా, తుది ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదలకు సిద్ధం చేయడానికి, సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై ఒక పలుచని AlN బఫర్ పొరను (సాధారణంగా 10-100nm మందం) వేసి, తక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఎనీల్ చేయాలి. అయినప్పటికీ, సఫైర్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై పెరిగిన GaN ఎపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌లలోని డిస్లోకేషన్ సాంద్రత హోమోఎపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌ల కంటే ఇప్పటికీ ఎక్కువగా ఉంది (సుమారు 1010cm-2, సిలికాన్ హోమోఎపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌లు లేదా గాలియం ఆర్సెనైడ్ హోమోఎపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌లలో దాదాపు సున్నా డిస్లోకేషన్ సాంద్రతతో పోలిస్తే, లేదా 102 మరియు 104cm-2 మధ్య). అధిక లోప సాంద్రత క్యారియర్ మొబిలిటీని తగ్గిస్తుంది, తద్వారా మైనారిటీ క్యారియర్ జీవితకాలాన్ని తగ్గిస్తుంది మరియు ఉష్ణ వాహకతను తగ్గిస్తుంది, ఇవన్నీ పరికర పనితీరును తగ్గిస్తాయి [4];

✔ GaN తో పోలిస్తే సఫైర్ యొక్క ఉష్ణ వ్యాకోచ గుణకం ఎక్కువగా ఉంటుంది, కాబట్టి డిపాజిషన్ ఉష్ణోగ్రత నుండి గది ఉష్ణోగ్రతకు చల్లబరిచే ప్రక్రియలో ఎపిటాక్సియల్ పొరలో ద్విఅక్ష సంపీడన ఒత్తిడి ఏర్పడుతుంది. మందమైన ఎపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌ల విషయంలో, ఈ ఒత్తిడి ఫిల్మ్ లేదా సబ్‌స్ట్రేట్ పగుళ్లకు కారణం కావచ్చు;

✔ ఇతర సబ్‌స్ట్రేట్‌లతో పోలిస్తే, నీలమణి సబ్‌స్ట్రేట్‌ల ఉష్ణ వాహకత తక్కువగా ఉంటుంది (100℃ వద్ద సుమారు 0.25W*cm-1*K-1), మరియు ఉష్ణ వెదజల్లు పనితీరు పేలవంగా ఉంటుంది;

✔ దాని తక్కువ వాహకత్వం కారణంగా, నీలమణి సబ్‌స్ట్రేట్‌లు ఇతర సెమీకండక్టర్ పరికరాలతో ఏకీకరణకు మరియు అనువర్తనానికి అనుకూలంగా ఉండవు.

సఫైర్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై పెంచిన GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలలో లోపాల సాంద్రత ఎక్కువగా ఉన్నప్పటికీ, అది GaN-ఆధారిత నీలి-ఆకుపచ్చ LEDల ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ పనితీరును గణనీయంగా తగ్గించినట్లు కనిపించడం లేదు, అందువల్ల GaN-ఆధారిత LEDల కోసం సఫైర్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లను ఇప్పటికీ సాధారణంగా ఉపయోగిస్తున్నారు.

లేజర్‌లు లేదా ఇతర అధిక-సాంద్రత శక్తి పరికరాల వంటి GaN పరికరాల యొక్క మరిన్ని కొత్త అనువర్తనాల అభివృద్ధితో, సఫైర్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ల యొక్క సహజ లోపాలు వాటి అనువర్తనానికి క్రమంగా ఒక పరిమితిగా మారుతున్నాయి. దీనికి అదనంగా, SiC సబ్‌స్ట్రేట్ వృద్ధి సాంకేతికత అభివృద్ధి, ఖర్చు తగ్గింపు మరియు Si సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై GaN ఎపిటాక్సియల్ సాంకేతికత పరిపక్వతతో, సఫైర్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలను పెంచడంపై పరిశోధన క్రమంగా తగ్గుముఖం పడుతోంది.

SiC పై GaN ఎపిటాక్సీ

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

అయితే, GaN ఎపిలేయర్‌లను పెంచడాన్ని నివారించడానికి SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై నేరుగా పనిచేయడం కూడా ఈ క్రింది వాటితో సహా అనేక ప్రతికూలతలను ఎదుర్కొంటుంది:

✔ SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌ల ఉపరితల గరుకుదనం నీలమణి సబ్‌స్ట్రేట్‌ల కంటే చాలా ఎక్కువగా ఉంటుంది (నీలమణి గరుకుదనం 0.1nm RMS, SiC గరుకుదనం 1nm RMS), SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌లు అధిక కాఠిన్యం మరియు పేలవమైన ప్రాసెసింగ్ పనితీరును కలిగి ఉంటాయి, మరియు ఈ గరుకుదనం మరియు మిగిలిపోయిన పాలిషింగ్ నష్టం కూడా GaN ఎపిలేయర్‌లలోని లోపాలకు మూలాలలో ఒకటి.

✔ SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌ల స్క్రూ డిస్‌లొకేషన్ సాంద్రత ఎక్కువగా ఉంటుంది (డిస్‌లొకేషన్ సాంద్రత 103-104cm-2), స్క్రూ డిస్‌లొకేషన్‌లు GaN ఎపిలేయర్‌కు వ్యాపించి పరికర పనితీరును తగ్గించవచ్చు;

✔ సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై ఉండే పరమాణు అమరిక, GaN ఎపిలేయర్‌లో స్టాకింగ్ ఫాల్ట్స్ (BSFలు) ఏర్పడటానికి కారణమవుతుంది. SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై ఉండే ఎపిటాక్సియల్ GaN విషయంలో, సబ్‌స్ట్రేట్‌పై బహుళ సాధ్యమయ్యే పరమాణు అమరిక క్రమాలు ఉంటాయి. దీని ఫలితంగా, దానిపై ఉండే ఎపిటాక్సియల్ GaN పొర యొక్క ప్రారంభ పరమాణు స్టాకింగ్ క్రమం అస్థిరంగా ఉంటుంది, ఇది స్టాకింగ్ ఫాల్ట్స్‌కు గురయ్యే అవకాశం ఉంది. స్టాకింగ్ ఫాల్ట్స్ (SFలు) c-అక్షం వెంబడి అంతర్నిర్మిత విద్యుత్ క్షేత్రాలను ప్రవేశపెడతాయి, దీనివల్ల ఇన్-ప్లేన్ క్యారియర్ సెపరేషన్ పరికరాల లీకేజ్ వంటి సమస్యలు తలెత్తుతాయి;

✔ SiC సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క ఉష్ణ వ్యాకోచ గుణకం AlN మరియు GaN ల కంటే తక్కువగా ఉంటుంది, దీనివల్ల శీతలీకరణ ప్రక్రియలో ఎపిటాక్సియల్ పొర మరియు సబ్‌స్ట్రేట్ మధ్య ఉష్ణ ఒత్తిడి పేరుకుపోతుంది. వాల్టెరిట్ మరియు బ్రాండ్ తమ పరిశోధన ఫలితాల ఆధారంగా, పలుచని, ఏకరీతిగా ఒత్తిడికి గురైన AlN న్యూక్లియేషన్ పొరలపై GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలను పెంచడం ద్వారా ఈ సమస్యను తగ్గించవచ్చని లేదా పరిష్కరించవచ్చని అంచనా వేశారు;

✔ Ga పరమాణువుల తక్కువ తడిసే గుణం సమస్య. SiC ఉపరితలంపై నేరుగా GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలను పెంచేటప్పుడు, రెండు పరమాణువుల మధ్య తక్కువ తడిసే గుణం కారణంగా, సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై GaN త్రిమితీయ (3D) ద్వీపాల పెరుగుదలకు గురవుతుంది. GaN ఎపిటాక్సీలో ఎపిటాక్సియల్ పదార్థాల నాణ్యతను మెరుగుపరచడానికి బఫర్ పొరను ప్రవేశపెట్టడం అనేది సర్వసాధారణంగా ఉపయోగించే పరిష్కారం. AlN లేదా AlxGa1-xN బఫర్ పొరను ప్రవేశపెట్టడం ద్వారా SiC ఉపరితలం యొక్క తడిసే గుణాన్ని సమర్థవంతంగా మెరుగుపరచవచ్చు మరియు GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరను రెండు డైమెన్షన్లలో పెరిగేలా చేయవచ్చు. అదనంగా, ఇది ఒత్తిడిని నియంత్రించగలదు మరియు సబ్‌స్ట్రేట్ లోపాలు GaN ఎపిటాక్సీకి విస్తరించకుండా నిరోధించగలదు;

✔ SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌ల తయారీ సాంకేతికత అపరిపక్వంగా ఉంది, సబ్‌స్ట్రేట్ ఖరీదు అధికంగా ఉంది, మరియు సరఫరాదారులు తక్కువగా ఉండటంతో సరఫరా కూడా పరిమితంగా ఉంది.

టొర్రెస్ మరియు ఇతరుల పరిశోధన ప్రకారం, ఎపిటాక్సీకి ముందు SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌ను అధిక ఉష్ణోగ్రత (1600°C) వద్ద H2 తో ఎచింగ్ చేయడం వల్ల సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై మరింత క్రమబద్ధమైన స్టెప్ నిర్మాణం ఏర్పడుతుంది, తద్వారా అసలు సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై నేరుగా పెంచిన దానికంటే అధిక నాణ్యత గల AlN ఎపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌ను పొందవచ్చు. క్సీ మరియు అతని బృందం పరిశోధన కూడా సిలికాన్ కార్బైడ్ సబ్‌స్ట్రేట్‌కు ఎచింగ్ ప్రీట్రీట్‌మెంట్ చేయడం వల్ల GaN ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క ఉపరితల స్వరూపాన్ని మరియు క్రిస్టల్ నాణ్యతను గణనీయంగా మెరుగుపరచవచ్చని చూపిస్తుంది. స్మిత్ మరియు ఇతరులు సబ్‌స్ట్రేట్/బఫర్ పొర మరియు బఫర్ పొర/ఎపిటాక్సియల్ పొర ఇంటర్‌ఫేస్‌ల నుండి ఉద్భవించే థ్రెడింగ్ డిస్‌లొకేషన్‌లు సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క చదునుదనానికి సంబంధించినవని కనుగొన్నారు [5].

పటం 4 వివిధ ఉపరితల చికిత్స పరిస్థితులలో 6H-SiC సబ్‌స్ట్రేట్ (0001) పై పెంచిన GaN ఎపిటాక్సియల్ పొర నమూనాల TEM స్వరూపం (a) రసాయన శుభ్రపరచడం; (b) రసాయన శుభ్రపరచడం + హైడ్రోజన్ ప్లాస్మా చికిత్స; (c) రసాయన శుభ్రపరచడం + హైడ్రోజన్ ప్లాస్మా చికిత్స + 30 నిమిషాల పాటు 1300℃ హైడ్రోజన్ ఉష్ణ చికిత్స

Si పై GaN ఎపిటాక్సీ

సిలికాన్ కార్బైడ్, సఫైర్ మరియు ఇతర సబ్‌స్ట్రేట్‌లతో పోలిస్తే, సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్ తయారీ ప్రక్రియ పరిణతి చెందింది మరియు ఇది అధిక వ్యయ-పనితీరుతో పరిణతి చెందిన పెద్ద-పరిమాణ సబ్‌స్ట్రేట్‌లను స్థిరంగా అందించగలదు. అదే సమయంలో, ఉష్ణ వాహకత మరియు విద్యుత్ వాహకత బాగుంటాయి, మరియు Si ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాల ప్రక్రియ కూడా పరిణతి చెందింది. భవిష్యత్తులో ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ GaN పరికరాలను Si ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలతో సంపూర్ణంగా ఏకీకృతం చేసే 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 హెటెరోజీనియస్ ఎపిటాక్సీ అనేది ఒక విలక్షణమైన పెద్ద మిస్‌మ్యాచ్ ఎపిటాక్సీ, మరియు ఇది అనేక సమస్యలను కూడా ఎదుర్కోవలసి ఉంటుంది:

✔ ఉపరితల ఇంటర్‌ఫేస్ శక్తి సమస్య. Si సబ్‌స్ట్రేట్‌పై GaN పెరిగినప్పుడు, Si సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క ఉపరితలం మొదట నైట్రైడ్ చేయబడి ఒక నిరాకార సిలికాన్ నైట్రైడ్ పొరను ఏర్పరుస్తుంది, ఇది అధిక సాంద్రత గల GaN యొక్క కేంద్రకం ఏర్పడటానికి మరియు పెరుగుదలకు అనుకూలంగా ఉండదు. అదనంగా, Si ఉపరితలం మొదట Gaతో సంపర్కంలోకి వస్తుంది, ఇది Si సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క ఉపరితలాన్ని క్షయం చేస్తుంది. అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద, Si ఉపరితలం యొక్క విఘటనం GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలోకి వ్యాపించి నల్ల సిలికాన్ మచ్చలను ఏర్పరుస్తుంది.

✔ GaN మరియు Si మధ్య లాటిస్ స్థిరాంక వ్యత్యాసం ఎక్కువగా (~17%) ఉంటుంది, ఇది అధిక-సాంద్రత గల థ్రెడింగ్ డిస్లోకేషన్ల ఏర్పాటుకు దారితీస్తుంది మరియు ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క నాణ్యతను గణనీయంగా తగ్గిస్తుంది;

✔ Si తో పోలిస్తే, GaN అధిక ఉష్ణ వ్యాకోచ గుణకాన్ని కలిగి ఉంటుంది (GaN యొక్క ఉష్ణ వ్యాకోచ గుణకం సుమారు 5.6×10-6K-1, Si యొక్క ఉష్ణ వ్యాకోచ గుణకం సుమారు 2.6×10-6K-1), మరియు ఎపిటాక్సియల్ ఉష్ణోగ్రతను గది ఉష్ణోగ్రతకు చల్లబరిచే సమయంలో GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలో పగుళ్లు ఏర్పడవచ్చు;

✔ Si అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద NH3 తో చర్య జరిపి పాలీక్రిస్టలైన్ SiNx ను ఏర్పరుస్తుంది. పాలీక్రిస్టలైన్ SiNx పై AlN ప్రాధాన్యతతో కూడిన కేంద్రకాన్ని ఏర్పరచలేదు, ఇది తరువాత పెరిగిన GaN పొర యొక్క క్రమరహిత ధోరణికి మరియు అధిక సంఖ్యలో లోపాలకు దారితీస్తుంది, ఫలితంగా GaN ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క క్రిస్టల్ నాణ్యత తక్కువగా ఉంటుంది మరియు సింగిల్-క్రిస్టలైన్ GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరను ఏర్పరచడంలో కూడా ఇబ్బంది ఏర్పడుతుంది [6].

పెద్ద లాటిస్ అసమతుల్యత సమస్యను పరిష్కరించడానికి, పరిశోధకులు Si సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై బఫర్ పొరలుగా AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, మరియు SiC వంటి పదార్థాలను ప్రవేశపెట్టడానికి ప్రయత్నించారు. పాలీక్రిస్టలైన్ SiNx ఏర్పడటాన్ని నివారించడానికి మరియు GaN/AlN/Si (111) పదార్థాల క్రిస్టల్ నాణ్యతపై దాని ప్రతికూల ప్రభావాలను తగ్గించడానికి, బహిర్గతమైన Si ఉపరితలంతో NH3 చర్య జరిపి SiNx ఏర్పడకుండా నిరోధించడానికి, AlN బఫర్ పొర యొక్క ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదలకు ముందు సాధారణంగా కొంత కాలం పాటు TMAlను ప్రవేశపెట్టవలసి ఉంటుంది. అదనంగా, ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క నాణ్యతను మెరుగుపరచడానికి ప్యాటర్న్డ్ సబ్‌స్ట్రేట్ టెక్నాలజీ వంటి ఎపిటాక్సియల్ సాంకేతికతలను ఉపయోగించవచ్చు. ఈ సాంకేతికతల అభివృద్ధి ఎపిటాక్సియల్ ఇంటర్‌ఫేస్ వద్ద SiNx ఏర్పడటాన్ని నిరోధించడానికి, GaN ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క ద్విమితీయ పెరుగుదలను ప్రోత్సహించడానికి, మరియు ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క పెరుగుదల నాణ్యతను మెరుగుపరచడానికి సహాయపడుతుంది. అంతేకాకుండా, సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలో పగుళ్లను నివారించడానికి, ఉష్ణ వ్యాకోచ గుణకాలలోని వ్యత్యాసం వల్ల కలిగే తన్యత ఒత్తిడిని భర్తీ చేయడానికి ఒక AlN బఫర్ పొరను ప్రవేశపెడతారు. AlN బఫర్ పొర మందానికి మరియు స్ట్రెయిన్ తగ్గుదలకు మధ్య సానుకూల సంబంధం ఉందని క్రోస్ట్ పరిశోధన చూపిస్తుంది. బఫర్ పొర మందం 12nmకి చేరినప్పుడు, సరైన గ్రోత్ స్కీమ్ ద్వారా ఎపిటాక్సియల్ పొర పగుళ్లు లేకుండా సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై 6μm కంటే మందమైన ఎపిటాక్సియల్ పొరను పెంచవచ్చు.

పరిశోధకుల దీర్ఘకాల కృషి ఫలితంగా, సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై పెంచిన GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరల నాణ్యత గణనీయంగా మెరుగుపడింది మరియు ఫీల్డ్ ఎఫెక్ట్ ట్రాన్సిస్టర్‌లు, షాట్కీ బారియర్ అతినీలలోహిత డిటెక్టర్‌లు, నీలి-ఆకుపచ్చ LEDలు మరియు అతినీలలోహిత లేజర్‌ల వంటి పరికరాలు గణనీయమైన పురోగతిని సాధించాయి.

సారాంశంలో, సాధారణంగా ఉపయోగించే GaN ఎపిటాక్సియల్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లన్నీ విజాతీయ ఎపిటాక్సీకి చెందినవి కాబట్టి, అవన్నీ లాటిస్ అసమతుల్యత మరియు ఉష్ణ వ్యాకోచ గుణకాలలో పెద్ద వ్యత్యాసాలు వంటి సాధారణ సమస్యలను వివిధ స్థాయిలలో ఎదుర్కొంటాయి. సజాతీయ ఎపిటాక్సియల్ GaN సబ్‌స్ట్రేట్‌లు సాంకేతిక పరిజ్ఞానం యొక్క పరిపక్వత వల్ల పరిమితంగా ఉన్నాయి, మరియు ఈ సబ్‌స్ట్రేట్‌లు ఇంకా భారీ స్థాయిలో ఉత్పత్తి చేయబడలేదు. ఉత్పత్తి వ్యయం అధికంగా ఉంటుంది, సబ్‌స్ట్రేట్ పరిమాణం చిన్నదిగా ఉంటుంది, మరియు సబ్‌స్ట్రేట్ నాణ్యత ఆదర్శవంతంగా ఉండదు. కొత్త GaN ఎపిటాక్సియల్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ల అభివృద్ధి మరియు ఎపిటాక్సియల్ నాణ్యత మెరుగుదల అనేవి GaN ఎపిటాక్సియల్ పరిశ్రమ యొక్క తదుపరి అభివృద్ధిని పరిమితం చేసే ముఖ్యమైన కారకాలలో ఒకటిగా ఇప్పటికీ ఉన్నాయి.

IV. GaN ఎపిటాక్సీకి సాధారణ పద్ధతులు

MOCVD (కెమికల్ వేపర్ డిపోజిషన్)

GaN ఎపిటాక్సీ కోసం GaN సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై ఏకరీతి ఎపిటాక్సీ ఉత్తమమైన ఎంపికగా కనిపిస్తుంది. అయితే, కెమికల్ వేపర్ డిపోజిషన్ యొక్క పూర్వగాములు ట్రైమిథైల్‌గాలియం మరియు అమ్మోనియా, మరియు క్యారియర్ గ్యాస్ హైడ్రోజన్ కావడం వల్ల, సాధారణ MOCVD గ్రోత్ ఉష్ణోగ్రత సుమారు 1000-1100℃ ఉంటుంది, మరియు MOCVD గ్రోత్ రేటు గంటకు కొన్ని మైక్రాన్‌లు ఉంటుంది. ఇది పరమాణు స్థాయిలో నిటారుగా ఉండే ఇంటర్‌ఫేస్‌లను ఉత్పత్తి చేయగలదు, ఇది హెటెరోజంక్షన్‌లు, క్వాంటం వెల్స్, సూపర్‌లాటిస్‌లు మరియు ఇతర నిర్మాణాలను పెంచడానికి చాలా అనుకూలంగా ఉంటుంది. దీని వేగవంతమైన గ్రోత్ రేటు, మంచి ఏకరూపత, మరియు పెద్ద-ప్రాంత మరియు బహుళ-భాగాల గ్రోత్‌కు అనుకూలత కారణంగా దీనిని పారిశ్రామిక ఉత్పత్తిలో తరచుగా ఉపయోగిస్తారు.
MBE (మాలిక్యులర్ బీమ్ ఎపిటాక్సీ)
మాలిక్యులర్ బీమ్ ఎపిటాక్సీలో, Ga ఒక మూలక మూలాన్ని ఉపయోగిస్తుంది, మరియు RF ప్లాస్మా ద్వారా నైట్రోజన్ నుండి క్రియాశీల నైట్రోజన్ పొందబడుతుంది. MOCVD పద్ధతితో పోలిస్తే, MBE పెరుగుదల ఉష్ణోగ్రత సుమారు 350-400℃ తక్కువగా ఉంటుంది. తక్కువ పెరుగుదల ఉష్ణోగ్రత అధిక ఉష్ణోగ్రత వాతావరణాల వల్ల కలిగే కొన్ని కాలుష్యాన్ని నివారించగలదు. MBE వ్యవస్థ అల్ట్రా-హై వాక్యూమ్ కింద పనిచేస్తుంది, ఇది మరిన్ని ఇన్-సిటు డిటెక్షన్ పద్ధతులను ఏకీకృతం చేయడానికి అనుమతిస్తుంది. అదే సమయంలో, దాని పెరుగుదల రేటు మరియు ఉత్పత్తి సామర్థ్యం MOCVD తో పోల్చలేము, మరియు ఇది శాస్త్రీయ పరిశోధనలో ఎక్కువగా ఉపయోగించబడుతుంది [7].

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

HVPE పద్ధతి (హైడ్రైడ్ వేపర్ ఫేజ్ ఎపిటాక్సీ)

హైడ్రైడ్ ఆవిరి దశ ఎపిటాక్సీ పద్ధతి యొక్క పూర్వగాములు GaCl3 మరియు NH3. డెచ్‌ప్రోమ్ మరియు ఇతరులు ఈ పద్ధతిని ఉపయోగించి, నీలమణి సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై వందల మైక్రాన్ల మందం గల GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరను పెంచారు. వారి ప్రయోగంలో, నీలమణి సబ్‌స్ట్రేట్ మరియు ఎపిటాక్సియల్ పొర మధ్య ZnO పొరను బఫర్ పొరగా పెంచి, ఆపై ఎపిటాక్సియల్ పొరను సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలం నుండి వేరు చేశారు. MOCVD మరియు MBE పద్ధతులతో పోలిస్తే, HVPE పద్ధతి యొక్క ప్రధాన లక్షణం దాని అధిక వృద్ధి రేటు, ఇది మందమైన పొరలు మరియు స్థూల పదార్థాల ఉత్పత్తికి అనుకూలంగా ఉంటుంది. అయితే, ఎపిటాక్సియల్ పొర మందం 20μm దాటినప్పుడు, ఈ పద్ధతి ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడిన ఎపిటాక్సియల్ పొర పగుళ్లకు గురయ్యే అవకాశం ఉంది.
అకిరా ఉసుయ్ ఈ పద్ధతి ఆధారంగా నమూనా సబ్‌స్ట్రేట్ టెక్నాలజీని పరిచయం చేశారు. వారు మొదట MOCVD పద్ధతిని ఉపయోగించి సఫైర్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై 1-1.5μm మందం గల పలుచని GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరను పెంచారు. ఈ ఎపిటాక్సియల్ పొరలో, తక్కువ ఉష్ణోగ్రత పరిస్థితులలో పెంచిన 20nm మందం గల GaN బఫర్ పొర మరియు అధిక ఉష్ణోగ్రత పరిస్థితులలో పెంచిన GaN పొర ఉన్నాయి. ఆ తర్వాత, 430℃ వద్ద, ఎపిటాక్సియల్ పొర ఉపరితలంపై SiO2 పొరను పూత పూశారు, మరియు ఫోటోలిథోగ్రఫీ ద్వారా SiO2 ఫిల్మ్‌పై విండో స్ట్రైప్స్‌ను తయారు చేశారు. స్ట్రైప్ స్పేసింగ్ 7μm మరియు మాస్క్ వెడల్పు 1μm నుండి 4μm వరకు ఉంది. ఈ మెరుగుదల తర్వాత, వారు 2-అంగుళాల వ్యాసం గల సఫైర్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై, మందం పదులు లేదా వందల మైక్రాన్‌లకు పెరిగినప్పటికీ పగుళ్లు లేకుండా మరియు అద్దంలా నునుపుగా ఉండే GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరను పొందారు. సాంప్రదాయ HVPE పద్ధతిలో లోప సాంద్రత 109-1010cm-2 నుండి సుమారు 6×107cm-2 కు తగ్గించబడింది. పెరుగుదల రేటు 75μm/h మించినప్పుడు, నమూనా ఉపరితలం గరుకుగా మారుతుందని వారు ప్రయోగంలో సూచించారు[8].

చిత్రం 6 గ్రాఫికల్ సబ్‌స్ట్రేట్ స్కీమాటిక్

V. సారాంశం మరియు దృక్పథం

2014లో నీలి కాంతి LED భౌతిక శాస్త్రంలో నోబెల్ బహుమతిని గెలుచుకున్నప్పుడు GaN పదార్థాలు వెలుగులోకి రావడం ప్రారంభించాయి మరియు వినియోగదారు ఎలక్ట్రానిక్స్ రంగంలోని ఫాస్ట్ ఛార్జింగ్ అనువర్తనాలలో ప్రజల ముందుకు వచ్చాయి. వాస్తవానికి, చాలా మంది చూడలేని 5G బేస్ స్టేషన్లలో ఉపయోగించే పవర్ యాంప్లిఫైయర్‌లు మరియు RF పరికరాలలో కూడా వీటి అనువర్తనాలు నిశ్శబ్దంగా ఉద్భవించాయి. ఇటీవలి సంవత్సరాలలో, GaN-ఆధారిత ఆటోమోటివ్-గ్రేడ్ పవర్ పరికరాల ఆవిష్కరణ, GaN పదార్థాల అనువర్తన మార్కెట్‌కు కొత్త వృద్ధి అవకాశాలను తెరుస్తుందని భావిస్తున్నారు.
భారీ మార్కెట్ డిమాండ్ ఖచ్చితంగా GaN-సంబంధిత పరిశ్రమలు మరియు సాంకేతికతల అభివృద్ధిని ప్రోత్సహిస్తుంది. GaN-సంబంధిత పారిశ్రామిక శ్రేణి పరిపక్వత చెంది, మెరుగుపడటంతో, ప్రస్తుత GaN ఎపిటాక్సియల్ సాంకేతికత ఎదుర్కొంటున్న సమస్యలు చివరికి మెరుగుపరచబడతాయి లేదా అధిగమించబడతాయి. భవిష్యత్తులో, ప్రజలు ఖచ్చితంగా మరిన్ని కొత్త ఎపిటాక్సియల్ సాంకేతికతలను మరియు మరిన్ని అద్భుతమైన సబ్‌స్ట్రేట్ ఎంపికలను అభివృద్ధి చేస్తారు. అప్పటికి, ప్రజలు వివిధ అప్లికేషన్ సందర్భాల లక్షణాలకు అనుగుణంగా, వాటికి అత్యంత అనువైన బాహ్య పరిశోధన సాంకేతికతను మరియు సబ్‌స్ట్రేట్‌ను ఎంచుకుని, అత్యంత పోటీతత్వంతో కూడిన అనుకూలీకరించిన ఉత్పత్తులను తయారు చేయగలుగుతారు.