1. Нимноқилҳои насли сеюм
Технологияи нимноқилҳои насли аввал дар асоси маводҳои нимноқилҳо ба монанди Si ва Ge таҳия шудааст. Он асоси моддии рушди транзисторҳо ва технологияи схемаҳои интегралӣ мебошад. Маводҳои нимноқилҳои насли аввал дар асри 20 асоси саноати электроникаро гузоштанд ва маводи асосии технологияи схемаҳои интегралӣ мебошанд.
Маводҳои нимноқилии насли дуюм асосан арсениди галлий, фосфиди индий, фосфиди галлий, арсениди индий, арсениди алюминий ва пайвастагиҳои сегонаи онҳоро дар бар мегиранд. Маводҳои нимноқилии насли дуюм асоси саноати иттилооти оптоэлектронӣ мебошанд. Дар ин замина, соҳаҳои марбут ба монанди равшанӣ, дисплей, лазер ва фотоэлектрикӣ таҳия шудаанд. Онҳо дар саноати муосири технологияи иттилоотӣ ва дисплейи оптоэлектронӣ васеъ истифода мешаванд.
Маводҳои намояндагии маводҳои нимноқилии насли сеюм нитриди галлий ва карбиди кремнийро дар бар мегиранд. Аз сабаби фосилаи васеи банд, суръати баланди сершавии электронҳо, гузаронандагии баланди гармӣ ва қувваи баланди майдони вайроншавӣ, онҳо маводи беҳтарин барои тайёр кардани дастгоҳҳои электронии зичии баланд, басомади баланд ва талафоти кам мебошанд. Дар байни онҳо, дастгоҳҳои барқии карбиди кремний бартариҳои зичии баланди энергия, истеъмоли ками энергия ва андозаи хурд доранд ва дар соҳаҳои нақлиёти нави энергетикӣ, фотоэлектрикӣ, нақлиёти роҳи оҳан, маълумоти калон ва дигар соҳаҳо имкониятҳои васеъ доранд. Дастгоҳҳои RF нитриди галлий бартариҳои басомади баланд, қувваи баланд, паҳнои банд, истеъмоли ками энергия ва андозаи хурд доранд ва дар соҳаи коммуникатсияи 5G, Интернети ашё, радарҳои ҳарбӣ ва дигар соҳаҳо имкониятҳои васеъ доранд. Илова бар ин, дастгоҳҳои барқии нитриди галлий дар соҳаи пастшиддат васеъ истифода мешаванд. Илова бар ин, дар солҳои охир, интизор меравад, ки маводҳои оксиди галлий, ки пайдо мешаванд, бо технологияҳои мавҷудаи SiC ва GaN мувофиқати техникӣ эҷод кунанд ва дар соҳаҳои пастшиддат ва баландшиддат имкониятҳои истифодаи эҳтимолиро дошта бошанд.
Дар муқоиса бо маводҳои нимноқилҳои насли дуюм, маводҳои нимноқилҳои насли сеюм паҳнои банди васеътар доранд (паҳнои банди банди Si, маводи маъмулии маводи нимноқилҳои насли аввал, тақрибан 1,1 эВ, паҳнои банди банди GaAs, маводи маъмулии маводи нимноқилҳои насли дуюм, тақрибан 1,42 эВ ва паҳнои банди банди GaN, маводи маъмулии маводи нимноқилҳои насли сеюм, аз 2,3 эВ болотар аст), муқовимати қавитари радиатсия, муқовимати қавитар ба вайроншавии майдони электрикӣ ва муқовимати баландтари ҳарорат. Маводҳои нимноқилҳои насли сеюм бо паҳнои банди васеътар барои истеҳсоли дастгоҳҳои электронии тобовар ба радиатсия, басомади баланд, қувваи баланд ва зичии интегратсияи баланд махсусан мувофиқанд. Истифодаи онҳо дар дастгоҳҳои басомади радиоии микроволновка, LED-ҳо, лазерҳо, дастгоҳҳои барқӣ ва дигар соҳаҳо таваҷҷӯҳи зиёдро ҷалб кардааст ва онҳо дурнамои васеи рушдро дар алоқаи мобилӣ, шабакаҳои интеллектуалӣ, транзити роҳи оҳан, воситаҳои нақлиёти нави энергетикӣ, электроникаи истеъмолӣ ва дастгоҳҳои нури ултрабунафш ва кабуд-сабз нишон додаанд [1].
Манбаи тасвир: CASA, Институти тадқиқоти коғазҳои қиматноки Жешан
Расми 1. Ҷадвали вақт ва пешгӯии дастгоҳи барқии GaN
Сохтор ва хусусиятҳои маводи II GaN
GaN нимноқил бо банди мустақим аст. Паҳнои банди мустақими сохтори вурзит дар ҳарорати хонагӣ тақрибан 3.26 эВ аст. Маводҳои GaN се сохтори асосии кристаллӣ доранд, яъне сохтори вурзит, сохтори сфалерит ва сохтори намаки сангӣ. Дар байни онҳо, сохтори вурзит устувортарин сохтори кристаллӣ мебошад. Расми 2 диаграммаи сохтори вурзити шашкунҷаи GaN мебошад. Сохтори вурзити маводи GaN ба сохтори шашкунҷаи наздик басташуда тааллуқ дорад. Ҳар як ҳуҷайраи воҳидӣ 12 атом, аз ҷумла 6 атоми N ва 6 атоми Ga дорад. Ҳар як атоми Ga (N) бо 4 атоми наздиктарини N (Ga) пайванд ташкил медиҳад ва бо тартиби ABABAB… дар самти [0001] [2] ҷойгир шудааст.
Расми 2. Сохтори вурзит, диаграммаи ҳуҷайраҳои кристаллии GaN.
III Субстратҳои маъмулан истифодашаванда барои эпитаксияи GaN
Чунин ба назар мерасад, ки эпитаксияи якхела дар субстратҳои GaN беҳтарин интихоб барои эпитаксияи GaN мебошад. Аммо, аз сабаби энергияи баланди пайванди GaN, вақте ки ҳарорат ба нуқтаи обшавии 2500℃ мерасад, фишори таҷзияи мувофиқи он тақрибан 4.5 ГПа аст. Вақте ки фишори таҷзия аз ин фишор пасттар аст, GaN об намешавад, балки мустақиман таҷзия мешавад. Ин технологияҳои пухтаи тайёр кардани субстратҳо, ба монанди усули Чохралски, барои тайёр кардани субстратҳои яккристаллии GaN номувофиқ мегардонад, ки истеҳсоли оммавии субстратҳои GaN-ро душвор ва гарон мегардонад. Аз ин рӯ, субстратҳое, ки одатан дар афзоиши эпитаксияи GaN истифода мешаванд, асосан Si, SiC, сапфир ва ғайра мебошанд [3].
Диаграммаи 3 GaN ва параметрҳои маводҳои зеризаминии маъмулан истифодашаванда
Эпитаксияи GaN дар рӯи сапфир
Ёқут дорои хосиятҳои устувори кимиёвӣ, арзон ва дорои сатҳи баланди пухтагии саноати истеҳсолии миқёси калон мебошад. Аз ин рӯ, он ба яке аз аввалин ва васеъ истифодашавандатарин маводҳои субстратӣ дар муҳандисии дастгоҳҳои нимноқил табдил ёфтааст. Ҳамчун яке аз субстратҳои маъмулан истифодашаванда барои эпитаксияи GaN, мушкилоти асосие, ки бояд барои субстратҳои ёқутӣ ҳал карда шаванд, инҳоянд:
✔ Аз сабаби номувофиқати калони шабакавӣ байни сафир (Al2O3) ва GaN (тақрибан 15%), зичии нуқсон дар сатҳи байни қабати эпитаксиалӣ ва субстрат хеле баланд аст. Барои кам кардани таъсири манфии он, субстрат бояд пеш аз оғози раванди эпитаксиалӣ коркарди мураккаби пешакӣ анҷом дода шавад. Пеш аз парвариши эпитаксиалии GaN дар субстратҳои сафирӣ, сатҳи субстрат бояд аввал ба таври қатъӣ тоза карда шавад, то ифлоскунандаҳо, осеби боқимондаи сайқалдиҳӣ ва ғайраро тоза кунад ва зинаҳо ва сохторҳои сатҳи зинапояро ба вуҷуд орад. Сипас, сатҳи субстрат барои тағир додани хосиятҳои таркунии қабати эпитаксиалӣ нитрид карда мешавад. Дар ниҳоят, барои омодагӣ ба афзоиши ниҳоии эпитаксиалӣ, қабати тунуки буферии AlN (одатан ғафсии 10-100 нм) бояд дар сатҳи субстрат гузошта шавад ва дар ҳарорати паст гарм карда шавад. Бо вуҷуди ин, зичии дислокатсия дар плёнкаҳои эпитаксиалии GaN, ки дар субстратҳои сапфир парвариш карда мешаванд, нисбат ба плёнкаҳои гомоэпитаксиалӣ баландтар аст (тақрибан 1010 см-2, дар муқоиса бо зичии дислокатсияи амалан сифр дар плёнкаҳои гомоэпитаксиалии кремний ё плёнкаҳои гомоэпитаксиалии арсениди галлий ё байни 102 ва 104 см-2). Зичии баланди нуқсон ҳаракати интиқолдиҳандаҳоро коҳиш медиҳад ва бо ин васила мӯҳлати умри интиқолдиҳандаҳои ақаллиятро кӯтоҳ мекунад ва гузаронандагии гармиро коҳиш медиҳад, ки ҳамаи ин кори дастгоҳро коҳиш медиҳад [4];
✔ Коэффисиенти васеъшавии гармии сапфир нисбат ба GaN зиёдтар аст, аз ин рӯ, ҳангоми раванди хунуккунӣ аз ҳарорати таҳшиншавӣ то ҳарорати хонагӣ дар қабати эпитаксиалӣ фишори фишурдашавии дуҷониба ба вуҷуд меояд. Барои плёнкаҳои ғафси эпитаксиалӣ, ин фишор метавонад боиси кафидани плёнка ё ҳатто таҳкурсӣ гардад;
✔ Дар муқоиса бо дигар субстратҳо, гузариши гармии субстратҳои ёқутӣ пасттар аст (тақрибан 0.25W*cm-1*K-1 дар 100℃) ва самаранокии паҳншавии гармӣ паст аст;
✔ Аз сабаби ноқилияти пасти худ, субстратҳои сапфир барои ҳамгироӣ ва татбиқи онҳо бо дигар дастгоҳҳои нимноқил мусоид нестанд.
Гарчанде ки зичии нуқсонҳои қабатҳои эпитаксиалии GaN, ки дар субстратҳои сапфир парвариш карда мешаванд, баланд аст, ба назар мерасад, ки он кори оптоэлектронии LED-ҳои кабуд-сабзи дар асоси GaN-ро ба таври назаррас коҳиш намедиҳад, аз ин рӯ, субстратҳои сапфир то ҳол субстратҳои маъмулан барои LED-ҳои дар асоси GaN истифодашаванда мебошанд.
Бо рушди барномаҳои нави дастгоҳҳои GaN, ба монанди лазерҳо ё дигар дастгоҳҳои пуриқтидори баландсифат, камбудиҳои дохилии субстратҳои сапфирӣ ба маҳдудияти истифодаи онҳо табдил ёфтаанд. Илова бар ин, бо рушди технологияи афзоиши субстратҳои SiC, коҳиши хароҷот ва пухта расидани технологияи эпитаксиалии GaN дар субстратҳои Si, таҳқиқоти бештар дар бораи парвариши қабатҳои эпитаксиалии GaN дар субстратҳои сапфирӣ тадриҷан тамоюли хунукшавиро нишон доданд.
Эпитаксияи GaN дар SiC
Дар муқоиса бо сапфир, субстратҳои SiC (кристаллҳои 4H- ва 6H) номувофиқати хурдтари шабакавӣ бо қабатҳои эпитаксиалии GaN (3,1%, ки ба плёнкаҳои эпитаксиалии [0001] нигаронидашуда), гузаронандагии гармии баландтар (тақрибан 3,8W*cm-1*K-1) ва ғайра доранд. Илова бар ин, гузаронандагии субстратҳои SiC инчунин имкон медиҳад, ки дар пушти субстрат тамосҳои электрикӣ барқарор карда шаванд, ки ба содда кардани сохтори дастгоҳ мусоидат мекунад. Мавҷудияти ин бартариятҳо муҳаққиқони бештар ва бештарро барои кор дар бораи эпитаксии GaN дар субстратҳои карбидии кремний ҷалб кардааст.
Аммо, кор кардан мустақиман дар зери субстратҳои SiC барои пешгирӣ аз парвариши қабатҳои эпителии GaN низ бо як қатор камбудиҳо рӯбарӯ мешавад, аз ҷумла:
✔ Ноҳамвории сатҳи субстратҳои SiC нисбат ба субстратҳои ёқутӣ хеле баландтар аст (ноҳамвории ёқутӣ 0.1 нм RMS, ноҳамвории SiC 1 нм RMS), субстратҳои SiC сахтии баланд ва самаранокии пасти коркард доранд ва ин ноҳамворӣ ва осеби боқимондаи сайқалдиҳӣ низ яке аз манбаъҳои нуқсонҳо дар қабатҳои эпилятсионии GaN мебошанд.
✔ Зичии дислокатсияи винтҳои субстратҳои SiC баланд аст (зичии дислокатсия 103-104см-2), дислокатсияҳои винтӣ метавонанд ба қабати эпилятсионии GaN паҳн шаванд ва кори дастгоҳро коҳиш диҳанд;
✔ Тартиби атомӣ дар сатҳи субстрат боиси пайдоиши нуқсонҳои ҷамъкунӣ (BSF) дар қабати эпитаксиалии GaN мегардад. Барои GaN эпитаксиалӣ дар субстратҳои SiC, дар субстрат якчанд тартиби имконпазири ҷойгиршавии атомӣ мавҷуданд, ки боиси номувофиқи тартиби ибтидоии ҷамъкунии атомии қабати эпитаксиалии GaN дар он мегардад, ки ба нуқсонҳои ҷамъкунӣ майл дорад. Нуқсонҳои ҷамъкунӣ (SF) майдонҳои электрикии дарунсохтро дар баробари меҳвари c ба вуҷуд меоранд, ки боиси мушкилот ба монанди ихроҷи дастгоҳҳои ҷудокунии интиқолдиҳандаҳои дохилиҳамворӣ мегардад;
✔ Коэффисиенти васеъшавии гармии субстрати SiC нисбат ба коэффисиенти AlN ва GaN хурдтар аст, ки боиси ҷамъшавии фишори гармӣ байни қабати эпитаксиалӣ ва субстрат ҳангоми раванди хунуккунӣ мегардад. Валтерейт ва Брэнд бар асоси натиҷаҳои таҳқиқоти худ пешгӯӣ карданд, ки ин мушкилотро бо парвариши қабатҳои эпитаксиалии GaN дар қабатҳои тунуки ва когерентии нуклеатсияи AlN ҳал кардан ё рафъ кардан мумкин аст;
✔ Мушкилоти таршавии сусти атомҳои Ga. Ҳангоми парвариши қабатҳои эпитаксиалии GaN мустақиман дар сатҳи SiC, аз сабаби таршавии сусти байни ду атом, GaN ба афзоиши ҷазираҳои сеченака дар сатҳи субстрат майл дорад. Ҷорӣ кардани қабати буферӣ роҳи ҳалли маъмултарин барои беҳтар кардани сифати маводҳои эпитаксиалӣ дар эпитаксиалии GaN мебошад. Ҷорӣ кардани қабати буферии AlN ё AlxGa1-xN метавонад таршавии сатҳи SiC-ро самаранок беҳтар кунад ва қабати эпитаксиалии GaN-ро дар ду андоза афзоиш диҳад. Илова бар ин, он инчунин метавонад стрессро танзим кунад ва аз паҳншавии нуқсонҳои субстрат ба эпитаксиалии GaN пешгирӣ кунад;
✔ Технологияи тайёр кардани субстратҳои SiC нопухта аст, арзиши субстрат баланд аст ва таъминкунандагон кам ва таъминот кам аст.
Таҳқиқоти Торрес ва ҳамкорон нишон медиҳанд, ки кандакорӣ кардани субстрати SiC бо H2 дар ҳарорати баланд (1600°C) пеш аз эпитаксия метавонад сохтори зинабандии мураттабро дар сатҳи субстрат ба вуҷуд орад ва бо ин васила плёнкаи эпитаксиалии AlN-и босифаттарро нисбат ба вақте ки он мустақиман дар сатҳи аслии субстрат парвариш карда мешавад, ба даст орад. Таҳқиқоти Сие ва дастаи ӯ инчунин нишон медиҳанд, ки коркарди пешакии субстрати карбидии кремний метавонад морфологияи сатҳ ва сифати кристаллии қабати эпитаксиалии GaN-ро ба таври назаррас беҳтар созад. Смит ва ҳамкорон муайян карданд, ки ҷудошавии риштаҳо, ки аз интерфейсҳои субстрат/қабати буферӣ ва қабати буферӣ/қабати эпитаксиалӣ сарчашма мегиранд, бо ҳамвории субстрат алоқаманданд [5].
Расми 4 Морфологияи TEM-и намунаҳои қабати эпитаксиалии GaN, ки дар зеризаминии 6H-SiC (0001) дар шароити гуногуни коркарди сатҳӣ парвариш карда шудаанд (а) тозакунии кимиёвӣ; (б) тозакунии кимиёвӣ + коркарди плазмаи гидрогенӣ; (в) тозакунии кимиёвӣ + коркарди плазмаи гидрогенӣ + коркарди гармии гидрогении 1300℃ барои 30 дақиқа
Эпитаксияи GaN дар Si
Дар муқоиса бо карбиди кремний, сапфир ва дигар субстратҳо, раванди тайёр кардани субстрати кремний пухта расидааст ва он метавонад субстратҳои калонҳаҷми пухтаро бо арзиши баланди хароҷот устуворона таъмин кунад. Дар айни замон, гузаронандагии гармӣ ва гузаронандагии барқӣ хуб аст ва раванди дастгоҳҳои электронии Si пухта шудааст. Имконияти ҳамгироии комили дастгоҳҳои оптоэлектронии GaN бо дастгоҳҳои электронии Si дар оянда низ афзоиши эпитаксияи GaN-ро дар кремний хеле ҷолиб мегардонад.
Аммо, аз сабаби фарқияти калон дар собитҳои шабакавӣ байни субстрати Si ва маводи GaN, эпитаксияи гетерогении GaN дар субстрати Si як эпитаксияи маъмулии номувофиқ ва калон аст ва он инчунин бояд бо як қатор мушкилот рӯ ба рӯ шавад:
✔ Мушкилоти энергияи сатҳи сатҳӣ. Вақте ки GaN дар зеризаминии Si мерӯяд, сатҳи зеризаминии Si аввал нитрид карда мешавад, то қабати нитриди аморфии кремнийро ташкил диҳад, ки барои ядрошавӣ ва афзоиши GaN-и зичии баланд мусоид нест. Илова бар ин, сатҳи Si аввал бо Ga тамос мегирад, ки сатҳи зеризаминии Si-ро занг мезанад. Дар ҳарорати баланд, таҷзияи сатҳи Si ба қабати эпитаксиалии GaN паҳн шуда, доғҳои сиёҳи кремнийро ташкил медиҳад.
✔ Номувофиқати доимии шабака байни GaN ва Si калон аст (~17%), ки боиси пайдоиши дислокатсияҳои риштаи зичии баланд мегардад ва сифати қабати эпитаксиалиро ба таври назаррас коҳиш медиҳад;
✔ Дар муқоиса бо Si, GaN коэффитсиенти васеъшавии гармии калонтар дорад (коэффитсиенти васеъшавии гармии GaN тақрибан 5.6×10-6K-1, коэффитсиенти васеъшавии гармии Si тақрибан 2.6×10-6K-1 аст) ва ҳангоми хунук шудани ҳарорати эпитаксиалӣ то ҳарорати хонагӣ дар қабати эпитаксиалии GaN тарқишҳо ба вуҷуд омада метавонанд;
✔ Si дар ҳарорати баланд бо NH3 реаксия карда, SiNx-и поликристаллиро ташкил медиҳад. AlN наметавонад дар SiNx-и поликристаллии худ ядрои афзалиятнокро ташкил диҳад, ки боиси самти номураттаби қабати GaN, ки баъдан афзоиш ёфтааст, ва шумораи зиёди нуқсонҳо мегардад, ки боиси сифати пасти кристаллии қабати эпитаксиалии GaN ва ҳатто душворӣ дар ташаккули қабати эпитаксиалии монокристаллии GaN мегардад [6].
Барои ҳалли мушкилоти номувофиқати калони шабакавӣ, муҳаққиқон кӯшиш карданд, ки маводҳоеро ба монанди AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO ва SiC ҳамчун қабатҳои буферӣ дар зеризаминҳои Si ҷорӣ кунанд. Барои пешгирӣ аз пайдоиши SiNx-и поликристаллӣ ва кам кардани таъсири манфии он ба сифати кристаллии маводҳои GaN/AlN/Si (111), TMAl одатан бояд барои муддати муайян пеш аз афзоиши эпитаксиалии қабати буферии AlN ҷорӣ карда шавад, то аз реаксияи NH3 бо сатҳи кушодаи Si барои ташкили SiNx пешгирӣ карда шавад. Илова бар ин, технологияҳои эпитаксиалӣ, ба монанди технологияи зеризаминии нақшдор, метавонанд барои беҳтар кардани сифати қабати эпитаксиалӣ истифода шаванд. Таҳияи ин технологияҳо барои боздоштани ташаккули SiNx дар сатҳи эпитаксиалӣ, мусоидат ба афзоиши дученакавии қабати эпитаксиалии GaN ва беҳтар кардани сифати афзоиши қабати эпитаксиалӣ мусоидат мекунад. Илова бар ин, қабати буферии AlN барои ҷуброн кардани фишори кашиш, ки аз фарқияти коэффитсиентҳои васеъшавии гармӣ ба вуҷуд омадааст, барои пешгирӣ аз тарқишҳо дар қабати эпитаксиалии GaN дар зеризаминии кремний ҷорӣ карда мешавад. Таҳқиқоти Крост нишон медиҳад, ки байни ғафсии қабати буферии AlN ва коҳиши шиддат робитаи мусбат вуҷуд дорад. Вақте ки ғафсии қабати буферӣ ба 12 нм мерасад, қабати эпитаксиалии ғафстар аз 6 мкм метавонад дар зеризаминии кремний тавассути схемаи мувофиқи афзоиш бидуни кафидани қабати эпитаксиалӣ парвариш карда шавад.
Пас аз талошҳои тӯлонии муҳаққиқон, сифати қабатҳои эпитаксиалии GaN, ки дар субстратҳои кремний парвариш карда мешаванд, ба таври назаррас беҳтар шудааст ва дастгоҳҳо ба монанди транзисторҳои эффекти саҳроӣ, детекторҳои ултрабунафши монеаи Шоттки, LED-ҳои кабуд-сабз ва лазерҳои ултрабунафш пешрафти назаррас ба даст овардаанд.
Хулоса, азбаски субстратҳои эпитаксиалии GaN, ки маъмулан истифода мешаванд, ҳама эпитаксиалии гетерогенӣ мебошанд, ҳамаи онҳо бо мушкилоти умумӣ, аз қабили номувофиқатии шабака ва фарқиятҳои калон дар коэффитсиентҳои васеъшавии гармӣ ба дараҷаҳои гуногун, рӯбарӯ мешаванд. Субстратҳои эпитаксиалии GaN-и якхела аз сабаби камолоти технология маҳдуданд ва субстратҳо ҳанӯз ба таври оммавӣ истеҳсол нашудаанд. Арзиши истеҳсолот баланд, андозаи субстрат хурд аст ва сифати субстрат беҳтарин нест. Таҳияи субстратҳои нави эпитаксиалии GaN ва беҳтар кардани сифати эпитаксиалӣ то ҳол яке аз омилҳои муҳиме мебошанд, ки рушди минбаъдаи саноати эпитаксиалии GaN-ро маҳдуд мекунанд.
IV. Усулҳои маъмули эпитаксияи GaN
MOCVD (таҳшиншавии буғи кимиёвӣ)
Чунин ба назар мерасад, ки эпитаксияи якхела дар субстратҳои GaN беҳтарин интихоб барои эпитаксияи GaN мебошад. Аммо, азбаски пешгузаштаҳои таҳшиншавии буғи кимиёвӣ триметилгаллий ва аммиак ва гази интиқолдиҳанда гидроген мебошанд, ҳарорати маъмулии афзоиши MOCVD тақрибан 1000-1100℃ ва суръати афзоиши MOCVD тақрибан чанд микрон дар як соат аст. Он метавонад дар сатҳи атом интерфейсҳои нишеб эҷод кунад, ки барои парвариши гетерогузаришҳо, чоҳҳои квантӣ, суперкатҳо ва дигар сохторҳо хеле мувофиқ аст. Суръати афзоиши босуръати он, якрангии хуб ва мувофиқ будан барои афзоиши масоҳати калон ва бисёрқисмата аксар вақт дар истеҳсоли саноатӣ истифода мешавад.
Эпитаксияи шуои молекулавӣ (MBE)
Дар эпитаксияи шуои молекулавӣ, Ga аз манбаи элементӣ истифода мебарад ва нитрогени фаъол аз нитроген тавассути плазмаи RF ба даст оварда мешавад. Дар муқоиса бо усули MOCVD, ҳарорати афзоиши MBE тақрибан 350-400℃ пасттар аст. Ҳарорати пасти афзоиш метавонад аз ифлосшавии муайяне, ки метавонад аз муҳити ҳарорати баланд ба вуҷуд ояд, пешгирӣ кунад. Системаи MBE дар вакууми ултрабаланд кор мекунад, ки ба он имкон медиҳад усулҳои бештари ошкоркунии in-situ-ро муттаҳид кунад. Дар айни замон, суръати афзоиш ва иқтидори истеҳсолии онро бо MOCVD муқоиса кардан мумкин нест ва он бештар дар таҳқиқоти илмӣ истифода мешавад [7].
Тасвири 5 (а) схемаи Eiko-MBE (б) схемаи камераи реаксияи асосии MBE
Усули HVPE (эпитаксияи фазаи буғии гидридӣ)
Пешгузаштагони усули эпитаксияи фазаи буғи гидридӣ GaCl3 ва NH3 мебошанд. Детчпром ва ҳамкорон ин усулро барои парвариши қабати эпитаксиалии GaN бо ғафсии садҳо микрон дар сатҳи субстрати сапфир истифода бурданд. Дар таҷрибаи худ, як қабати ZnO байни субстрати сапфир ва қабати эпитаксиалӣ ҳамчун қабати буферӣ парвариш карда шуд ва қабати эпитаксиалӣ аз сатҳи субстрат ҷудо карда шуд. Дар муқоиса бо MOCVD ва MBE, хусусияти асосии усули HVPE суръати баланди афзоиши он аст, ки барои истеҳсоли қабатҳои ғафс ва маводҳои калон мувофиқ аст. Аммо, вақте ки ғафсии қабати эпитаксиалӣ аз 20 мкм зиёд мешавад, қабати эпитаксиалии истеҳсолшуда, ки бо ин усул ба кафидан дучор мешавад.
Ширкати Акира USUI технологияи субстрати нақшдорро, ки бар асоси ин усул асос ёфтааст, муаррифӣ кард. Онҳо аввал қабати тунуки эпитаксиалии GaN-ро бо ғафсии 1-1.5 мкм дар субстрати сапфир бо истифода аз усули MOCVD парвариш карданд. Қабати эпитаксиалӣ аз қабати буферии GaN-и ғафсии 20 нм, ки дар шароити ҳарорати паст парвариш карда шудааст ва қабати GaN-и дар шароити ҳарорати баланд парваришёфта иборат буд. Сипас, дар ҳарорати 430℃, қабати SiO2 дар рӯи қабати эпитаксиалӣ пӯшонида шуд ва дар плёнкаи SiO2 рахҳои тиреза бо роҳи фотолитография сохта шуданд. Фосилаи рахҳо 7 мкм ва паҳнои ниқоб аз 1 мкм то 4 мкм буд. Пас аз ин беҳбудӣ, онҳо қабати эпитаксиалии GaN-ро дар субстрати сапфирии диаметри 2 дюймӣ ба даст оварданд, ки ҳатто ҳангоми афзоиши ғафсӣ ба даҳҳо ё ҳатто садҳо микрон, бе тарқиш ва мисли оина ҳамвор буд. Зичии нуқсон аз 109-1010 см-2 аз усули анъанавии HVPE то тақрибан 6 × 107 см-2 кам карда шуд. Онҳо инчунин дар таҷриба қайд карданд, ки вақте суръати афзоиш аз 75 мкм/соат зиёд мешавад, сатҳи намуна ноҳамвор мешавад[8].
Расми 6 Схемаи зерқисмати графикӣ
V. Хулоса ва дурнамо
Маводҳои GaN соли 2014 пайдо шуданд, вақте ки LED-и нури кабуд дар он сол ҷоизаи Нобелро дар соҳаи физика ба даст овард ва ба соҳаи истифодаи пуркунии зуд дар соҳаи электроникаи истеъмолӣ ворид шуд. Дар асл, истифодаҳо дар тақвиятдиҳандаҳои барқ ва дастгоҳҳои RF, ки дар истгоҳҳои пойгоҳии 5G истифода мешаванд ва аксари одамон онҳоро дида наметавонанд, низ оҳиста пайдо шудаанд. Дар солҳои охир, интизор меравад, ки пешрафти дастгоҳҳои барқии GaN дар сатҳи автомобилӣ нуқтаҳои нави рушдро барои бозори истифодаи маводи GaN боз кунад.
Талаботи бузурги бозор бешубҳа рушди соҳаҳо ва технологияҳои марбут ба GaN-ро мусоидат хоҳад кард. Бо камол ва такмили занҷираи саноатии марбут ба GaN, мушкилоте, ки технологияи эпитаксиалии кунунии GaN бо онҳо рӯбарӯ мешавад, дар ниҳоят беҳтар ё бартараф карда мешаванд. Дар оянда, одамон бешубҳа технологияҳои нави эпитаксиалӣ ва имконоти беҳтари субстратро таҳия хоҳанд кард. То он вақт, одамон метавонанд мувофиқи хусусиятҳои сенарияҳои барнома технологияи тадқиқоти беруна ва субстрати мувофиқтаринро барои сенарияҳои гуногуни татбиқ интихоб кунанд ва маҳсулоти фармоишии рақобатпазиртаринро истеҳсол кунанд.
Вақти нашр: 28 июни соли 2024