तेस्रो-पुस्ता सेमीकन्डक्टरहरूको परिचय: GaN र सम्बन्धित एपिटेक्सियल टेक्नोलोजीहरू

1. तेस्रो-पुस्ता सेमिकन्डक्टरहरू

(१) पहिलो पुस्ताको अर्धचालक

पहिलो पुस्ताको अर्धचालक प्रविधि सिलिकन (Si) र जर्मेनियम (Ge) जस्ता सामग्रीमा आधारित छ। यी सामग्रीहरूले ट्रान्जिस्टर र एकीकृत सर्किट (आईसी) टेक्नोलोजीको लागि जग राख्यो, जसले 20 औं शताब्दीको इलेक्ट्रोनिक्स उद्योगको आधार स्थापित गर्यो।

(२) दोस्रो पुस्ताको अर्धचालक
दोस्रो पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीहरूमा मुख्यतया ग्यालियम आर्सेनाइड (GaAs), इन्डियम फस्फाइड (InP), ग्यालियम फस्फाइड (GaP), इन्डियम आर्सेनाइड (InAs), एल्युमिनियम आर्सेनाइड (AlAs), र तिनीहरूको त्रिगुट यौगिकहरू समावेश छन्। यी सामग्रीहरूले ओप्टोइलेक्ट्रोनिक सूचना उद्योगको मेरुदण्ड बनाउँदछ, जसले प्रकाश, डिस्प्ले, लेजर, फोटोभोल्टिक, र अन्य सम्बन्धित उद्योगहरूको विकासको नेतृत्व गरेको छ। तिनीहरू व्यापक रूपमा समकालीन सूचना प्रविधि र ओप्टोइलेक्ट्रोनिक प्रदर्शन उद्योगहरूमा प्रयोग गरिन्छ।

(३) तेस्रो पुस्ताको अर्धचालक
तेस्रो-पुस्ता अर्धचालकहरूको प्रतिनिधि सामग्रीमा ग्यालियम नाइट्राइड (GaN) र सिलिकन कार्बाइड (SiC) समावेश छन्। तिनीहरूको फराकिलो ब्यान्डग्याप, उच्च इलेक्ट्रोन संतृप्ति बहाव वेग, उच्च थर्मल चालकता, र ठूलो ब्रेकडाउन बिजुली क्षेत्रहरूको कारण, यी सामग्रीहरू उच्च शक्ति घनत्व, उच्च आवृत्ति, र कम-हानि इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरूको लागि आदर्श हुन्। SiC पावर उपकरणहरूमा उच्च ऊर्जा घनत्व, कम ऊर्जा खपत, र सानो आकार छ, तिनीहरूलाई विद्युतीय सवारी, फोटोभोल्टिक, रेल यातायात, र ठूलो डेटा क्षेत्रहरूमा अनुप्रयोगहरूको लागि उपयुक्त बनाउँछ। GaN RF यन्त्रहरूले उच्च आवृत्ति, उच्च शक्ति, फराकिलो ब्यान्डविथ, कम पावर खपत, र सानो आकारको सुविधा दिन्छ, जुन 5G संचार, इन्टरनेट अफ थिंग्स (IoT), र सैन्य रडार अनुप्रयोगहरूको लागि फाइदाजनक छ। थप रूपमा, GaN-आधारित पावर उपकरणहरू अब कम भोल्टेज अनुप्रयोगहरूमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ। उदीयमान ग्यालियम अक्साइड (Ga2O3) सामग्रीहरूले अवस्थित SiC र GaN प्रविधिहरू, विशेष गरी कम-फ्रिक्वेन्सी, उच्च-भोल्टेज अनुप्रयोगहरूमा पूरकको लागि सम्भाव्यता देखाउँछन्।

दोस्रो पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीको तुलनामा, तेस्रो-पुस्ताका सामग्रीमा फराकिलो ब्यान्डग्याप हुन्छ (सामान्य Si सँग लगभग १.१ eV, GaA लगभग 1.42 eV हुन्छ, जबकि GaN 2.3 eV भन्दा बढी हुन्छ), बलियो विकिरण प्रतिरोध, उच्च विद्युतीय क्षेत्रको प्रदर्शन र राम्रो प्रदर्शन, उच्च तापमान सहनशीलता। यी विशेषताहरूले तेस्रो-पुस्ताको अर्धचालक सामग्रीहरूलाई विकिरण-प्रतिरोधी, उच्च-फ्रिक्वेन्सी, उच्च-शक्ति, र उच्च-एकीकरण घनत्व इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरूको लागि विशेष रूपमा उपयुक्त बनाउँछ। तिनीहरूले माइक्रोवेभ RF उपकरणहरू, LEDs, लेजरहरू, र पावर उपकरणहरूमा महत्त्वपूर्ण प्रगति गर्दैछन्, र मोबाइल सञ्चार, स्मार्ट ग्रिडहरू, रेल यातायात, विद्युतीय सवारी, उपभोक्ता इलेक्ट्रोनिक्स, र पराबैंगनी र नीलो-हरियो प्रकाश उपकरणहरूमा आशाजनक सम्भावनाहरू देखाउँछन्।

चित्र १: बजार आकार र GaN पावर उपकरणहरूको पूर्वानुमान

2. GaN को संरचना र विशेषताहरू

ग्यालियम नाइट्राइड (GaN) यसको wurtzite संरचनामा कोठाको तापक्रममा लगभग 3.26 eV को ब्यान्डग्याप भएको प्रत्यक्ष ब्यान्डग्याप अर्धचालक हो। GaN मुख्यतया तीन क्रिस्टलीय संरचनाहरूमा अवस्थित छ: wurtzite, zincblende, र रक-साल्ट। यी मध्ये wurtzite संरचना सबैभन्दा स्थिर छ।चित्र २ ले GaN को हेक्सागोनल वर्टजाइट संरचना देखाउँछ। wurtzite संरचनामा, GaN हेक्सागोनल क्लोज-प्याक कन्फिगरेसनसँग सम्बन्धित छ। प्रत्येक एकाइ सेलमा 6 नाइट्रोजन (N) परमाणुहरू र 6 ग्यालियम (Ga) परमाणुहरू सहित 12 परमाणुहरू छन्। प्रत्येक Ga (N) परमाणु 4 निकटतम N (Ga) परमाणुहरूसँग बाँधिएको छ, [0001] दिशामा ABABAB... ढाँचा [2] मा स्ट्याकिंग अनुक्रम बनाउँछ।

चित्र २: GaN एकाइ सेलको Wurtzite संरचना

3. GaN Epitaxy को लागि साझा सब्सट्रेट्स

पहिलो नजरमा, GaN सब्सट्रेटहरूमा homoepitaxy GaN epitaxy को लागि इष्टतम विकल्प जस्तो देखिन्छ। यद्यपि, GaN को उच्च बन्ड ऊर्जाको कारण, यसको पग्लने बिन्दु (2500°C) मा, सम्बन्धित विघटन दबाव लगभग 4.5 GPa छ। यो दबाब मुनि, GaN पग्लिदैन तर सीधै विघटन हुन्छ। यसले परम्परागत सब्सट्रेट तयारी प्रविधिहरू, जस्तै Czochralski विधि, GaN एकल क्रिस्टल सब्सट्रेटहरूको तयारीको लागि अनुपयुक्त बनाउँछ। फलस्वरूप, GaN सब्सट्रेटहरू ठूलो मात्रामा उत्पादन गर्न गाह्रो हुन्छन् र महँगो हुन्छन्। तसर्थ, GaN epitaxy को लागि सामान्यतया प्रयोग हुने सब्सट्रेटहरूमा Si, SiC, र नीलमणि [3] समावेश छ।

चित्र ३: GaN र साझा सब्सट्रेट सामग्रीका प्यारामिटरहरू

(1) नीलमणिमा GaN Epitaxy

नीलमणि रासायनिक रूपमा स्थिर, सस्तो छ, र ठूलो उत्पादनमा परिपक्वताको उच्च डिग्री छ, यसलाई अर्धचालक उपकरण इन्जिनियरिङमा सबैभन्दा प्रारम्भिक र सबैभन्दा व्यापक रूपमा प्रयोग हुने सब्सट्रेट सामग्रीहरू मध्ये एक बनाउँछ। GaN epitaxy को लागि साझा सब्सट्रेटको रूपमा, नीलमणि सब्सट्रेटहरूले निम्न मुख्य मुद्दाहरूलाई सम्बोधन गर्न आवश्यक छ:

✔ उच्च जाली बेमेल: नीलमणि (Al2O3) र GaN बीचको जाली बेमेल महत्त्वपूर्ण छ (लगभग 15%), जसले एपिटेक्सियल तह र सब्सट्रेट बीचको इन्टरफेसमा उच्च दोष घनत्व निम्त्याउँछ। यस प्रतिकूल प्रभावलाई कम गर्नको लागि, सब्सट्रेटले एपिटेक्सियल प्रक्रिया सुरु हुनु अघि जटिल पूर्व-प्रशोधन गर्नुपर्छ। यसमा प्रदूषकहरू र अवशिष्ट पालिशिंग क्षति हटाउन पूर्ण सफाई, चरणहरू र चरण सतह संरचनाहरू सिर्जना गर्ने, एपिटेक्सियल तहको भिजाउने गुणहरू परिवर्तन गर्न सतह नाइट्रेडेशन, र अन्तमा पातलो AlN बफर तह (सामान्यतया 10-100 एनएम बाक्लो) जम्मा गर्ने समावेश छ। -अन्तिम एपिटेक्सियल वृद्धिको लागि तयारी गर्न तापमान एनेलिङ। यी उपायहरूको बावजुद, नीलमणि सब्सट्रेटहरूमा बढेको GaN एपिटेक्सियल फिल्महरूमा विस्थापन घनत्व उच्च रहन्छ (~ 10^10 cm^-2) सिलिकन वा GaAs (0 देखि 102-104 cm^-2 को अव्यवस्था घनत्व) मा homoepitaxy को तुलनामा। उच्च दोष घनत्वले वाहक गतिशीलता घटाउँछ, अल्पसंख्यक वाहक जीवनकाल छोटो पार्छ, र थर्मल चालकता घटाउँछ, यी सबैले यन्त्रको कार्यसम्पादनलाई कमजोर बनाउँछ[4]।

✔ थर्मल विस्तार गुणांक बेमेल: नीलमणिमा GaN भन्दा ठूलो थर्मल विस्तार गुणांक हुन्छ, जसको परिणामस्वरूप एपिटेक्सियल तह भित्र द्विअक्षीय कम्प्रेसिभ तनाव हुन्छ किनभने यो डिपोजिसन तापमानबाट कोठाको तापक्रममा चिसो हुन्छ। बाक्लो एपिटेक्सियल फिल्महरूका लागि, यो तनावले फिल्म वा सब्सट्रेट क्र्याकिंग हुन सक्छ।

✔ खराब थर्मल चालकता: अन्य सब्सट्रेटहरूको तुलनामा, नीलमणिमा कम थर्मल चालकता हुन्छ (~ ०.२५ Wcm^-1K^-1 100°C मा), जुन तातो अपव्ययको लागि हानिकारक छ।

✔ कम विद्युतीय चालकता: नीलमणिको खराब विद्युतीय चालकताले यसको एकीकरण र अन्य अर्धचालक यन्त्रहरूसँग प्रयोग गर्न बाधा पुर्‍याउँछ।

नीलमणिमा बढेको GaN एपिटेक्सियल तहहरूमा उच्च दोष घनत्व भएता पनि, GaN-आधारित नीलो-हरियो एलईडीहरूमा यसको अप्टिकल र इलेक्ट्रोनिक प्रदर्शन उल्लेखनीय रूपमा कम भएको देखिँदैन। तसर्थ, नीलमणि सब्सट्रेटहरू GaN-आधारित एलईडीहरूको लागि सामान्य रहन्छन्। यद्यपि, लेजरहरू र अन्य उच्च-घनत्व शक्ति उपकरणहरू जस्ता थप GaN यन्त्रहरू विकास हुँदै जाँदा, नीलमणि सब्सट्रेटहरूको अन्तर्निहित सीमाहरू बढ्दो रूपमा स्पष्ट हुँदै जान्छन्।

(2) SiC मा GaN Epitaxy

नीलमणिको तुलनामा, SiC सब्सट्रेटहरू (4H- र 6H-पोलिटाइपहरू) मा GaN एपिटाक्सियल तहहरू (3.1% [0001] दिशामा), उच्च थर्मल चालकता (लगभग 3.8 Wcm^-1K^-1) सँग सानो जाली बेमेल छ, र विद्युतीय चालकता जसले ब्याकसाइड विद्युतीय सम्पर्कहरूको लागि अनुमति दिन्छ, उपकरण संरचनाहरू सरल बनाउँछ। यी फाइदाहरूले SiC सब्सट्रेटहरूमा GaN एपिटेक्सी अन्वेषण गर्न अनुसन्धानकर्ताहरूको बढ्दो संख्यालाई आकर्षित गर्दछ। यद्यपि, SiC सब्सट्रेटहरूमा GaN epitaxial तहहरूको प्रत्यक्ष वृद्धिले पनि धेरै चुनौतीहरूको सामना गर्दछ:

✔ सतह रफनेस: SiC सब्सट्रेटहरूमा नीलमणि सब्सट्रेटहरू भन्दा धेरै उच्च सतह खुरदरा हुन्छ (नीलमणिको लागि 0.1 nm RMS, SiC को लागि 1 nm RMS)। SiC को उच्च कठोरता र कमजोर मेशिनिबिलिटीले यस नरमपन र अवशिष्ट पालिशिंग क्षतिमा योगदान पुर्‍याउँछ, जुन GaN एपिटेक्सियल तहहरूमा दोषहरूको स्रोत हो।

✔ उच्च थ्रेडिङ डिस्लोकेशन घनत्व: SiC सब्सट्रेटहरूमा उच्च थ्रेडिङ विस्थापन घनत्व (103-104 cm^-2) हुन्छ, जसले GaN एपिटेक्सियल तहमा प्रचार गर्न सक्छ र यन्त्रको प्रदर्शन घटाउन सक्छ।

✔ स्ट्याकिंग गल्तीहरू: सब्सट्रेट सतहमा आणविक व्यवस्थाले GaN एपिटेक्सियल तहहरूमा स्ट्याकिंग गल्तीहरू (BSFs) उत्पन्न गर्न सक्छ। SiC सब्सट्रेटमा बहुविध सम्भावित आणविक व्यवस्थाहरूले GaN तहमा गैर-एकसमान प्रारम्भिक आणविक स्ट्याकिंग अनुक्रमहरूमा नेतृत्व गर्दछ, स्ट्याकिंग त्रुटिहरूको सम्भावना बढाउँछ। सी-अक्षको छेउमा बीएसएफहरूले बिल्ट-इन बिजुली क्षेत्रहरू प्रस्तुत गर्दछ, जसले यन्त्रहरूमा क्यारियर विभाजन र चुहावट समस्याहरू निम्त्याउँछ।

✔ थर्मल विस्तार गुणांक बेमेल: SiC को थर्मल विस्तार गुणांक AlN र GaN को भन्दा सानो छ, जसले शीतलनको समयमा एपिटेक्सियल तह र सब्सट्रेट बीच थर्मल तनाव संचय गर्न नेतृत्व गर्दछ। Waltereit र ब्रान्डको अनुसन्धानले सुझाव दिन्छ कि यस समस्यालाई पातलो, सुसंगत रूपमा तनावपूर्ण AlN न्यूक्लिएशन तहमा GaN एपिटेक्सियल तह बढाएर कम गर्न सकिन्छ।

✔ Ga परमाणुको कमजोर भिजाउने: Ga परमाणुहरूको कमजोर भिजाउने कारणले SiC सतहहरूमा GaN को प्रत्यक्ष वृद्धि गाह्रो छ। GaN 3D टापु मोडमा बढ्छ, बफर तहहरू परिचय epitaxial सामग्रीको गुणस्तर सुधार गर्न एक साझा समाधान हो। AlN वा AlxGa1-xN बफर तहहरू प्रस्तुत गर्दा SiC सतहमा भिजाउने सुधार गर्न सकिन्छ, GaN एपिटाक्सियल तहको 2D वृद्धिलाई बढावा दिन र तनाव परिमार्जन गर्न र सब्सट्रेट दोषहरूलाई GaN तहमा फैलिनबाट रोक्नको लागि कार्य गर्दछ।

✔ उच्च लागत र सीमित आपूर्ति: SiC सब्सट्रेट तयारी प्रविधि अपरिपक्व छ, जसले उच्च सब्सट्रेट लागत र केही विक्रेताहरूबाट सीमित आपूर्ति निम्त्याउँछ।

Torres et al द्वारा अनुसन्धान। उच्च तापक्रम (1600°C) मा H2 सँग पूर्व-एचिंग SiC सब्सट्रेटहरूले थप व्यवस्थित चरण संरचनाहरू सिर्जना गर्दछ, जसको परिणामस्वरूप उच्च गुणस्तरको AlN एपिटेक्सियल फिल्महरू सिधै उपचार नगरिएको सब्सट्रेटहरूमा बढेको तुलनामा हुन्छ। Xie र उनको टोलीले पनि प्रदर्शन गर्‍यो कि SiC सब्सट्रेटको नक्काशी प्रिट्रीटमेन्टले GaN एपिटेक्सियल तहहरूको सतह मोर्फोलोजी र क्रिस्टल गुणस्तरमा उल्लेखनीय सुधार गर्दछ। स्मिथ र अन्य। सब्सट्रेट/बफर लेयर र बफर लेयर/एपिटेक्सियल लेयर इन्टरफेसहरूबाट थ्रेडिङ डिसलोकेशनहरू सब्सट्रेट फ्ल्याटनेससँग सम्बन्धित छन् भनेर फेला पर्यो।

चित्र 4: विभिन्न सतह उपचार अन्तर्गत 6H-SiC सब्सट्रेटहरूको अनुहार (0001) मा बढेको GaN एपिटेक्सियल तहहरूको TEM मोर्फोलजी: (क) रासायनिक सफाई; (b) रासायनिक सफाई + हाइड्रोजन प्लाज्मा उपचार; © रासायनिक सफाई + हाइड्रोजन प्लाज्मा उपचार + 1300 डिग्री सेल्सियस हाइड्रोजन थर्मल उपचार 30 मिनेटको लागि

(३) GaN Epitaxy on Si

SiC र नीलमणि सब्सट्रेटहरूको तुलनामा, सिलिकन सब्सट्रेटहरूले परिपक्व तयारी प्रक्रियाहरू, स्थिर ठूलो आकारको सब्सट्रेट आपूर्ति, लागत-प्रभावकारिता, र उत्कृष्ट थर्मल र विद्युतीय चालकताको घमण्ड गर्दछ। थप रूपमा, परिपक्व सिलिकन इलेक्ट्रोनिक उपकरण टेक्नोलोजीले सिलिकन इलेक्ट्रोनिक उपकरणहरूसँग अप्टोइलेक्ट्रोनिक GaN उपकरणहरूको उत्तम एकीकरणको लागि सम्भाव्यता प्रदान गर्दछ, जसले सिलिकनमा GaN एपिटेक्सीलाई अत्यधिक आकर्षक बनाउँछ। यद्यपि, Si substrates र GaN सामग्रीहरू बीचको महत्त्वपूर्ण जाली स्थिर बेमेलले धेरै चुनौतीहरू प्रस्तुत गर्दछ।

✔ इन्टरफेस ऊर्जा समस्याहरू: जब GaN Si सब्सट्रेटहरूमा बढ्छ, Si सतहले पहिले एक अनाकार SiNx तह बनाउँछ, जुन उच्च-घनत्व GaN न्यूक्लिएशनको लागि हानिकारक हुन्छ। थप रूपमा, Si सतहहरूले प्रारम्भिक रूपमा Ga सँग प्रतिक्रिया गर्दछ, जसले सतहको क्षरण निम्त्याउँछ, र उच्च तापमानमा, Si सतहको विघटनले कालो सिलिकन धब्बाहरू बनाउँदै GaN एपिटेक्सियल तहमा फैलिन सक्छ।

✔ जाली बेमेल: GaN र Si बीचको ठूलो जाली स्थिर बेमेल (~ 17%) ले उच्च-घनत्व थ्रेडिङ विस्थापनमा परिणाम दिन्छ, जसले एपिटेक्सियल तहको गुणस्तरलाई उल्लेखनीय रूपमा घटाउँछ।

✔ थर्मल विस्तार गुणांक बेमेल: GaN सँग Si (GaN ~5.6×10^-6 K^-1, Si ~2.6×10^-6 K^-1) भन्दा ठूलो थर्मल विस्तार गुणांक छ, जसले GaN मा दरार उत्पन्न गर्न सक्छ। epitaxial तह epitaxial वृद्धि तापमान देखि कोठा को तापमान को लागि चिसो समयमा।

✔ उच्च-तापमान प्रतिक्रियाहरू: Si ले उच्च तापक्रममा NH3 सँग प्रतिक्रिया गर्छ, पोलिक्रिस्टलाइन SiNx बनाउँछ। AlN ले पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx मा प्राथमिकतात्मक रूपमा न्यूक्लिट गर्न सक्दैन, जसले धेरै उच्च दोष घनत्वको साथ उच्च विचलित GaN वृद्धिको लागि नेतृत्व गर्दछ, यसले एकल-क्रिस्टल GaN एपिटेक्सियल तहहरू गठन गर्न चुनौतीपूर्ण बनाउँछ [6]।

ठूलो जाली बेमेललाई सम्बोधन गर्न, शोधकर्ताहरूले Si substrates मा बफर तह रूपमा AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO, र SiC जस्ता सामग्रीहरू परिचय गर्ने प्रयास गरेका छन्। Polycrystalline SiNx को गठन रोक्न र GaN/AlN/Si (111) को क्रिस्टल गुणस्तरमा यसको प्रतिकूल प्रभावहरू कम गर्न, TML सामान्यतया AlN बफर तहको एपिटेक्सियल वृद्धि अघि NH3 लाई उजागर गरिएको Si सतहसँग प्रतिक्रिया गर्नबाट रोक्नको लागि पेश गरिन्छ। थप रूपमा, ढाँचायुक्त सब्सट्रेटहरू जस्ता प्रविधिहरू एपिटेक्सियल तह गुणस्तर सुधार गर्न प्रयोग गरिन्छ। यी विकासहरूले एपिटेक्सियल इन्टरफेसमा SiNx को गठनलाई दबाउन मद्दत गर्दछ, GaN epitaxial तहको 2D वृद्धिलाई बढावा दिन्छ, र वृद्धिको गुणस्तर बढाउँछ। AlN बफर तहहरू परिचयले थर्मल विस्तार गुणांकहरूमा भिन्नताहरूको कारणले गर्दा तन्य तनावको लागि क्षतिपूर्ति दिन्छ, सिलिकन सब्सट्रेटहरूमा GaN तहमा दरारहरू रोक्न। क्रोस्टको अनुसन्धानले AlN बफर तह मोटाई र कम तनाव बीचको सकारात्मक सम्बन्धलाई संकेत गर्दछ, सिलिकन सब्सट्रेटहरूमा 6 μm भन्दा बढी बाक्लो एपिटेक्सियल तहहरू क्र्याक नगरी, उपयुक्त वृद्धि योजनाहरू मार्फत बृद्धि गर्न अनुमति दिन्छ।

विस्तृत अनुसन्धान प्रयासहरूको लागि धन्यवाद, सिलिकन सब्सट्रेटहरूमा बढेको GaN epitaxial तहहरूको गुणस्तरमा उल्लेखनीय सुधार भएको छ। फिल्ड-इफेक्ट ट्रान्जिस्टरहरू, Schottky ब्यारियर पराबैंगनी डिटेक्टरहरू, नीलो-हरियो LEDs, र पराबैंगनी लेजरहरूले सबै महत्त्वपूर्ण प्रगति गरेका छन्।

निष्कर्षमा, सामान्य GaN एपिटेक्सियल सब्सट्रेटहरू सबै हेटेरोएपिटेक्सियल हुन्, जाली बेमेल र थर्मल विस्तार गुणांक भिन्नताहरूको विभिन्न डिग्रीहरू सामना गर्दै। Homoepitaxial GaN सब्सट्रेटहरू अपरिपक्व टेक्नोलोजी, उच्च उत्पादन लागत, सानो सब्सट्रेट आकार, र suboptimal गुणस्तर द्वारा सीमित छन्, नयाँ GaN epitaxial सब्सट्रेटको विकास र थप उद्योग प्रगतिको लागि epitaxial गुणस्तर महत्वपूर्ण कारकहरूको सुधार।

4. GaN Epitaxy को लागि साझा विधिहरू

(1) MOCVD (धातु-जैविक रासायनिक वाष्प निक्षेप)

GaN सब्सट्रेटहरूमा homoepitaxy GaN epitaxy को लागि इष्टतम विकल्प जस्तो देखिन्छ, मेटल-अर्गानिक केमिकल भाप डिपोजिसन (MOCVD) ले महत्त्वपूर्ण फाइदाहरू प्रदान गर्दछ। ट्राइमेथाइलग्यालियम र अमोनियालाई अग्रदूतको रूपमा र हाइड्रोजनलाई वाहक ग्यासको रूपमा प्रयोग गरेर, MOCVD सामान्यतया 1000-1100 डिग्री सेल्सियस वरिपरि वृद्धि तापमानमा सञ्चालन हुन्छ। MOCVD को वृद्धि दर प्रति घण्टा धेरै माइक्रोमिटर को दायरा मा छ। यो विधिले परमाणु रूपमा तीखो इन्टरफेसहरू उत्पादन गर्न सक्छ, यसलाई बढ्दो हेटेरोजंक्शनहरू, क्वान्टम वेलहरू, र सुपरल्याटिसहरूका लागि आदर्श बनाउँदछ। यसको अपेक्षाकृत उच्च वृद्धि गति, उत्कृष्ट एकरूपता, र ठूलो क्षेत्र र बहु-वेफर वृद्धिको लागि उपयुक्तताले यसलाई औद्योगिक उत्पादनको लागि मानक विधि बनाउँछ।

(२) MBE (आणविक बीम एपिटेक्सी)

आणविक बीम एपिटेक्सी (एमबीई) मा, मौलिक स्रोतहरू ग्यालियमको लागि प्रयोग गरिन्छ, र सक्रिय नाइट्रोजन नाइट्रोजन ग्याँसबाट आरएफ प्लाज्मा मार्फत उत्पन्न हुन्छ। MOCVD को तुलनामा, MBE ले 350-400°C को वरिपरि, उल्लेखनीय रूपमा कम वृद्धि तापमानमा काम गर्छ। यो कम तापक्रमले उच्च-तापमान वातावरणमा उत्पन्न हुन सक्ने प्रदूषणका केही समस्याहरूबाट बच्न सक्छ। MBE प्रणालीहरूले अति-उच्च भ्याकुम अवस्थाहरूमा काम गर्दछ, थप इन-सिटु निगरानी प्रविधिहरूको एकीकरणको लागि अनुमति दिँदै। जे होस्, MBE को विकास दर र उत्पादन क्षमता MOCVD सँग मेल खाँदैन, यसलाई अनुसन्धान अनुप्रयोगहरूको लागि थप उपयुक्त बनाउँदै [7]।

चित्र 5: (a) Eiko-MBE को योजनाबद्ध (b) MBE मुख्य प्रतिक्रिया चेम्बर को योजनाबद्ध

(३) HVPE (हाइड्राइड भाप फेज एपिटेक्सी)

Hydride Vapor Fase Epitaxy (HVPE) ले GaCl3 र NH3 लाई अग्रसरको रूपमा प्रयोग गर्दछ। Detchprohm et al। नीलमणि सब्सट्रेटहरूमा धेरै सय माइक्रोमिटर बाक्लो GaN एपिटेक्सियल तहहरू बढाउन यो विधि प्रयोग गरियो। तिनीहरूको प्रयोगहरूमा, एक ZnO बफर तह नीलमणि सब्सट्रेट र एपिटेक्सियल तहको बीचमा बढेको थियो, जसले एपिटेक्सियल तहलाई सब्सट्रेट सतहबाट बाहिर निकाल्न अनुमति दियो। MOCVD र MBE को तुलनामा, HVPE को प्राथमिक लाभ यसको उच्च वृद्धि दर हो, यसले यसलाई मोटो तह र बल्क सामग्री उत्पादन गर्न उपयुक्त बनाउँछ। यद्यपि, जब एपिटेक्सियल तहको मोटाई 20μm भन्दा बढी हुन्छ, HVPE द्वारा बढेको तहहरू क्र्याक हुने सम्भावना हुन्छ।

अकिरा USUI ले HVPE विधिमा आधारित ढाँचायुक्त सब्सट्रेट प्रविधि प्रस्तुत गर्‍यो। सुरुमा, 1-1.5μm बाक्लो पातलो GaN एपिटेक्सियल तह MOCVD प्रयोग गरेर नीलमणि सब्सट्रेटमा हुर्किएको थियो। यो तहमा 20nm बाक्लो कम-तापमान GaN बफर तह र उच्च-तापमान GaN तह समावेश थियो। पछि, 430 डिग्री सेल्सियसमा, एपिटेक्सियल तहको सतहमा SiO2 को एक तह जम्मा गरियो, र फोटोलिथोग्राफी मार्फत SiO2 फिल्ममा विन्डो स्ट्रिपहरू सिर्जना गरियो। स्ट्रिप स्पेसिङ 7μm थियो, मास्कको चौडाइ 1μm देखि 4μm सम्मको थियो। यो परिमार्जनले तिनीहरूलाई 2-इन्च व्यास नीलमणि सब्सट्रेटहरूमा GaN epitaxial तहहरू उत्पादन गर्न सक्षम बनायो, जुन मोटाई दसौं वा सयौं माइक्रोमिटरसम्म बढ्दा पनि क्र्याक-रहित र मिरर-स्मूथ रह्यो। दोष घनत्व परम्परागत HVPE विधिको 109-1010 cm^-2 बाट लगभग 6×10^7 cm^-2 मा घटाइएको थियो। तिनीहरूले यो पनि नोट गरे कि नमूना सतह नराम्रो भयो जब वृद्धि दर 75μm/h [8] नाघेको थियो। 

                                                                                                                   

                                                                                                                                     चित्र 6: प्याटर्न गरिएको सब्सट्रेटको योजनाबद्ध

५। सारांश र आउटलुक

विशाल बजार मागले निस्सन्देह GaN-सम्बन्धित उद्योगहरू र प्रविधिहरूमा महत्त्वपूर्ण प्रगतिहरू ड्राइभ गर्नेछ। GaN को लागि औद्योगिक चेन परिपक्व र सुधार हुँदै जाँदा, GaN एपिटेक्सीमा रहेका वर्तमान चुनौतिहरूलाई अन्ततः कम वा पार गरिनेछ। भविष्यका विकासहरूले सम्भवतः नयाँ एपिटेक्सियल प्रविधिहरू र उत्कृष्ट सब्सट्रेट विकल्पहरू परिचय गराउनेछन्। यस प्रगतिले विभिन्न अनुप्रयोग परिदृश्यहरूको विशेषताहरूमा आधारित सबैभन्दा उपयुक्त एपिटेक्सियल टेक्नोलोजी र सब्सट्रेटको चयनलाई सक्षम पार्नेछ, जसले अत्यधिक प्रतिस्पर्धी, अनुकूलित उत्पादनहरूको उत्पादनको लागि नेतृत्व गर्दछ।**

सन्दर्भ:

[१] "ध्यान" अर्धचालक सामग्री-ग्यालियम नाइट्राइड (baidu.com)

[२] Tang Linjiang, Wan Chengan, Zhang Minghua, Li Ying, फराकिलो ब्यान्डग्याप अर्धचालक सामग्री SiC र GaN को अनुसन्धान स्थिति, सैन्य र नागरिक दोहोरो प्रयोग प्रविधि र उत्पादनहरू, मार्च 2020, अंक 437, 21-28।

[३] वाङ हुआन, तियान ये, सिलिकन सब्सट्रेटमा ग्यालियम नाइट्राइडको ठूलो बेमेल तनाव नियन्त्रण विधिमा अनुसन्धान, विज्ञान र प्रविधि नवाचार र अनुप्रयोग, अंक ३, २०२३

[४]L.Liu, J.H.Edgar, ग्यालियम नाइट्राइड एपिटेक्सीका लागि सब्सट्रेट्स, सामग्री विज्ञान र ईन्जिनियरिङ् आर, 37(2002) 61-127।

[५] P.Ruterana, Philippe Vermaut, G.Nouet, A.Salvador, H.Morkoc, MBE, MRS Internet J द्वारा 6H-SiC को (0001) Si सतहमा 2H-GaN वृद्धिमा सतह उपचार र तह संरचना। नाइट्राइड सेमीकोन्ड। Res.2 (1997) 42।

[६] M.A. Sanchez-Garcia, F.B. Naranjo, J.L.Pau, A.Jimenez, E.Calleja, E.Munoz, GaN/AlGaN एकल-हेटेरोजंक्शन प्रकाश-उत्सर्जक डायोडहरूमा पराबैंगनी इलेक्ट्रोल्युमिनेसेन्स, Si(111), जर्नल अफ एप्लाइड फिजिक्स 87,1569(2000)।

[७] सिनकियाङ वाङ, अकिहिको योशिकावा, गाएन, एलएन र इन एनको आणविक बीम एपिटेक्सी वृद्धि, क्रिस्टल ग्रोथ र सामग्रीको विशेषतामा प्रगति ४८/४९ (२००४) ४२-१०३।

[८] अकिरा उसुई, हारुओ सुनाकावा, अकिरा साकाई र ए. अत्सुशी यामागुची, हाइड्राइड वाष्प चरण एपिटेक्सी, जेपीएन द्वारा कम विस्थापन घनत्वको साथ बाक्लो GaN एपिटेक्सियल वृद्धि। J. Appl फिज। भोल्युम 36 (1997) pp.899-902।