थर्ड-जनरेशन सेमीकंडक्टर्सचा परिचय: GaN आणि संबंधित एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञान

1. थर्ड-जनरेशन सेमीकंडक्टर

(1) पहिल्या पिढीतील सेमीकंडक्टर

पहिल्या पिढीतील सेमीकंडक्टर तंत्रज्ञान सिलिकॉन (Si) आणि जर्मेनियम (Ge) सारख्या सामग्रीवर आधारित आहे. या सामग्रीने ट्रान्झिस्टर आणि इंटिग्रेटेड सर्किट (IC) तंत्रज्ञानाचा पाया घातला, ज्यामुळे 20 व्या शतकातील इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योगाचा पाया स्थापित झाला.

(२) दुसऱ्या पिढीतील सेमीकंडक्टर
दुस-या पिढीतील अर्धसंवाहक पदार्थांमध्ये प्रामुख्याने गॅलियम आर्सेनाइड (GaAs), इंडियम फॉस्फाइड (InP), गॅलियम फॉस्फाइड (GaP), इंडियम आर्सेनाइड (InAs), ॲल्युमिनियम आर्सेनाइड (AlAs) आणि त्यांचे त्रिगुणात्मक संयुगे यांचा समावेश होतो. ही सामग्री ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक माहिती उद्योगाचा कणा आहे, ज्यामुळे प्रकाश, प्रदर्शन, लेसर, फोटोव्होल्टेइक आणि इतर संबंधित उद्योगांचा विकास झाला आहे. ते समकालीन माहिती तंत्रज्ञान आणि ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक डिस्प्ले उद्योगांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरले जातात.

(3) थर्ड-जनरेशन सेमीकंडक्टर
थर्ड-जनरेशन सेमीकंडक्टरच्या प्रतिनिधी सामग्रीमध्ये गॅलियम नायट्राइड (GaN) आणि सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) यांचा समावेश होतो. त्यांच्या विस्तृत बँडगॅपमुळे, उच्च इलेक्ट्रॉन संपृक्ततेचा प्रवाह वेग, उच्च थर्मल चालकता आणि मोठ्या प्रमाणात ब्रेकडाउन इलेक्ट्रिक फील्डमुळे, हे साहित्य उच्च उर्जा घनता, उच्च वारंवारता आणि कमी-तोटा इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांसाठी आदर्श आहेत. SiC पॉवर डिव्हाइसेसमध्ये उच्च ऊर्जा घनता, कमी ऊर्जा वापर आणि लहान आकार असतो, ज्यामुळे ते इलेक्ट्रिक वाहने, फोटोव्होल्टेइक, रेल्वे वाहतूक आणि बिग डेटा क्षेत्रातील अनुप्रयोगांसाठी योग्य बनतात. GaN RF डिव्हाइसेसमध्ये उच्च वारंवारता, उच्च उर्जा, विस्तृत बँडविड्थ, कमी उर्जा वापर आणि लहान आकाराची वैशिष्ट्ये आहेत, जी 5G संप्रेषण, इंटरनेट ऑफ थिंग्ज (IoT) आणि लष्करी रडार अनुप्रयोगांसाठी फायदेशीर आहेत. याव्यतिरिक्त, GaN-आधारित उर्जा उपकरणे आता कमी-व्होल्टेज अनुप्रयोगांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरली जातात. उदयोन्मुख गॅलियम ऑक्साईड (Ga2O3) सामग्री देखील विद्यमान SiC आणि GaN तंत्रज्ञानास पूरक होण्याची क्षमता दर्शविते, विशेषत: कमी-फ्रिक्वेंसी, उच्च-व्होल्टेज अनुप्रयोगांमध्ये.

दुस-या पिढीतील अर्धसंवाहक सामग्रीच्या तुलनेत, तिसऱ्या पिढीतील सामग्रीमध्ये विस्तीर्ण बँडगॅप्स असतात (सामान्य Si मध्ये सुमारे 1.1 eV, GaAs सुमारे 1.42 eV, तर GaN 2.3 eV पेक्षा जास्त असते), मजबूत रेडिएशन प्रतिरोध, उच्च विद्युत क्षेत्राचा बिघाड आणि चांगले कार्यप्रदर्शन, उच्च तापमान सहनशक्ती. ही वैशिष्ट्ये तृतीय-पिढीतील अर्धसंवाहक सामग्री विशेषतः रेडिएशन-प्रतिरोधक, उच्च-फ्रिक्वेंसी, उच्च-शक्ती आणि उच्च-एकीकरण घनतेच्या इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांसाठी योग्य बनवतात. ते मायक्रोवेव्ह RF उपकरणे, LEDs, लेझर आणि उर्जा उपकरणांमध्ये लक्षणीय प्रगती करत आहेत आणि मोबाइल संप्रेषण, स्मार्ट ग्रिड, रेल्वे वाहतूक, इलेक्ट्रिक वाहने, ग्राहक इलेक्ट्रॉनिक्स आणि अल्ट्राव्हायोलेट आणि निळ्या-हिरव्या प्रकाश उपकरणांमध्ये आशादायक संभावना दर्शवित आहेत[1].

आकृती 1: बाजाराचा आकार आणि GaN पॉवर उपकरणांचा अंदाज

2. GaN ची रचना आणि वैशिष्ट्ये

गॅलियम नायट्राइड (GaN) हा त्याच्या wurtzite संरचनेत खोलीच्या तपमानावर अंदाजे 3.26 eV च्या बँडगॅपसह थेट बँडगॅप अर्धसंवाहक आहे. GaN प्रामुख्याने तीन क्रिस्टलीय रचनांमध्ये अस्तित्वात आहे: wurtzite, zincblende आणि रॉक-मीठ. यापैकी व्हर्टझाइट रचना सर्वात स्थिर आहे.आकृती 2 GaN ची षटकोनी wurtzite रचना प्रदर्शित करते. Wurtzite संरचनेत, GaN हे षटकोनी क्लोज-पॅक कॉन्फिगरेशनशी संबंधित आहे. प्रत्येक युनिट सेलमध्ये 6 नायट्रोजन (N) अणू आणि 6 गॅलियम (Ga) अणूंसह 12 अणू असतात. प्रत्येक Ga (N) अणू 4 जवळच्या N (Ga) अणूंशी जोडलेला असतो, ABABAB… पॅटर्न[2] मध्ये [0001] दिशेने एक स्टॅकिंग क्रम तयार करतो.

आकृती 2: GaN युनिट सेलची Wurtzite संरचना

3. GaN Epitaxy साठी सामान्य सबस्ट्रेट्स

पहिल्या दृष्टीक्षेपात, GaN सब्सट्रेट्सवरील होमोएपिटॅक्सी हा GaN एपिटॅक्सीसाठी इष्टतम पर्याय असल्याचे दिसते. तथापि, GaN च्या उच्च बाँड ऊर्जेमुळे, त्याच्या वितळण्याच्या बिंदूवर (2500°C), संबंधित विघटन दाब अंदाजे 4.5 GPa आहे. या दाबाखाली, GaN वितळत नाही तर थेट विघटित होते. यामुळे पारंपारिक सब्सट्रेट तयार करण्याचे तंत्र, जसे की झोक्राल्स्की पद्धत, जीएएन सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेट्स तयार करण्यासाठी अयोग्य बनते. परिणामी, GaN सब्सट्रेट्स मोठ्या प्रमाणात उत्पादन करणे कठीण आणि महाग आहेत. म्हणून, GaN एपिटॅक्सीसाठी सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या सब्सट्रेट्समध्ये Si, SiC आणि नीलम यांचा समावेश होतो[3].

आकृती 3: GaN आणि सामान्य सब्सट्रेट सामग्रीचे पॅरामीटर्स

(1) नीलम वर GaN Epitaxy

नीलम हे रासायनिकदृष्ट्या स्थिर, स्वस्त आहे आणि मोठ्या प्रमाणात उत्पादनामध्ये उच्च प्रमाणात परिपक्वता आहे, ज्यामुळे ते अर्धसंवाहक उपकरण अभियांत्रिकीमध्ये सर्वात जुने आणि सर्वाधिक वापरले जाणारे सब्सट्रेट सामग्री बनते. GaN epitaxy साठी एक सामान्य सब्सट्रेट म्हणून, नीलम सब्सट्रेट्सना खालील प्रमुख समस्यांचे निराकरण करणे आवश्यक आहे:

✔ उच्च जाळी जुळत नाही: नीलम (Al2O3) आणि GaN यांच्यातील जाळीचा विसंगत लक्षणीय आहे (अंदाजे 15%), ज्यामुळे एपिटॅक्सियल लेयर आणि सब्सट्रेट यांच्यातील इंटरफेसमध्ये उच्च दोष घनता निर्माण होते. हा प्रतिकूल परिणाम कमी करण्यासाठी, एपिटॅक्सियल प्रक्रिया सुरू होण्यापूर्वी सब्सट्रेटला जटिल पूर्व-प्रक्रिया करणे आवश्यक आहे. यामध्ये दूषित घटक काढून टाकण्यासाठी कसून साफसफाई करणे आणि पॉलिशिंगचे अवशेष नुकसान, पायऱ्या आणि स्टेप पृष्ठभाग संरचना तयार करणे, एपिटॅक्सियल लेयरच्या ओल्या गुणधर्मांमध्ये बदल करण्यासाठी पृष्ठभागाचे नायट्रिडेशन आणि शेवटी एक पातळ AlN बफर स्तर (सामान्यत: 10-100 nm जाडी) जमा करणे समाविष्ट आहे. -अंतिम एपिटॅक्सियल वाढीची तयारी करण्यासाठी तापमान एनीलिंग. हे उपाय असूनही, सिलिकॉन किंवा GaAs (0 ते 102-104 cm^-2 ची विस्थापन घनता) वरील होमोएपिटॅक्सीच्या तुलनेत नीलमच्या थरांवर उगवलेल्या GaN एपिटॅक्सियल फिल्म्समधील विस्थापन घनता जास्त (~10^10 cm^-2) राहते. उच्च दोष घनता वाहक गतिशीलता कमी करते, अल्पसंख्याक वाहक जीवनकाल कमी करते आणि थर्मल चालकता कमी करते, हे सर्व डिव्हाइस कार्यक्षमतेत बिघाड करतात[4].

✔ थर्मल विस्तार गुणांक जुळत नाही: नीलममध्ये GaN पेक्षा जास्त थर्मल विस्तार गुणांक असतो, परिणामी एपिटॅक्सियल लेयरमध्ये द्विअक्षीय संकुचित ताण येतो कारण ते तापमानापासून खोलीच्या तापमानापर्यंत थंड होते. जाड एपिटॅक्सियल फिल्म्ससाठी, या ताणामुळे फिल्म किंवा अगदी सब्सट्रेट क्रॅक होऊ शकते.

✔ खराब थर्मल चालकता: इतर सब्सट्रेट्सच्या तुलनेत, नीलमची थर्मल चालकता कमी असते (~0.25 Wcm^-1K^-1 100°C वर), जी उष्णता नष्ट होण्यासाठी गैरसोय करते.

✔ कमी विद्युत चालकता: नीलमची खराब विद्युत चालकता इतर सेमीकंडक्टर उपकरणांसह त्याचे एकत्रीकरण आणि अनुप्रयोगास अडथळा आणते.

नीलमणीवर उगवलेल्या GaN एपिटॅक्सियल लेयर्समध्ये उच्च दोष घनता असूनही, GaN-आधारित निळ्या-हिरव्या LEDs मध्ये त्याची ऑप्टिकल आणि इलेक्ट्रॉनिक कामगिरी लक्षणीयरीत्या कमी झालेली दिसत नाही. म्हणून, GaN-आधारित LEDs साठी नीलम सबस्ट्रेट्स सामान्य राहतात. तथापि, लेसर आणि इतर उच्च-घनता उर्जा उपकरणांसारखी अधिक GaN उपकरणे विकसित होत असताना, नीलमच्या सब्सट्रेट्सच्या अंतर्निहित मर्यादा अधिकाधिक स्पष्ट होत जातात.

(2) SiC वर GaN Epitaxy

नीलमच्या तुलनेत, SiC सबस्ट्रेट्स (4H- आणि 6H-पॉलीटाइप) मध्ये GaN एपिटॅक्सियल लेयर्स (3.1% [0001] दिशेने), उच्च थर्मल चालकता (अंदाजे 3.8 Wcm^-1K^-1), आणि विद्युत चालकता जी मागील बाजूस विद्युत संपर्कांना परवानगी देते, डिव्हाइस संरचना सुलभ करते. या फायद्यांमुळे SiC सबस्ट्रेट्सवर GaN एपिटॅक्सीचा शोध घेण्यासाठी संशोधकांची संख्या वाढत आहे. तथापि, SiC सब्सट्रेट्सवर GaN एपिटॅक्सियल लेयरच्या थेट वाढीला देखील अनेक आव्हानांचा सामना करावा लागतो:

✔ पृष्ठभागाचा खडबडीतपणा: SiC सब्सट्रेट्समध्ये नीलम सब्सट्रेट्सपेक्षा पृष्ठभागाची खडबडीत जास्त असते (नीलमसाठी 0.1 nm RMS, SiC साठी 1 nm RMS). SiC ची उच्च कडकपणा आणि खराब यंत्रक्षमता या खडबडीत आणि अवशिष्ट पॉलिशिंग नुकसानास कारणीभूत ठरते, जे GaN एपिटॅक्सियल स्तरांमधील दोषांचे स्रोत आहेत.

✔ हाय थ्रेडिंग डिस्लोकेशन डेन्सिटी: SiC सब्सट्रेट्समध्ये उच्च थ्रेडिंग डिस्लोकेशन डेन्सिटी (103-104 cm^-2) असते, जी GaN एपिटॅक्सियल लेयरमध्ये प्रसारित होऊ शकते आणि डिव्हाइसची कार्यक्षमता कमी करू शकते.

✔ स्टॅकिंग फॉल्ट्स: सब्सट्रेट पृष्ठभागावरील अणू व्यवस्थेमुळे GaN एपिटॅक्सियल लेयर्समध्ये स्टॅकिंग फॉल्ट्स (BSFs) होऊ शकतात. SiC सब्सट्रेटवरील बहुविध संभाव्य अणू व्यवस्थांमुळे GaN स्तरामध्ये एकसमान प्रारंभिक अणू स्टॅकिंग अनुक्रम तयार होतात, ज्यामुळे स्टॅकिंग फॉल्टची शक्यता वाढते. सी-अक्षासह BSF अंगभूत विद्युत क्षेत्रे सादर करतात, ज्यामुळे वाहक वेगळे होणे आणि उपकरणांमध्ये गळती समस्या निर्माण होतात.

✔ थर्मल विस्तार गुणांक जुळत नाही: SiC चे थर्मल विस्तार गुणांक AlN आणि GaN पेक्षा लहान आहे, ज्यामुळे शीतकरण दरम्यान एपिटॅक्सियल लेयर आणि सब्सट्रेट दरम्यान थर्मल ताण जमा होतो. वॉल्टेरिट आणि ब्रँडचे संशोधन असे सूचित करते की ही समस्या एका पातळ, सुसंगतपणे ताणलेल्या AlN न्यूक्लिएशन लेयरवर GaN एपिटॅक्सियल लेयर वाढवून कमी केली जाऊ शकते.

✔ गा अणूंचे खराब ओले होणे: Ga अणूंच्या खराब ओल्यामुळे SiC पृष्ठभागावर GaN ची थेट वाढ कठीण आहे. GaN 3D बेट मोडमध्ये वाढू शकतो, बफर लेयर्स सादर करणे हा एपिटॅक्सियल सामग्रीची गुणवत्ता सुधारण्यासाठी एक सामान्य उपाय आहे. AlN किंवा AlxGa1-xN बफर लेयर्स सादर केल्याने SiC पृष्ठभागावरील ओलेपणा सुधारू शकतो, GaN एपिटॅक्सियल लेयरच्या 2D वाढीला चालना मिळू शकते आणि तणाव नियंत्रित करण्यासाठी आणि सब्सट्रेट दोषांना GaN लेयरमध्ये प्रसारित होण्यापासून रोखण्यासाठी कार्य करू शकते.

✔ उच्च किंमत आणि मर्यादित पुरवठा: SiC सब्सट्रेट तयार करण्याचे तंत्रज्ञान अपरिपक्व आहे, ज्यामुळे उच्च सब्सट्रेट खर्च आणि काही विक्रेत्यांकडून मर्यादित पुरवठा होतो.

Torres et al द्वारे संशोधन. उच्च तापमानात (1600°C) H2 सह प्री-एचिंग SiC सब्सट्रेट्स अधिक सुव्यवस्थित स्टेप स्ट्रक्चर्स तयार करतात, परिणामी उच्च-गुणवत्तेच्या AlN एपिटॅक्सियल फिल्म्स थेट उपचार न केलेल्या सब्सट्रेट्सवर उगवलेल्या तुलनेत उच्च दर्जाचे असतात. Xie आणि त्याच्या टीमने हे देखील दाखवून दिले की SiC सब्सट्रेट्सचे एचिंग प्रीट्रीटमेंटमुळे पृष्ठभाग आकारविज्ञान आणि GaN एपिटॅक्सियल लेयर्सची क्रिस्टल गुणवत्ता लक्षणीयरीत्या सुधारते. स्मिथ आणि इतर. सब्सट्रेट/बफर लेयर आणि बफर लेयर/एपिटॅक्सियल लेयर इंटरफेसमधील थ्रेडिंग डिस्लोकेशन्स सब्सट्रेट सपाटपणाशी संबंधित आहेत असे आढळले[5].

आकृती 4: वेगवेगळ्या पृष्ठभागाच्या उपचारांतर्गत 6H-SiC सबस्ट्रेट्सच्या (0001) चेहऱ्यावर वाढलेल्या GaN एपिटॅक्सियल लेयर्सचे TEM मॉर्फोलॉजी: (a) रासायनिक साफसफाई; (b) रासायनिक साफसफाई + हायड्रोजन प्लाझ्मा उपचार; © केमिकल क्लीनिंग + हायड्रोजन प्लाझ्मा ट्रीटमेंट + 1300°C हायड्रोजन थर्मल ट्रीटमेंट 30 मिनिटांसाठी

(३) GaN Epitaxy on Si

SiC आणि नीलम सब्सट्रेट्सच्या तुलनेत, सिलिकॉन सब्सट्रेट्स परिपक्व तयारी प्रक्रिया, स्थिर मोठ्या आकाराच्या सब्सट्रेट पुरवठा, खर्च-प्रभावीता आणि उत्कृष्ट थर्मल आणि इलेक्ट्रिकल चालकता यांचा अभिमान बाळगतात. याव्यतिरिक्त, परिपक्व सिलिकॉन इलेक्ट्रॉनिक उपकरण तंत्रज्ञान सिलिकॉन इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांसह ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक GaN उपकरणांचे परिपूर्ण एकत्रीकरण करण्याची क्षमता देते, ज्यामुळे सिलिकॉनवरील GaN एपिटॅक्सी अत्यंत आकर्षक बनते. तथापि, Si substrates आणि GaN मटेरिअलमध्ये लक्षणीय जाळी स्थिर जुळत नसल्यामुळे अनेक आव्हाने आहेत.

✔ इंटरफेस एनर्जी इश्यू: जेव्हा Si सबस्ट्रेट्सवर GaN उगवले जाते, तेव्हा Si पृष्ठभाग प्रथम एक अनाकार SiNx थर बनवते, जे उच्च-घनता GaN न्यूक्लिएशनसाठी हानिकारक आहे. याव्यतिरिक्त, Si पृष्ठभाग सुरुवातीला Ga वर प्रतिक्रिया देतात, ज्यामुळे पृष्ठभागावर गंज येते आणि उच्च तापमानात, Si पृष्ठभागाचे विघटन GaN एपिटॅक्सियल लेयरमध्ये पसरू शकते, ज्यामुळे काळे सिलिकॉन स्पॉट्स तयार होतात.

✔ जाळी जुळत नाही: GaN आणि Si मधील मोठ्या जाळीच्या स्थिर जुळणीचा (~17%) परिणाम उच्च-घनता थ्रेडिंग डिस्लोकेशनमध्ये होतो, ज्यामुळे एपिटॅक्सियल लेयरची गुणवत्ता लक्षणीयरीत्या कमी होते.

✔ थर्मल विस्तार गुणांक जुळत नाही: GaN मध्ये Si (GaN ~5.6×10^-6 K^-1, Si ~2.6×10^-6 K^-1) पेक्षा मोठा थर्मल विस्तार गुणांक आहे, ज्यामुळे GaN मध्ये क्रॅक होऊ शकतात. एपिटॅक्सियल वाढीच्या तापमानापासून खोलीच्या तापमानापर्यंत थंड होण्याच्या दरम्यान एपिटॅक्सियल थर.

✔ उच्च-तापमान प्रतिक्रिया: Si उच्च तापमानात NH3 सह प्रतिक्रिया देते, पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx तयार करते. पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx वर AlN प्राधान्याने न्यूक्लीएट करू शकत नाही, ज्यामुळे खूप उच्च दोष घनतेसह अत्यंत विचलित GaN वाढ होते, ज्यामुळे सिंगल-क्रिस्टल GaN एपिटॅक्सियल लेयर तयार करणे आव्हानात्मक होते[6].

मोठ्या जाळीच्या विसंगतीचे निराकरण करण्यासाठी, संशोधकांनी Si substrates वर बफर स्तर म्हणून AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO आणि SiC सारखी सामग्री सादर करण्याचा प्रयत्न केला आहे. पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx ची निर्मिती रोखण्यासाठी आणि GaN/AlN/Si (111) च्या क्रिस्टल गुणवत्तेवर होणारे प्रतिकूल परिणाम कमी करण्यासाठी, NH3 ला उघडलेल्या Si पृष्ठभागावर प्रतिक्रिया होण्यापासून रोखण्यासाठी TML सहसा AlN बफर लेयरच्या एपिटॅक्सियल वाढीपूर्वी आणले जाते. याव्यतिरिक्त, नमुनेदार सब्सट्रेट्ससारख्या तंत्रांचा वापर एपिटॅक्सियल लेयर गुणवत्ता सुधारण्यासाठी केला जातो. या घडामोडी एपिटॅक्सियल इंटरफेसवर SiNx ची निर्मिती रोखण्यात मदत करतात, GaN एपिटॅक्सियल लेयरच्या 2D वाढीस प्रोत्साहन देतात आणि वाढ गुणवत्ता वाढवतात. AlN बफर लेयर्स सादर केल्याने थर्मल विस्तार गुणांकातील फरकामुळे निर्माण होणाऱ्या ताणाची भरपाई होते, सिलिकॉन सब्सट्रेट्सवरील GaN थरातील क्रॅक रोखतात. क्रॉस्टचे संशोधन AlN बफर लेयरची जाडी आणि कमी झालेला ताण यांच्यातील सकारात्मक संबंध दर्शविते, ज्यामुळे सिलिकॉन सब्सट्रेट्सवर 6 μm पेक्षा जास्त जाडीच्या एपिटॅक्सियल लेयरची वाढ योग्य वाढीच्या योजनांद्वारे होऊ शकते.

व्यापक संशोधन प्रयत्नांमुळे धन्यवाद, सिलिकॉन सब्सट्रेट्सवर उगवलेल्या GaN एपिटॅक्सियल लेयर्सची गुणवत्ता लक्षणीयरीत्या सुधारली आहे. फील्ड-इफेक्ट ट्रान्झिस्टर, स्कॉटकी बॅरियर अल्ट्राव्हायोलेट डिटेक्टर, निळे-हिरवे एलईडी आणि अल्ट्राव्हायोलेट लेझर या सर्वांनी लक्षणीय प्रगती केली आहे.

शेवटी, सामान्य GaN एपिटॅक्सियल सबस्ट्रेट्स हे सर्व हेटरोएपिटॅक्सियल आहेत, ज्यांना वेगवेगळ्या प्रमाणात जाळीच्या विसंगती आणि थर्मल विस्तार गुणांक फरकांचा सामना करावा लागतो. Homoepitaxial GaN सबस्ट्रेट्स अपरिपक्व तंत्रज्ञान, उच्च उत्पादन खर्च, लहान सब्सट्रेट आकार आणि सबऑप्टिमल गुणवत्तेद्वारे मर्यादित आहेत, ज्यामुळे नवीन GaN एपिटॅक्सियल सब्सट्रेट्सचा विकास होतो आणि पुढील उद्योगाच्या प्रगतीसाठी एपिटॅक्सियल गुणवत्तेचे महत्त्वपूर्ण घटक बनतात.

4. GaN Epitaxy साठी सामान्य पद्धती

(1) MOCVD (मेटल-ऑरगॅनिक केमिकल वाष्प जमा)

GaN सब्सट्रेट्सवरील homoepitaxy हा GaN epitaxy साठी इष्टतम पर्याय असल्याचे दिसते, मेटल-ऑरगॅनिक केमिकल वाष्प डिपॉझिशन (MOCVD) लक्षणीय फायदे देते. ट्रायमिथिलगॅलियम आणि अमोनियाचा पूर्वगामी म्हणून आणि हायड्रोजनचा वाहक वायू म्हणून वापर करून, MOCVD सामान्यत: 1000-1100°C च्या आसपास वाढीच्या तापमानात कार्य करते. MOCVD चा वाढीचा दर प्रति तास अनेक मायक्रोमीटरच्या श्रेणीत आहे. ही पद्धत अणुदृष्ट्या तीक्ष्ण इंटरफेस तयार करू शकते, ज्यामुळे हेटेरोजंक्शन, क्वांटम विहिरी आणि सुपरलॅटिसेस वाढण्यास आदर्श बनते. त्याचा तुलनेने उच्च वाढीचा वेग, उत्कृष्ट एकसमानता आणि मोठ्या क्षेत्रासाठी आणि बहु-वेफरच्या वाढीसाठी उपयुक्तता यामुळे ती औद्योगिक उत्पादनासाठी एक मानक पद्धत बनते.

(२) MBE (मॉलिक्युलर बीम एपिटॅक्सी)

आण्विक बीम एपिटॅक्सी (एमबीई) मध्ये, गॅलियमसाठी मूलभूत स्रोत वापरले जातात आणि नायट्रोजन वायूपासून आरएफ प्लाझ्माद्वारे सक्रिय नायट्रोजन तयार केला जातो. MOCVD च्या तुलनेत, MBE लक्षणीयरीत्या कमी वाढीच्या तापमानात, सुमारे 350-400°C वर कार्य करते. हे कमी तापमान उच्च-तापमान वातावरणात उद्भवणाऱ्या काही दूषित समस्या टाळू शकते. MBE सिस्टीम अति-उच्च व्हॅक्यूम परिस्थितीत काम करतात, ज्यामुळे अधिक इन-सीटू मॉनिटरिंग तंत्रांचे एकत्रीकरण होऊ शकते. तथापि, MBE चा वाढीचा दर आणि उत्पादन क्षमता MOCVD शी जुळू शकत नाही, ज्यामुळे ते संशोधन अनुप्रयोगांसाठी अधिक योग्य बनते[7].

आकृती 5: (a) Eiko-MBE चे योजनाबद्ध (b) MBE मुख्य प्रतिक्रिया चेंबरचे योजनाबद्ध

(३) HVPE (हायड्राइड व्हेपर फेज एपिटॅक्सी)

हायड्राइड व्हेपर फेज एपिटॅक्सी (HVPE) GaCl3 आणि NH3 चा पूर्वगामी म्हणून वापर करते. Detchprohm et al. ही पद्धत नीलमच्या सब्सट्रेट्सवर शेकडो मायक्रोमीटर जाड GaN एपिटॅक्सियल थर वाढवण्यासाठी वापरली. त्यांच्या प्रयोगांमध्ये, नीलम सब्सट्रेट आणि एपिटॅक्सियल लेयर दरम्यान एक ZnO बफर लेयर वाढला होता, ज्यामुळे एपिटॅक्सियल लेयरला सब्सट्रेटच्या पृष्ठभागावरुन सोलता येते. MOCVD आणि MBE च्या तुलनेत, HVPE चा प्राथमिक फायदा म्हणजे त्याचा उच्च वाढ दर आहे, ज्यामुळे ते जाड थर आणि मोठ्या प्रमाणात सामग्री तयार करण्यासाठी योग्य बनते. तथापि, जेव्हा एपिटॅक्सियल लेयरची जाडी 20μm पेक्षा जास्त असते, तेव्हा HVPE द्वारे वाढविलेले थर क्रॅक होण्याची शक्यता असते.

अकिरा USUI ने HVPE पद्धतीवर आधारित नमुनायुक्त सब्सट्रेट तंत्रज्ञान सादर केले. सुरुवातीला, 1-1.5μm जाडीचा पातळ GaN एपिटॅक्सियल लेयर, MOCVD वापरून नीलम सब्सट्रेटवर वाढवला गेला. या लेयरमध्ये 20nm जाडीचा कमी-तापमानाचा GaN बफर लेयर आणि उच्च-तापमानाचा GaN थर असतो. त्यानंतर, 430°C वर, SiO2 चा एक थर एपिटॅक्सियल लेयरच्या पृष्ठभागावर जमा झाला आणि फोटोलिथोग्राफीद्वारे SiO2 फिल्मवर खिडकीच्या पट्ट्या तयार केल्या गेल्या. पट्ट्यांचे अंतर 7μm होते, मुखवटाची रुंदी 1μm ते 4μm पर्यंत होती. या बदलामुळे त्यांना 2-इंच व्यासाच्या नीलमणी सब्सट्रेट्सवर GaN एपिटॅक्सियल लेयर तयार करण्यास सक्षम केले, ज्याची जाडी दहापट किंवा शेकडो मायक्रोमीटरपर्यंत वाढली तरीही क्रॅक-फ्री आणि मिरर-गुळगुळीत राहिले. दोष घनता पारंपारिक HVPE पद्धतीच्या 109-1010 cm^-2 वरून अंदाजे 6×10^7 cm^-2 पर्यंत कमी करण्यात आली. त्यांनी असेही नमूद केले की जेव्हा वाढीचा दर 75μm/h[8] पेक्षा जास्त झाला तेव्हा नमुना पृष्ठभाग खडबडीत झाला. 

                                                                                                                   

                                                                                                                                     आकृती 6: पॅटर्न केलेल्या सब्सट्रेटची योजनाबद्ध

५. सारांश आणि आउटलुक

बाजारातील प्रचंड मागणी निःसंशयपणे GaN-संबंधित उद्योग आणि तंत्रज्ञानामध्ये लक्षणीय प्रगती करेल. GaN साठी औद्योगिक साखळी परिपक्व आणि सुधारत असताना, GaN epitaxy मधील वर्तमान आव्हाने अखेरीस कमी होतील किंवा त्यावर मात केली जाईल. भविष्यातील घडामोडी नवीन एपिटॅक्सियल तंत्रे आणि उत्कृष्ट सब्सट्रेट पर्याय सादर करतील. ही प्रगती विविध अनुप्रयोग परिस्थितींच्या वैशिष्ट्यांवर आधारित सर्वात योग्य एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञान आणि सब्सट्रेटची निवड सक्षम करेल, ज्यामुळे अत्यंत स्पर्धात्मक, सानुकूलित उत्पादनांचे उत्पादन होईल.**

संदर्भ:

[१] "लक्ष द्या" सेमीकंडक्टर मटेरियल-गॅलियम नायट्राइड (baidu.com)

[२] तांग लिंजियांग, वान चेंगन, झांग मिंघुआ, ली यिंग, विस्तृत बँडगॅप सेमीकंडक्टर सामग्रीची संशोधन स्थिती SiC आणि GaN, सैन्य आणि नागरी दुहेरी-वापर तंत्रज्ञान आणि उत्पादने, मार्च 2020, अंक 437, 21-28.

[३] वांग हुआन, तियान ये, सिलिकॉन सब्सट्रेटवरील गॅलियम नायट्राइडच्या मोठ्या विसंगत ताण नियंत्रण पद्धतीवर संशोधन, विज्ञान आणि तंत्रज्ञान नवकल्पना आणि अनुप्रयोग, अंक 3, 2023

[४]L.Liu, J.H.Edgar, सबस्ट्रेट्स फॉर गॅलियम नायट्राइड एपिटॅक्सी, मटेरियल्स सायन्स अँड इंजिनिअरिंग आर, 37(2002) 61-127.

[५]पी.रुटेराना, फिलिप वर्माउट, जी.नूएट, ए.साल्व्हाडोर, एच.मोरकोक, MBE, MRS इंटरनेट जे द्वारे 6H-SiC च्या (0001)Si पृष्ठभागावर 2H-GaN वाढीमध्ये पृष्ठभाग उपचार आणि स्तर संरचना. नायट्राइड सेमिकंड. Res.2(1997)42.

[६]एमए सांचेझ-गार्सिया, एफ.बी. Naranjo, J.L.Pau, A.Jimenez, E.Calleja, E.Munoz, GaN/AlGaN सिंगल-हेटरोजंक्शन लाइट-एमिटिंग डायोडमध्ये अल्ट्राव्हायोलेट इलेक्ट्रोल्युमिनेसेन्स, Si(111), जर्नल ऑफ अप्लाइड फिजिक्स 87,1569(2000) वर वाढले.

[७]झिनकियांग वांग, अकिहिको योशिकावा, GaN, AlN आणि InN ची आण्विक बीम एपिटॅक्सी ग्रोथ, क्रिस्टल ग्रोथ मधील प्रगती आणि मटेरियल 48/49 (2004) 42-103.

[८]अकिरा उसुई，हारुओ सुनाकावा，अकिरा सकाई आणि ए. आत्सुशी यामागुची, हायड्राइड वाष्प फेज एपिटॅक्सी, जेपीएन द्वारे कमी विस्थापन घनतेसह जाड GaN एपिटॅक्सियल वाढ. जे. ऍपल. फिज. खंड. 36 (1997) pp.899-902.