Gllium Nitride (GaN) Epitaxy GaN सब्सट्रेटवर का वाढत नाही?

ची वाढGaN epitaxyसिलिकॉनच्या तुलनेत सामग्रीचे उत्कृष्ट गुणधर्म असूनही, GaN सब्सट्रेटवर एक अद्वितीय आव्हान आहे.GaN epitaxyसिलिकॉन-आधारित सामग्रीपेक्षा बँड गॅप रुंदी, थर्मल चालकता आणि ब्रेकडाउन इलेक्ट्रिक फील्डच्या दृष्टीने महत्त्वपूर्ण फायदे देते. यामुळे सेमीकंडक्टरच्या तिसऱ्या पिढीचा कणा म्हणून GaN चा अवलंब होतो, जे वर्धित कूलिंग, कमी वहन कमी होणे आणि उच्च तापमान आणि फ्रिक्वेन्सीमध्ये सुधारित कार्यप्रदर्शन प्रदान करते, फोटोनिक आणि मायक्रो-इलेक्ट्रॉनिक उद्योगांसाठी एक आश्वासक आणि महत्त्वपूर्ण प्रगती.

GaN, प्राथमिक तृतीय-पिढीतील अर्धसंवाहक सामग्री म्हणून, विशेषत: त्याच्या विस्तृत प्रयोज्यतेमुळे चमकते आणि सिलिकॉननंतर सर्वात महत्त्वाची सामग्री म्हणून ओळखली जाते. GaN पॉवर उपकरणे सध्याच्या सिलिकॉन-आधारित उपकरणांच्या तुलनेत उत्कृष्ट वैशिष्ट्ये प्रदर्शित करतात, जसे की उच्च क्रिटिकल इलेक्ट्रिक फील्ड स्ट्रेंथ, कमी ऑन-रेझिस्टन्स आणि वेगवान स्विचिंग फ्रिक्वेन्सी, ज्यामुळे उच्च ऑपरेशनल तापमानात सिस्टम कार्यक्षमता आणि कार्यप्रदर्शन सुधारते.

GaN सेमीकंडक्टर व्हॅल्यू चेनमध्ये, ज्यामध्ये सब्सट्रेट समाविष्ट आहे,GaN epitaxy, उपकरण डिझाइन आणि उत्पादन, सब्सट्रेट मूलभूत घटक म्हणून काम करते. ज्यावर सब्सट्रेट म्हणून काम करण्यासाठी नैसर्गिकरित्या GaN ही सर्वात योग्य सामग्री आहेGaN epitaxyएकसंध वाढ प्रक्रियेसह त्याच्या आंतरिक सुसंगततेमुळे उगवले जाते. हे भौतिक गुणधर्मांमधील असमानतेमुळे कमीत कमी तणावाची खात्री देते, ज्यामुळे विषम थरांवर उगवलेल्या तुलनेत उच्च दर्जाचे एपिटॅक्सियल स्तर तयार होतात. सब्सट्रेट म्हणून GaN चा वापर करून, नीलम सारख्या सब्सट्रेटच्या तुलनेत एक हजार घटकाने अंतर्गत दोष घनता कमी करून उच्च-गुणवत्तेचे GaN ज्ञानशास्त्र तयार केले जाऊ शकते. हे LEDs च्या जंक्शन तापमानात लक्षणीय घट करण्यास योगदान देते आणि प्रति युनिट क्षेत्रामध्ये लुमेनमध्ये दहापट वाढ करण्यास सक्षम करते.

तथापि, त्यांच्या वाढीशी संबंधित अडचणीमुळे GaN उपकरणांचे पारंपारिक सब्सट्रेट GaN सिंगल क्रिस्टल्स नसतात. पारंपारिक सेमीकंडक्टर मटेरियलच्या तुलनेत GaN सिंगल क्रिस्टल ग्रोथमधील प्रगती लक्षणीयरीत्या कमी झाली आहे. लांबलचक आणि किफायतशीर असलेल्या GaN क्रिस्टल्सच्या लागवडीमध्ये आव्हान आहे. सामग्री वाढवण्यासाठी अमोनिया आणि शुद्ध धातूचा गॅलियम वापरून 1932 मध्ये GaN चे पहिले संश्लेषण झाले. तेव्हापासून, GaN सिंगल क्रिस्टल मटेरियलमध्ये व्यापक संशोधन केले गेले आहे, तरीही आव्हाने शिल्लक आहेत. सामान्य दाबाखाली GaN वितळण्यास असमर्थता, भारदस्त तापमानात त्याचे Ga आणि नायट्रोजन (N2) मध्ये विघटन आणि 2,300 अंश सेल्सिअसच्या वितळण्याच्या बिंदूवर 6 गिगापास्कल (GPa) पर्यंत पोहोचणारा त्याचा विघटन दाब विद्यमान वाढीच्या उपकरणांना सामावून घेणे कठीण करते. अशा उच्च दाबांवर GaN सिंगल क्रिस्टल्सचे संश्लेषण. GaN सिंगल क्रिस्टल ग्रोथसाठी पारंपारिक मेल्ट ग्रोथ पद्धती वापरल्या जाऊ शकत नाहीत, त्यामुळे एपिटॅक्सीसाठी विषम सब्सट्रेट्सचा वापर करणे आवश्यक आहे. GaN-आधारित उपकरणांच्या सद्यस्थितीत, वाढ सामान्यत: एकसंध GaN सब्सट्रेट वापरण्याऐवजी सिलिकॉन, सिलिकॉन कार्बाइड आणि नीलम यांसारख्या सब्सट्रेट्सवर केली जाते, GaN एपिटॅक्सियल उपकरणांच्या विकासात अडथळा आणते आणि एकसंध सब्सट्रेट आवश्यक असलेल्या ऍप्लिकेशन्समध्ये अडथळा आणतात- वाढलेले साधन.

GaN एपिटॅक्सीमध्ये अनेक प्रकारचे सब्सट्रेट्स वापरले जातात:

1. नीलम:नीलम, किंवा α-Al2O3, LEDs साठी सर्वात व्यापक व्यावसायिक सब्सट्रेट आहे, जो LED मार्केटचा महत्त्वपूर्ण भाग व्यापतो. त्याचा वापर त्याच्या अनन्य फायद्यांसाठी केला गेला, विशेषत: GaN एपिटॅक्सियल ग्रोथच्या संदर्भात, जे सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट्सवर वाढलेल्या तितक्याच कमी विस्थापन घनतेसह चित्रपट तयार करते. नीलमच्या उत्पादनामध्ये वितळलेल्या वाढीचा समावेश होतो, एक परिपक्व प्रक्रिया जी कमी खर्चात आणि मोठ्या आकारात उच्च-गुणवत्तेच्या सिंगल क्रिस्टल्सचे उत्पादन सक्षम करते, जे औद्योगिक वापरासाठी योग्य आहे. परिणामी, नीलम हे एलईडी उद्योगातील सर्वात प्राचीन आणि प्रचलित सब्सट्रेट्सपैकी एक आहे.

2. सिलिकॉन कार्बाइड:सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) ही चौथ्या पिढीतील सेमीकंडक्टर सामग्री आहे जी LED सब्सट्रेट्ससाठी नीलमणीनंतर दुसऱ्या क्रमांकावर आहे. SiC हे त्याच्या विविध क्रिस्टल फॉर्मद्वारे वैशिष्ट्यीकृत आहे, प्रामुख्याने तीन श्रेणींमध्ये वर्गीकृत केले आहे: घन (3C-SiC), षटकोनी (4H-SiC), आणि rhombohedral (15R-SiC). बहुसंख्य SiC क्रिस्टल्स 3C, 4H आणि 6H आहेत, 4H आणि 6H-SiC प्रकारांचा वापर GaN उपकरणांसाठी सब्सट्रेट म्हणून केला जातो.

एलईडी सब्सट्रेट म्हणून सिलिकॉन कार्बाइड हा एक उत्कृष्ट पर्याय आहे. तरीही, उच्च-गुणवत्तेचे, मोठ्या आकाराच्या SiC सिंगल क्रिस्टल्सचे उत्पादन आव्हानात्मक राहते आणि सामग्रीच्या स्तरित रचनामुळे ते क्लीव्हेज होण्याची शक्यता असते, ज्यामुळे त्याच्या यांत्रिक अखंडतेवर परिणाम होतो, संभाव्यत: पृष्ठभागावरील दोषांचा परिचय होतो ज्यामुळे एपिटॅक्सियल लेयर गुणवत्तेवर परिणाम होतो. सिंगल क्रिस्टल SiC सब्सट्रेटची किंमत समान आकाराच्या नीलम सब्सट्रेटच्या अंदाजे कित्येक पट आहे, त्याच्या प्रीमियम किंमतीमुळे त्याचा व्यापक वापर मर्यादित होतो.

Semicorex  850V हाय पॉवर GaN-on-Si Epi Wafer

3. सिंगल क्रिस्टल सिलिकॉन:सिलिकॉन, सर्वात मोठ्या प्रमाणावर वापरलेली आणि औद्योगिकदृष्ट्या स्थापित अर्धसंवाहक सामग्री असल्याने, GaN एपिटॅक्सियल सब्सट्रेट्सच्या उत्पादनासाठी एक भक्कम पाया प्रदान करते. प्रगत सिंगल क्रिस्टल सिलिकॉन ग्रोथ तंत्राची उपलब्धता उच्च-गुणवत्तेच्या, 6 ते 12 इंच सब्सट्रेट्सचे किफायतशीर, मोठ्या प्रमाणात उत्पादन सुनिश्चित करते. यामुळे LED ची किंमत लक्षणीयरीत्या कमी होते आणि सिंगल क्रिस्टल सिलिकॉन सब्सट्रेट्सच्या वापराद्वारे LED चिप्स आणि इंटिग्रेटेड सर्किट्सच्या एकत्रीकरणाचा मार्ग मोकळा होतो, ज्यामुळे लघुकरणामध्ये प्रगती होते. शिवाय, नीलमच्या तुलनेत, जे सध्या सर्वात सामान्य LED सब्सट्रेट आहे, सिलिकॉन-आधारित उपकरणे थर्मल चालकता, विद्युत चालकता, उभ्या संरचना तयार करण्याची क्षमता आणि उच्च पॉवर LED फॅब्रिकेशनसाठी अधिक योग्यतेच्या दृष्टीने फायदे देतात.**