மூன்றாம் தலைமுறை செமிகண்டக்டர்களுக்கான அறிமுகம்: GaN மற்றும் தொடர்புடைய எபிடாக்சியல் தொழில்நுட்பங்கள்

1. மூன்றாம் தலைமுறை குறைக்கடத்திகள்

(1) முதல் தலைமுறை குறைக்கடத்திகள்

முதல் தலைமுறை குறைக்கடத்தி தொழில்நுட்பம் சிலிக்கான் (Si) மற்றும் ஜெர்மானியம் (Ge) போன்ற பொருட்களை அடிப்படையாகக் கொண்டது. இந்த பொருட்கள் டிரான்சிஸ்டர் மற்றும் ஒருங்கிணைக்கப்பட்ட சுற்று (IC) தொழில்நுட்பத்திற்கான அடித்தளத்தை அமைத்தன, இது 20 ஆம் நூற்றாண்டின் மின்னணுவியல் துறையின் அடிப்படையை நிறுவியது.

(2) இரண்டாம் தலைமுறை குறைக்கடத்திகள்
இரண்டாம் தலைமுறை குறைக்கடத்தி பொருட்களில் முதன்மையாக காலியம் ஆர்சனைடு (GaAs), இண்டியம் பாஸ்பைடு (InP), காலியம் பாஸ்பைடு (GaP), இண்டியம் ஆர்சனைடு (InAs), அலுமினியம் ஆர்சனைடு (AlAs) மற்றும் அவற்றின் மும்முனை சேர்மங்கள் ஆகியவை அடங்கும். ஒளியியல், காட்சி, லேசர், ஒளிமின்னழுத்தம் மற்றும் பிற தொடர்புடைய தொழில்களின் வளர்ச்சிக்கு வழிவகுத்த ஆப்டோ எலக்ட்ரானிக் தகவல் துறையின் முதுகெலும்பாக இந்த பொருட்கள் உள்ளன. அவை சமகால தகவல் தொழில்நுட்பம் மற்றும் ஆப்டோ எலக்ட்ரானிக் காட்சித் தொழில்களில் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.

(3) மூன்றாம் தலைமுறை குறைக்கடத்திகள்
மூன்றாம் தலைமுறை குறைக்கடத்திகளின் பிரதிநிதி பொருட்களில் காலியம் நைட்ரைடு (GaN) மற்றும் சிலிக்கான் கார்பைடு (SiC) ஆகியவை அடங்கும். பரந்த பேண்ட்கேப், அதிக எலக்ட்ரான் செறிவூட்டல் சறுக்கல் வேகம், அதிக வெப்ப கடத்துத்திறன் மற்றும் பெரிய முறிவு மின்சார புலங்கள் ஆகியவற்றின் காரணமாக, இந்த பொருட்கள் அதிக ஆற்றல் அடர்த்தி, அதிக அதிர்வெண் மற்றும் குறைந்த இழப்பு மின்னணு சாதனங்களுக்கு ஏற்றதாக இருக்கும். SiC சக்தி சாதனங்கள் அதிக ஆற்றல் அடர்த்தி, குறைந்த ஆற்றல் நுகர்வு மற்றும் சிறிய அளவு ஆகியவற்றைக் கொண்டுள்ளன, அவை மின்சார வாகனங்கள், ஒளிமின்னழுத்தங்கள், ரயில் போக்குவரத்து மற்றும் பெரிய தரவுத் துறைகளில் பயன்பாடுகளுக்கு ஏற்றதாக அமைகின்றன. GaN RF சாதனங்கள் அதிக அதிர்வெண், அதிக சக்தி, பரந்த அலைவரிசை, குறைந்த மின் நுகர்வு மற்றும் சிறிய அளவு ஆகியவற்றைக் கொண்டுள்ளது, இவை 5G தகவல்தொடர்புகள், இன்டர்நெட் ஆஃப் திங்ஸ் (IoT) மற்றும் இராணுவ ரேடார் பயன்பாடுகளுக்கு சாதகமாக உள்ளன. கூடுதலாக, GaN- அடிப்படையிலான சக்தி சாதனங்கள் குறைந்த மின்னழுத்த பயன்பாடுகளில் இப்போது பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. வெளிவரும் கேலியம் ஆக்சைடு (Ga2O3) பொருட்கள் ஏற்கனவே உள்ள SiC மற்றும் GaN தொழில்நுட்பங்களை, குறிப்பாக குறைந்த அதிர்வெண், உயர் மின்னழுத்த பயன்பாடுகளில் பூர்த்தி செய்வதற்கான திறனையும் காட்டுகின்றன.

இரண்டாம் தலைமுறை குறைக்கடத்தி பொருட்களுடன் ஒப்பிடும்போது, ​​மூன்றாம் தலைமுறை பொருட்கள் பரந்த பேண்ட்கேப்களைக் கொண்டுள்ளன (வழக்கமான Si ஆனது சுமார் 1.1 eV, GaAs சுமார் 1.42 eV, GaAs 2.3 eV ஐ மீறுகிறது), வலுவான கதிர்வீச்சு எதிர்ப்பு, அதிக மின்சார புல முறிவு செயல்திறன் மற்றும் சிறந்த உயர் வெப்பநிலை சகிப்புத்தன்மை. இந்த குணாதிசயங்கள் மூன்றாம் தலைமுறை குறைக்கடத்தி பொருட்களை குறிப்பாக கதிர்வீச்சு-எதிர்ப்பு, அதிக அதிர்வெண், உயர்-சக்தி மற்றும் உயர்-ஒருங்கிணைப்பு அடர்த்தி மின்னணு சாதனங்களுக்கு ஏற்றதாக ஆக்குகின்றன. மைக்ரோவேவ் ஆர்எஃப் சாதனங்கள், எல்இடிகள், லேசர்கள் மற்றும் பவர் சாதனங்கள் ஆகியவற்றில் அவர்கள் குறிப்பிடத்தக்க முன்னேற்றங்களைச் செய்கிறார்கள், மேலும் மொபைல் தகவல்தொடர்புகள், ஸ்மார்ட் கிரிட்கள், ரயில் போக்குவரத்து, மின்சார வாகனங்கள், நுகர்வோர் மின்னணுவியல் மற்றும் புற ஊதா மற்றும் நீல-பச்சை ஒளி சாதனங்கள்[1] ஆகியவற்றில் நம்பிக்கைக்குரிய வாய்ப்புகளைக் காட்டுகின்றனர்.

படம் 1: GaN பவர் சாதனங்களின் சந்தை அளவு மற்றும் முன்னறிவிப்பு

2. Structure and Characteristics of GaN

காலியம் நைட்ரைடு (GaN) என்பது அதன் வூர்ட்சைட் அமைப்பில் அறை வெப்பநிலையில் தோராயமாக 3.26 eV பேண்ட்கேப்பைக் கொண்ட ஒரு நேரடி பேண்ட்கேப் குறைக்கடத்தி ஆகும். GaN முதன்மையாக மூன்று படிக அமைப்புகளில் உள்ளது: wurtzite, zincblende, மற்றும் rock-salt. இவற்றில் வூர்ட்சைட் அமைப்பு மிகவும் உறுதியானது.GaN இன் அறுகோண வூர்ட்சைட் அமைப்பை படம் 2 காட்டுகிறது. wurtzite அமைப்பில், GaN ஆனது அறுகோண நெருங்கிய நிரம்பிய கட்டமைப்பிற்கு சொந்தமானது. ஒவ்வொரு அலகு செல்லிலும் 6 நைட்ரஜன் (N) அணுக்கள் மற்றும் 6 காலியம் (Ga) அணுக்கள் உட்பட 12 அணுக்கள் உள்ளன. ஒவ்வொரு Ga (N) அணுவும் 4 அருகிலுள்ள N (Ga) அணுக்களுடன் பிணைக்கப்பட்டு, ABABAB… வடிவில் [0001] திசையில் அடுக்கி வைக்கும் வரிசையை உருவாக்குகிறது[2].

படம் 2: GaN யூனிட் கலத்தின் Wurtzite அமைப்பு

3. GaN எபிடாக்ஸிக்கான பொதுவான அடி மூலக்கூறுகள்

முதல் பார்வையில், GaN அடி மூலக்கூறுகளில் homoepitaxy என்பது GaN எபிடாக்ஸிக்கு உகந்த தேர்வாகத் தோன்றுகிறது. இருப்பினும், GaN இன் உயர் பிணைப்பு ஆற்றல் காரணமாக, அதன் உருகுநிலையில் (2500 ° C), தொடர்புடைய சிதைவு அழுத்தம் தோராயமாக 4.5 GPa ஆகும். இந்த அழுத்தத்திற்கு கீழே, GaN உருகாது ஆனால் நேரடியாக சிதைகிறது. இது Czochralski முறை போன்ற பாரம்பரிய அடி மூலக்கூறு தயாரிப்பு நுட்பங்களை GaN ஒற்றை படிக அடி மூலக்கூறுகளைத் தயாரிப்பதற்குப் பொருத்தமற்றதாக ஆக்குகிறது. இதன் விளைவாக, GaN அடி மூலக்கூறுகள் பெருமளவில் உற்பத்தி செய்வது கடினம் மற்றும் விலை அதிகம். எனவே, GaN எபிடாக்ஸிக்கு பொதுவாகப் பயன்படுத்தப்படும் அடி மூலக்கூறுகளில் Si, SiC மற்றும் சபையர் ஆகியவை அடங்கும்[3].

படம் 3: GaN மற்றும் பொதுவான அடி மூலக்கூறு பொருட்களின் அளவுருக்கள்

(1) சபையர் மீது GaN எபிடாக்ஸி

சபையர் வேதியியல் ரீதியாக நிலையானது, மலிவானது மற்றும் வெகுஜன உற்பத்தியில் அதிக முதிர்ச்சியைக் கொண்டுள்ளது, இது குறைக்கடத்தி சாதன பொறியியலில் ஆரம்ப மற்றும் மிகவும் பரவலாக பயன்படுத்தப்படும் அடி மூலக்கூறு பொருட்களில் ஒன்றாகும். GaN எபிடாக்ஸிக்கான பொதுவான அடி மூலக்கூறாக, சபையர் அடி மூலக்கூறுகள் பின்வரும் முக்கிய சிக்கல்களைத் தீர்க்க வேண்டும்:

✔ உயர் லட்டு பொருத்தமின்மை: சபையர் (Al2O3) மற்றும் GaN ஆகியவற்றுக்கு இடையே உள்ள லட்டு பொருத்தமின்மை குறிப்பிடத்தக்கது (தோராயமாக 15%), இது எபிடாக்சியல் அடுக்கு மற்றும் அடி மூலக்கூறுக்கு இடையே உள்ள இடைமுகத்தில் அதிக குறைபாடு அடர்த்திக்கு வழிவகுக்கிறது. இந்த பாதகமான விளைவைத் தணிக்க, எபிடாக்சியல் செயல்முறை தொடங்கும் முன் அடி மூலக்கூறு சிக்கலான முன் செயலாக்கத்திற்கு உட்படுத்தப்பட வேண்டும். அசுத்தங்கள் மற்றும் மீதமுள்ள மெருகூட்டல் சேதங்களை அகற்ற முழுமையான சுத்தம் செய்தல், படிகள் மற்றும் படி மேற்பரப்பு கட்டமைப்புகளை உருவாக்குதல், எபிடாக்சியல் லேயரின் ஈரமாக்கும் பண்புகளை மாற்ற மேற்பரப்பு நைட்ரைடேஷன் மற்றும் இறுதியாக ஒரு மெல்லிய AlN தாங்கல் அடுக்கை (பொதுவாக 10-100 nm தடிமன்) வைப்பது ஆகியவை அடங்கும். -இறுதி எபிடாக்சியல் வளர்ச்சிக்கு தயார்படுத்த வெப்பநிலை அனீலிங். இந்த நடவடிக்கைகள் இருந்தபோதிலும், சிலிக்கான் அல்லது GaA களில் (0 முதல் 102-104 செமீ^-2 வரை இடப்பெயர்வு அடர்த்தி) ஹோமோபிடாக்ஸியுடன் ஒப்பிடும்போது சபையர் அடி மூலக்கூறுகளில் வளர்க்கப்படும் GaN எபிடாக்சியல் படங்களின் இடப்பெயர்வு அடர்த்தி அதிகமாகவே உள்ளது (~10^10 cm^-2). அதிக குறைபாடு அடர்த்தியானது கேரியர் இயக்கத்தை குறைக்கிறது, சிறுபான்மை கேரியர் வாழ்நாளைக் குறைக்கிறது மற்றும் வெப்ப கடத்துத்திறனைக் குறைக்கிறது, இவை அனைத்தும் சாதனத்தின் செயல்திறனை பாதிக்கின்றன[4].

✔ வெப்ப விரிவாக்க குணகம் பொருந்தாதது: சபையர் GaN ஐ விட அதிக வெப்ப விரிவாக்க குணகத்தைக் கொண்டுள்ளது, இதன் விளைவாக எபிடாக்சியல் அடுக்குக்குள் இருமுனை அழுத்த அழுத்தம் ஏற்படுகிறது. தடிமனான எபிடாக்சியல் படங்களுக்கு, இந்த அழுத்தம் படம் அல்லது அடி மூலக்கூறு விரிசல் ஏற்படலாம்.

✔ மோசமான வெப்ப கடத்துத்திறன்: மற்ற அடி மூலக்கூறுகளுடன் ஒப்பிடுகையில், சபையர் குறைந்த வெப்ப கடத்துத்திறனைக் கொண்டுள்ளது (~0.25 Wcm^-1K^-1 at 100°C), இது வெப்பச் சிதறலுக்குப் பாதகமானது.

✔ குறைந்த மின் கடத்துத்திறன்: சபையரின் மோசமான மின் கடத்துத்திறன் மற்ற குறைக்கடத்தி சாதனங்களுடன் அதன் ஒருங்கிணைப்பு மற்றும் பயன்பாட்டைத் தடுக்கிறது.

சபையரில் வளர்க்கப்படும் GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளில் அதிக குறைபாடு அடர்த்தி இருந்தாலும், GaN-அடிப்படையிலான நீல-பச்சை LED களில் அதன் ஆப்டிகல் மற்றும் எலக்ட்ரானிக் செயல்திறன் கணிசமாகக் குறையவில்லை. எனவே, GaN-அடிப்படையிலான LED களுக்கு சபையர் அடி மூலக்கூறுகள் பொதுவானதாக இருக்கும். இருப்பினும், லேசர்கள் மற்றும் பிற உயர்-அடர்த்தி சக்தி சாதனங்கள் போன்ற அதிகமான GaN சாதனங்கள் உருவாகும்போது, ​​சபையர் அடி மூலக்கூறுகளின் உள்ளார்ந்த வரம்புகள் பெருகிய முறையில் தெளிவாகிறது.

(2) GaN Epitaxy on SiC

சபையருடன் ஒப்பிடும்போது, ​​SiC அடி மூலக்கூறுகள் (4H- மற்றும் 6H-பாலிடைப்கள்) GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளுடன் ([0001] திசையில் 3.1%), அதிக வெப்பக் கடத்துத்திறன் (தோராயமாக 3.8 Wcm^-1K^-1) ஆகியவற்றுடன் சிறிய லேட்டிஸ் பொருத்தமின்மையைக் கொண்டுள்ளன. பின்புற மின் தொடர்புகளை அனுமதிக்கும் மின் கடத்துத்திறன், சாதன கட்டமைப்புகளை எளிதாக்குகிறது. இந்த நன்மைகள் SiC அடி மூலக்கூறுகளில் GaN எபிடாக்ஸியை ஆராய அதிக எண்ணிக்கையிலான ஆராய்ச்சியாளர்களை ஈர்க்கின்றன. இருப்பினும், SiC அடி மூலக்கூறுகளில் GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளின் நேரடி வளர்ச்சியும் பல சவால்களை எதிர்கொள்கிறது:

✔ மேற்பரப்பு கடினத்தன்மை: SiC அடி மூலக்கூறுகள் சபையர் அடி மூலக்கூறுகளை விட அதிக மேற்பரப்பு கடினத்தன்மையைக் கொண்டுள்ளன (சபைருக்கு 0.1 nm RMS, SiC க்கு 1 nm RMS). SiC இன் உயர் கடினத்தன்மை மற்றும் மோசமான இயந்திரத்திறன் இந்த கடினத்தன்மை மற்றும் எஞ்சிய மெருகூட்டல் சேதத்திற்கு பங்களிக்கின்றன, அவை GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளில் குறைபாடுகளின் ஆதாரங்களாகும்.

✔ உயர் த்ரெடிங் இடப்பெயர்வு அடர்த்தி: SiC அடி மூலக்கூறுகள் அதிக த்ரெடிங் இடப்பெயர்வு அடர்த்தியைக் கொண்டுள்ளன (103-104 cm^-2), இது GaN எபிடாக்சியல் லேயரில் பரவி சாதனத்தின் செயல்திறனைக் குறைக்கும்.

✔ ஸ்டாக்கிங் ஃபால்ட்ஸ்: அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் உள்ள அணு ஏற்பாடு GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளில் அடுக்கி வைக்கும் தவறுகளை (BSFs) தூண்டலாம். SiC அடி மூலக்கூறில் சாத்தியமான பல அணு ஏற்பாடுகள் GaN லேயரில் ஒரே சீரான ஆரம்ப அணு ஸ்டாக்கிங் வரிசைகளுக்கு இட்டுச் செல்கின்றன, இது தவறுகளை அடுக்குவதற்கான வாய்ப்பை அதிகரிக்கிறது. சி-அச்சில் உள்ள BSFகள் உள்ளமைக்கப்பட்ட மின்சார புலங்களை அறிமுகப்படுத்துகின்றன, இதனால் கேரியர் பிரிப்பு மற்றும் சாதனங்களில் கசிவு சிக்கல்கள் ஏற்படுகின்றன.

✔ வெப்ப விரிவாக்க குணகம் பொருந்தாமை: SiC இன் வெப்ப விரிவாக்க குணகம் AlN மற்றும் GaN ஐ விட சிறியதாக உள்ளது, இது குளிர்ச்சியின் போது எபிடாக்சியல் அடுக்கு மற்றும் அடி மூலக்கூறுக்கு இடையே வெப்ப அழுத்தக் குவிப்புக்கு வழிவகுக்கிறது. வால்டெரைட் மற்றும் பிராண்டின் ஆராய்ச்சி, மெல்லிய, ஒத்திசைவான வடிகட்டப்பட்ட AlN நியூக்ளியேஷன் லேயரில் GaN எபிடாக்சியல் லேயரை வளர்ப்பதன் மூலம் இந்தப் பிரச்சினையைத் தணிக்க முடியும் என்று தெரிவிக்கிறது.

✔ Ga அணுக்களின் மோசமான ஈரமாக்கல்: Ga அணுக்களின் மோசமான ஈரமாக்கல் காரணமாக SiC பரப்புகளில் GaN இன் நேரடி வளர்ச்சி கடினமாக உள்ளது. GaN ஆனது 3D தீவு பயன்முறையில் வளர முனைகிறது, எபிடாக்சியல் பொருட்களின் தரத்தை மேம்படுத்துவதற்கு இடையக அடுக்குகளை அறிமுகப்படுத்துவது ஒரு பொதுவான தீர்வாகும். AlN அல்லது AlxGa1-xN இடையக அடுக்குகளை அறிமுகப்படுத்துவது SiC மேற்பரப்பில் ஈரப்பதத்தை மேம்படுத்தலாம், GaN எபிடாக்சியல் லேயரின் 2D வளர்ச்சியை ஊக்குவிக்கிறது மற்றும் அழுத்தத்தை மாற்றியமைக்க மற்றும் GaN லேயரில் அடி மூலக்கூறு குறைபாடுகள் பரவுவதைத் தடுக்கிறது.

✔ அதிக விலை மற்றும் வரையறுக்கப்பட்ட வழங்கல்: SiC அடி மூலக்கூறு தயாரிப்பு தொழில்நுட்பம் முதிர்ச்சியடையாதது, அதிக அடி மூலக்கூறு செலவுகள் மற்றும் சில விற்பனையாளர்களிடமிருந்து வரம்புக்குட்பட்ட விநியோகத்திற்கு வழிவகுக்கிறது.

டோரஸ் மற்றும் பலர் மேற்கொண்ட ஆராய்ச்சி. உயர் வெப்பநிலையில் (1600°C) H2 உடன் SiC அடி மூலக்கூறுகளை முன்கூட்டியே பொறிப்பது மிகவும் ஒழுங்கான படி கட்டமைப்புகளை உருவாக்குகிறது, இதன் விளைவாக சிகிச்சை அளிக்கப்படாத அடி மூலக்கூறுகளில் நேரடியாக வளர்க்கப்படும் படங்களுடன் ஒப்பிடும்போது உயர்தர AlN எபிடாக்சியல் படங்கள் உருவாகின்றன. SiC அடி மூலக்கூறுகளின் பொறிப்பு முன் சிகிச்சையானது GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளின் மேற்பரப்பு உருவவியல் மற்றும் படிக தரத்தை கணிசமாக மேம்படுத்துகிறது என்பதை Xie மற்றும் அவரது குழு நிரூபித்தது. ஸ்மித் மற்றும் பலர். அடி மூலக்கூறு/பஃபர் லேயர் மற்றும் பஃபர் லேயர்/எபிடாக்சியல் லேயர் இடைமுகங்கள் ஆகியவற்றிலிருந்து த்ரெடிங் இடப்பெயர்வுகள் அடி மூலக்கூறு தட்டையான தன்மையுடன் தொடர்புடையவை என்று கண்டறியப்பட்டது[5].

படம் 4: வெவ்வேறு மேற்பரப்பு சிகிச்சையின் கீழ் 6H-SiC அடி மூலக்கூறுகளின் முகத்தில் (0001) வளர்ந்த GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளின் TEM உருவவியல்: (அ) இரசாயன சுத்தம்; (ஆ) இரசாயன சுத்தம் + ஹைட்ரஜன் பிளாஸ்மா சிகிச்சை; © கெமிக்கல் கிளீனிங் + ஹைட்ரஜன் பிளாஸ்மா சிகிச்சை + 1300°C ஹைட்ரஜன் வெப்ப சிகிச்சை 30 நிமிடம்

(3) GaN Epitaxy on Si

SiC மற்றும் சபையர் அடி மூலக்கூறுகளுடன் ஒப்பிடும்போது, ​​சிலிக்கான் அடி மூலக்கூறுகள் முதிர்ந்த தயாரிப்பு செயல்முறைகள், நிலையான பெரிய அளவிலான அடி மூலக்கூறு வழங்கல், செலவு-செயல்திறன் மற்றும் சிறந்த வெப்ப மற்றும் மின் கடத்துத்திறன் ஆகியவற்றைப் பெருமைப்படுத்துகின்றன. கூடுதலாக, முதிர்ந்த சிலிக்கான் எலக்ட்ரானிக் சாதன தொழில்நுட்பமானது, சிலிக்கான் எலக்ட்ரானிக் சாதனங்களுடன் ஆப்டோ எலக்ட்ரானிக் GaN சாதனங்களின் சரியான ஒருங்கிணைப்புக்கான திறனை வழங்குகிறது, சிலிக்கானில் GaN எபிடாக்ஸியை மிகவும் கவர்ச்சிகரமானதாக ஆக்குகிறது. இருப்பினும், Si அடி மூலக்கூறுகளுக்கும் GaN பொருட்களுக்கும் இடையிலான குறிப்பிடத்தக்க பின்னல் நிலையான பொருத்தமின்மை பல சவால்களை முன்வைக்கிறது.

✔ இடைமுக ஆற்றல் சிக்கல்கள்: Si அடி மூலக்கூறுகளில் GaN வளர்க்கப்படும் போது, ​​Si மேற்பரப்பு முதலில் ஒரு உருவமற்ற SiNx அடுக்கை உருவாக்குகிறது, இது அதிக அடர்த்தி கொண்ட GaN அணுக்கருவுக்கு தீங்கு விளைவிக்கும். கூடுதலாக, Si மேற்பரப்புகள் ஆரம்பத்தில் Ga உடன் வினைபுரிந்து, மேற்பரப்பு அரிப்பை ஏற்படுத்துகிறது, மேலும் அதிக வெப்பநிலையில், Si மேற்பரப்பு சிதைவு GaN எபிடாக்சியல் அடுக்கில் பரவி, கருப்பு சிலிக்கான் புள்ளிகளை உருவாக்குகிறது.

✔ லேட்டிஸ் பொருத்தமின்மை: GaN மற்றும் Si க்கு இடையே உள்ள பெரிய லட்டு நிலையான பொருத்தமின்மை (~17%) உயர் அடர்த்தி த்ரெடிங் இடப்பெயர்வுகளை ஏற்படுத்துகிறது, இது எபிடாக்சியல் லேயரின் தரத்தை கணிசமாகக் குறைக்கிறது.

✔ வெப்ப விரிவாக்க குணகம் பொருந்தாமை: GaN இல் Si ஐ விட பெரிய வெப்ப விரிவாக்க குணகம் உள்ளது (GaN ~5.6×10^-6 K^-1, Si ~2.6×10^-6 K^-1), இது GaN இல் விரிசல்களை ஏற்படுத்தக்கூடும் எபிடாக்சியல் வளர்ச்சி வெப்பநிலையிலிருந்து அறை வெப்பநிலை வரை குளிர்ச்சியின் போது எபிடாக்சியல் அடுக்கு.

✔ உயர் வெப்பநிலை எதிர்வினைகள்: Si உயர் வெப்பநிலையில் NH3 உடன் வினைபுரிந்து, பாலிகிரிஸ்டலின் SiNx ஐ உருவாக்குகிறது. AlN ஆனது பாலிகிரிஸ்டலின் SiNx இல் முதன்மையாக நியூக்ளியேட் செய்ய முடியாது, இது மிக அதிக குறைபாடு அடர்த்தியுடன் மிகவும் திசைதிருப்பப்பட்ட GaN வளர்ச்சிக்கு வழிவகுக்கிறது, இது ஒற்றை-படிக GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளை உருவாக்குவது சவாலானது[6].

பெரிய லட்டு பொருத்தமின்மையை நிவர்த்தி செய்ய, ஆராய்ச்சியாளர்கள் AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO மற்றும் SiC போன்ற பொருட்களை Si அடி மூலக்கூறுகளில் இடையக அடுக்குகளாக அறிமுகப்படுத்த முயற்சித்துள்ளனர். பாலிகிரிஸ்டலின் SiNx உருவாவதைத் தடுக்கவும் மற்றும் GaN/AlN/Si (111) இன் படிகத் தரத்தில் அதன் பாதகமான விளைவுகளை குறைக்கவும், TMAl பொதுவாக AlN தாங்கல் அடுக்கின் எபிடாக்சியல் வளர்ச்சிக்கு முன் அறிமுகப்படுத்தப்பட்டது, NH3 வெளிப்படும் Si மேற்பரப்புடன் வினைபுரிவதைத் தடுக்கிறது. கூடுதலாக, எபிடாக்சியல் லேயர் தரத்தை மேம்படுத்த வடிவமைக்கப்பட்ட அடி மூலக்கூறுகள் போன்ற நுட்பங்கள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. இந்த வளர்ச்சிகள் எபிடாக்சியல் இடைமுகத்தில் SiNx உருவாவதை அடக்கவும், GaN எபிடாக்சியல் லேயரின் 2D வளர்ச்சியை ஊக்குவிக்கவும் மற்றும் வளர்ச்சி தரத்தை மேம்படுத்தவும் உதவுகின்றன. AlN இடையக அடுக்குகளை அறிமுகப்படுத்துவது வெப்ப விரிவாக்க குணகங்களில் உள்ள வேறுபாடுகளால் ஏற்படும் இழுவிசை அழுத்தத்தை ஈடுசெய்கிறது, சிலிக்கான் அடி மூலக்கூறுகளில் GaN அடுக்கில் விரிசல் ஏற்படுவதைத் தடுக்கிறது. க்ரோஸ்டின் ஆராய்ச்சி AlN தாங்கல் அடுக்கு தடிமன் மற்றும் குறைக்கப்பட்ட திரிபு ஆகியவற்றுக்கு இடையே ஒரு நேர்மறையான தொடர்பைக் குறிக்கிறது, இது 6 μm தடிமனான எபிடாக்சியல் அடுக்குகளை விரிசல் இல்லாமல், சரியான வளர்ச்சித் திட்டங்கள் மூலம் சிலிக்கான் அடி மூலக்கூறுகளில் வளர அனுமதிக்கிறது.

விரிவான ஆராய்ச்சி முயற்சிகளுக்கு நன்றி, சிலிக்கான் அடி மூலக்கூறுகளில் வளர்க்கப்படும் GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளின் தரம் கணிசமாக மேம்பட்டுள்ளது. ஃபீல்ட்-எஃபெக்ட் டிரான்சிஸ்டர்கள், ஷாட்கி தடுப்பு புற ஊதா கண்டுபிடிப்பாளர்கள், நீல-பச்சை எல்இடிகள் மற்றும் புற ஊதா லேசர்கள் அனைத்தும் குறிப்பிடத்தக்க முன்னேற்றம் அடைந்துள்ளன.

முடிவில், பொதுவான GaN எபிடாக்சியல் அடி மூலக்கூறுகள் அனைத்தும் ஹீட்டோரோபிடாக்சியல் ஆகும், அவை பல்வேறு அளவிலான லட்டு பொருத்தமின்மை மற்றும் வெப்ப விரிவாக்க குணக வேறுபாடுகளை எதிர்கொள்கின்றன. ஹோமோபிடாக்சியல் GaN அடி மூலக்கூறுகள் முதிர்ச்சியடையாத தொழில்நுட்பம், அதிக உற்பத்திச் செலவுகள், சிறிய அடி மூலக்கூறு அளவுகள் மற்றும் துணைத் தரம் ஆகியவற்றால் வரம்பிடப்பட்டுள்ளன, மேலும் தொழில் முன்னேற்றத்திற்கு புதிய GaN எபிடாக்சியல் அடி மூலக்கூறுகளின் வளர்ச்சி மற்றும் எபிடாக்சியல் தரத்தின் முக்கியமான காரணிகளை மேம்படுத்துகிறது.

4. GaN எபிடாக்ஸிக்கான பொதுவான முறைகள்

(1) MOCVD (உலோக-கரிம இரசாயன நீராவி படிவு)

GaN அடி மூலக்கூறுகளில் homoepitaxy ஆனது GaN எபிடாக்ஸிக்கு உகந்த தேர்வாகத் தோன்றினாலும், உலோக-கரிம இரசாயன நீராவி படிவு (MOCVD) குறிப்பிடத்தக்க நன்மைகளை வழங்குகிறது. டிரைமெதில்காலியம் மற்றும் அம்மோனியாவை முன்னோடிகளாகவும், ஹைட்ரஜனை கேரியர் வாயுவாகவும் பயன்படுத்தி, MOCVD பொதுவாக 1000-1100°C வளர்ச்சி வெப்பநிலையில் செயல்படுகிறது. MOCVD இன் வளர்ச்சி விகிதம் ஒரு மணி நேரத்திற்கு பல மைக்ரோமீட்டர்கள் வரம்பில் உள்ளது. இந்த முறையானது அணுக் கூர்மையான இடைமுகங்களை உருவாக்க முடியும், இது வளரும் ஹீட்டோரோஜங்க்ஷன்கள், குவாண்டம் கிணறுகள் மற்றும் சூப்பர்லட்டீஸ்களுக்கு ஏற்றதாக அமைகிறது. அதன் ஒப்பீட்டளவில் அதிக வளர்ச்சி வேகம், சிறந்த சீரான தன்மை மற்றும் பெரிய பரப்பளவு மற்றும் பல-செதில் வளர்ச்சிக்கான பொருத்தம் ஆகியவை தொழில்துறை உற்பத்திக்கான நிலையான முறையாகும்.

(2) MBE (மாலிகுலர் பீம் எபிடாக்ஸி)

மாலிகுலர் பீம் எபிடாக்ஸியில் (MBE), காலியத்திற்கு அடிப்படை மூலங்கள் பயன்படுத்தப்படுகின்றன, மேலும் நைட்ரஜன் வாயுவிலிருந்து RF பிளாஸ்மா வழியாக செயலில் நைட்ரஜன் உருவாக்கப்படுகிறது. MOCVD உடன் ஒப்பிடும்போது, ​​MBE ஆனது கணிசமாக குறைந்த வளர்ச்சி வெப்பநிலையில், சுமார் 350-400°C இல் இயங்குகிறது. இந்த குறைந்த வெப்பநிலை உயர் வெப்பநிலை சூழலில் எழக்கூடிய சில மாசு சிக்கல்களைத் தவிர்க்கலாம். MBE அமைப்புகள் அதி-உயர் வெற்றிட நிலைமைகளின் கீழ் வேலை செய்கின்றன, மேலும் இடத்திலேயே கண்காணிப்பு நுட்பங்களை ஒருங்கிணைக்க அனுமதிக்கிறது. இருப்பினும், MBE இன் வளர்ச்சி விகிதம் மற்றும் உற்பத்தி திறன் ஆகியவை MOCVD உடன் பொருந்தவில்லை, இது ஆராய்ச்சி பயன்பாடுகளுக்கு மிகவும் பொருத்தமானதாக அமைகிறது[7].

படம் 5: (a) Eiko-MBE இன் திட்டம் (b) MBE முதன்மை எதிர்வினை அறையின் திட்டம்

(3) HVPE (ஹைட்ரைட் வேப்பர் பேஸ் எபிடாக்ஸி)

ஹைட்ரைட் வேப்பர் பேஸ் எபிடாக்ஸி (HVPE) GaCl3 மற்றும் NH3 ஐ முன்னோடிகளாகப் பயன்படுத்துகிறது. டெட்ச்ப்ரோம் மற்றும் பலர். சபையர் அடி மூலக்கூறுகளில் பல நூறு மைக்ரோமீட்டர்கள் தடிமனான GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளை வளர்க்க இந்த முறையைப் பயன்படுத்தினார். அவர்களின் சோதனைகளில், சபையர் அடி மூலக்கூறுக்கும் எபிடாக்சியல் அடுக்குக்கும் இடையில் ZnO இடையக அடுக்கு வளர்க்கப்பட்டது, இது அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் இருந்து எபிடாக்சியல் அடுக்கை உரிக்க அனுமதிக்கிறது. MOCVD மற்றும் MBE உடன் ஒப்பிடும்போது, ​​HVPE இன் முதன்மையான நன்மை அதன் உயர் வளர்ச்சி விகிதம் ஆகும், இது தடித்த அடுக்குகள் மற்றும் மொத்த பொருட்களை உற்பத்தி செய்வதற்கு ஏற்றதாக அமைகிறது. இருப்பினும், எபிடாக்சியல் லேயர் தடிமன் 20μm ஐ விட அதிகமாக இருக்கும்போது, ​​HVPE ஆல் வளர்க்கப்படும் அடுக்குகள் விரிசல் ஏற்பட வாய்ப்புள்ளது.

Akira USUI ஆனது HVPE முறையின் அடிப்படையில் வடிவமைக்கப்பட்ட அடி மூலக்கூறு தொழில்நுட்பத்தை அறிமுகப்படுத்தியது. ஆரம்பத்தில், ஒரு மெல்லிய GaN எபிடாக்சியல் அடுக்கு, 1-1.5μm தடிமன், MOCVD ஐப் பயன்படுத்தி சபையர் அடி மூலக்கூறில் வளர்க்கப்பட்டது. இந்த அடுக்கு 20nm தடிமனான குறைந்த வெப்பநிலை GaN இடையக அடுக்கு மற்றும் உயர் வெப்பநிலை GaN அடுக்கு ஆகியவற்றைக் கொண்டிருந்தது. பின்னர், 430 டிகிரி செல்சியஸ் வெப்பநிலையில், SiO2 இன் அடுக்கு எபிடாக்சியல் அடுக்கின் மேற்பரப்பில் வைக்கப்பட்டது, மேலும் புகைப்படக்கலை மூலம் SiO2 படத்தில் சாளரக் கோடுகள் உருவாக்கப்பட்டன. பட்டை இடைவெளி 7μm, முகமூடி அகலம் 1μm முதல் 4μm வரை இருக்கும். இந்த மாற்றமானது 2-அங்குல விட்டம் கொண்ட சபையர் அடி மூலக்கூறுகளில் GaN எபிடாக்சியல் அடுக்குகளை உருவாக்க உதவியது, தடிமன் பத்து அல்லது நூற்றுக்கணக்கான மைக்ரோமீட்டராக அதிகரித்தாலும் கூட விரிசல் இல்லாத மற்றும் கண்ணாடி-மென்மையாக இருந்தது. குறைபாடு அடர்த்தி பாரம்பரிய HVPE முறையின் 109-1010 cm^-2 இலிருந்து தோராயமாக 6×10^7 cm^-2 ஆக குறைக்கப்பட்டது. வளர்ச்சி விகிதம் 75μm/h[8]ஐ தாண்டும்போது மாதிரி மேற்பரப்பு கரடுமுரடானதாகவும் அவர்கள் குறிப்பிட்டனர். 

                                                                                                                   

                                                                                                                                     படம் 6: வடிவமைக்கப்பட்ட அடி மூலக்கூறின் திட்டவியல்

5. சுருக்கம் மற்றும் அவுட்லுக்

அபரிமிதமான சந்தை தேவை சந்தேகத்திற்கு இடமின்றி GaN தொடர்பான தொழில்கள் மற்றும் தொழில்நுட்பங்களில் குறிப்பிடத்தக்க முன்னேற்றங்களை ஏற்படுத்தும். GaN க்கான தொழில்துறை சங்கிலி முதிர்ச்சியடைந்து மேம்படுகையில், GaN எபிடாக்ஸியில் தற்போதைய சவால்கள் இறுதியில் குறைக்கப்படும் அல்லது சமாளிக்கப்படும். எதிர்கால வளர்ச்சிகள் புதிய எபிடாக்சியல் நுட்பங்கள் மற்றும் சிறந்த அடி மூலக்கூறு விருப்பங்களை அறிமுகப்படுத்தும். இந்த முன்னேற்றமானது வெவ்வேறு பயன்பாட்டுக் காட்சிகளின் பண்புகளின் அடிப்படையில் மிகவும் பொருத்தமான எபிடாக்சியல் தொழில்நுட்பம் மற்றும் அடி மூலக்கூறைத் தேர்ந்தெடுப்பதைச் செயல்படுத்தும், இது மிகவும் போட்டித்தன்மை வாய்ந்த, தனிப்பயனாக்கப்பட்ட தயாரிப்புகளின் உற்பத்திக்கு வழிவகுக்கும்.**

குறிப்புகள்:

[1] "கவனம்" செமிகண்டக்டர் மெட்டீரியல்-காலியம் நைட்ரைடு (baidu.com)

.

[3] வாங் ஹுவான், தியான் யே, சிலிக்கான் அடி மூலக்கூறில் காலியம் நைட்ரைட்டின் பெரிய பொருத்தமின்மை அழுத்தக் கட்டுப்பாட்டு முறை பற்றிய ஆராய்ச்சி, அறிவியல் மற்றும் தொழில்நுட்ப கண்டுபிடிப்பு மற்றும் பயன்பாடு, வெளியீடு 3, 2023

[4]எல்.லியு, ஜே.எச்.எட்கர், காலியம் நைட்ரைடு எபிடாக்ஸிக்கான சப்ஸ்ட்ரேட்ஸ், மெட்டீரியல்ஸ் சயின்ஸ் அண்ட் இன்ஜினியரிங் ஆர், 37(2002) 61-127.

[5]P.Ruterana, Philippe Vermaut, G.Nouet, A.Salvador, H.Morkoc, MBE, MRS இன்டர்நெட் ஜே மூலம் 6H-SiC இன் (0001)Si மேற்பரப்பில் 2H-GaN வளர்ச்சியில் மேற்பரப்பு சிகிச்சை மற்றும் அடுக்கு அமைப்பு. நைட்ரைடு செமிகண்ட். Res.2(1997)42.

[6]எம்.ஏ.சான்செஸ்-கார்சியா, எஃப்.பி. Naranjo, J.L.Pau, A.Jimenez, E.Calleja, E.Munoz, GaN/AlGaN சிங்கிள்-ஹீட்டோரோஜங்ஷன் ஒளி-உமிழும் டையோட்களில் உள்ள புற ஊதா எலக்ட்ரோலுமினென்சென்ஸ் Si(111), Journal of Applied Physics 87,15069(2000).

[7]சின்கியாங் வாங், அகிஹிகோ யோஷிகாவா, GaN, AlN மற்றும் InN இன் மூலக்கூறு பீம் எபிடாக்ஸி வளர்ச்சி, படிக வளர்ச்சியில் முன்னேற்றம் மற்றும் பொருட்களின் தன்மை 48/49 (2004) 42-103.

[8] அகிரா உசுய், ஹருவோ சுனகாவா, அகிரா சகாய் மற்றும் ஏ. அட்சுஷி யமகுச்சி, ஹைட்ரைடு நீராவி கட்ட எபிடாக்சி, ஜேபிஎன் மூலம் குறைந்த இடப்பெயர்வு அடர்த்தி கொண்ட தடிமனான GaN எபிடாக்சியல் வளர்ச்சி. J. Appl. இயற்பியல் தொகுதி. 36 (1997) பக்.899-902.