మూడవ తరం సెమీకండక్టర్లకు పరిచయం: GaN మరియు సంబంధిత ఎపిటాక్సియల్ టెక్నాలజీస్

1. మూడవ తరం సెమీకండక్టర్స్

(1) మొదటి తరం సెమీకండక్టర్స్

మొదటి తరం సెమీకండక్టర్ సాంకేతికత సిలికాన్ (Si) మరియు జెర్మేనియం (Ge) వంటి పదార్థాలపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ఈ పదార్థాలు ట్రాన్సిస్టర్ మరియు ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్ (IC) టెక్నాలజీకి పునాది వేసాయి, ఇది 20వ శతాబ్దపు ఎలక్ట్రానిక్స్ పరిశ్రమకు ఆధారం.

(2) రెండవ తరం సెమీకండక్టర్స్
రెండవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థాలలో ప్రాథమికంగా గాలియం ఆర్సెనైడ్ (GaAs), ఇండియం ఫాస్ఫైడ్ (InP), గాలియం ఫాస్ఫైడ్ (GaP), ఇండియం ఆర్సెనైడ్ (InAs), అల్యూమినియం ఆర్సెనైడ్ (AlAs) మరియు వాటి తృతీయ సమ్మేళనాలు ఉన్నాయి. ఈ పదార్థాలు ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ సమాచార పరిశ్రమ యొక్క వెన్నెముకను ఏర్పరుస్తాయి, ఇది లైటింగ్, డిస్ప్లే, లేజర్, ఫోటోవోల్టాయిక్ మరియు ఇతర సంబంధిత పరిశ్రమల అభివృద్ధికి దారితీసింది. అవి సమకాలీన సమాచార సాంకేతికత మరియు ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ ప్రదర్శన పరిశ్రమలలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి.

(3) మూడవ తరం సెమీకండక్టర్స్
మూడవ తరం సెమీకండక్టర్ల యొక్క ప్రాతినిధ్య పదార్థాలలో గాలియం నైట్రైడ్ (GaN) మరియు సిలికాన్ కార్బైడ్ (SiC) ఉన్నాయి. వాటి విస్తృత బ్యాండ్‌గ్యాప్, అధిక ఎలక్ట్రాన్ సంతృప్త డ్రిఫ్ట్ వేగం, అధిక ఉష్ణ వాహకత మరియు పెద్ద విచ్ఛిన్న విద్యుత్ క్షేత్రాల కారణంగా, ఈ పదార్థాలు అధిక శక్తి సాంద్రత, అధిక ఫ్రీక్వెన్సీ మరియు తక్కువ-నష్టం కలిగిన ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలకు అనువైనవి. SiC పవర్ పరికరాలు అధిక శక్తి సాంద్రత, తక్కువ శక్తి వినియోగం మరియు చిన్న పరిమాణాన్ని కలిగి ఉంటాయి, ఇవి ఎలక్ట్రిక్ వాహనాలు, ఫోటోవోల్టాయిక్స్, రైలు రవాణా మరియు పెద్ద డేటా రంగాలలో అనువర్తనాలకు అనుకూలంగా ఉంటాయి. GaN RF పరికరాలు అధిక పౌనఃపున్యం, అధిక శక్తి, విస్తృత బ్యాండ్‌విడ్త్, తక్కువ విద్యుత్ వినియోగం మరియు చిన్న పరిమాణాన్ని కలిగి ఉంటాయి, ఇవి 5G కమ్యూనికేషన్‌లు, ఇంటర్నెట్ ఆఫ్ థింగ్స్ (IoT) మరియు సైనిక రాడార్ అప్లికేషన్‌లకు ప్రయోజనకరంగా ఉంటాయి. అదనంగా, GaN-ఆధారిత పవర్ పరికరాలు ఇప్పుడు తక్కువ-వోల్టేజీ అనువర్తనాల్లో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడుతున్నాయి. ఉద్భవిస్తున్న గాలియం ఆక్సైడ్ (Ga2O3) పదార్థాలు కూడా ఇప్పటికే ఉన్న SiC మరియు GaN సాంకేతికతలను పూర్తి చేసే సామర్థ్యాన్ని చూపుతాయి, ప్రత్యేకించి తక్కువ-ఫ్రీక్వెన్సీ, అధిక-వోల్టేజ్ అప్లికేషన్‌లలో.

రెండవ తరం సెమీకండక్టర్ మెటీరియల్‌లతో పోలిస్తే, మూడవ తరం పదార్థాలు విస్తృత బ్యాండ్‌గ్యాప్‌లను కలిగి ఉంటాయి (సాధారణ Si బ్యాండ్‌గ్యాప్ సుమారు 1.1 eV, GaAs 1.42 eV, GaN 2.3 eV కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది), బలమైన రేడియేషన్ నిరోధకత, అధిక విద్యుత్ క్షేత్ర విచ్ఛిన్న పనితీరు మరియు మెరుగైన పనితీరు. అధిక-ఉష్ణోగ్రత ఓర్పు. ఈ లక్షణాలు మూడవ తరం సెమీకండక్టర్ పదార్థాలను రేడియేషన్-రెసిస్టెంట్, హై-ఫ్రీక్వెన్సీ, హై-పవర్ మరియు హై-ఇంటిగ్రేషన్ డెన్సిటీ ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలకు ప్రత్యేకంగా సరిపోతాయి. వారు మైక్రోవేవ్ RF పరికరాలు, LEDలు, లేజర్‌లు మరియు పవర్ పరికరాలలో గణనీయమైన పురోగతిని సాధిస్తున్నారు మరియు మొబైల్ కమ్యూనికేషన్‌లు, స్మార్ట్ గ్రిడ్‌లు, రైలు రవాణా, ఎలక్ట్రిక్ వాహనాలు, వినియోగదారు ఎలక్ట్రానిక్స్ మరియు అతినీలలోహిత మరియు నీలం-ఆకుపచ్చ కాంతి పరికరాలలో మంచి అవకాశాలను చూపుతున్నారు[1].

మూర్తి 1: GaN పవర్ పరికరాల మార్కెట్ పరిమాణం మరియు సూచన

2. GaN యొక్క నిర్మాణం మరియు లక్షణాలు

గాలియం నైట్రైడ్ (GaN) అనేది ఒక డైరెక్ట్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్, దీని వర్ట్‌జైట్ నిర్మాణంలో గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద సుమారుగా 3.26 eV బ్యాండ్‌గ్యాప్ ఉంటుంది. GaN ప్రధానంగా మూడు స్ఫటికాకార నిర్మాణాలలో ఉంది: వర్ట్‌జైట్, జింక్‌బ్లెండే మరియు రాక్-ఉప్పు. వీటిలో వర్ట్‌జైట్ నిర్మాణం అత్యంత స్థిరంగా ఉంటుంది.మూర్తి 2 GaN యొక్క షట్కోణ వర్ట్‌జైట్ నిర్మాణాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది. వర్ట్‌జైట్ నిర్మాణంలో, GaN షట్కోణ క్లోజ్-ప్యాక్డ్ కాన్ఫిగరేషన్‌కు చెందినది. ప్రతి యూనిట్ సెల్‌లో 6 నైట్రోజన్ (N) అణువులు మరియు 6 గాలియం (Ga) పరమాణువులతో సహా 12 పరమాణువులు ఉంటాయి. ప్రతి Ga (N) పరమాణువు 4 సమీప N (Ga) అణువులతో బంధించబడి, ABABAB… నమూనాలో [0001] దిశలో స్టాకింగ్ క్రమాన్ని ఏర్పరుస్తుంది[2].

మూర్తి 2: GaN యూనిట్ సెల్ యొక్క Wurtzite నిర్మాణం

3. GaN ఎపిటాక్సీ కోసం సాధారణ సబ్‌స్ట్రేట్‌లు

మొదటి చూపులో, GaN సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై హోమోపిటాక్సీ GaN ఎపిటాక్సీకి సరైన ఎంపికగా కనిపిస్తుంది. అయినప్పటికీ, GaN యొక్క అధిక బంధ శక్తి కారణంగా, దాని ద్రవీభవన స్థానం (2500 ° C) వద్ద, సంబంధిత కుళ్ళిపోయే ఒత్తిడి సుమారు 4.5 GPa. ఈ పీడనం క్రింద, GaN కరగదు కానీ నేరుగా కుళ్ళిపోతుంది. ఇది క్జోక్రాల్స్కి పద్ధతి వంటి సాంప్రదాయిక ఉపరితల తయారీ పద్ధతులను GaN సింగిల్ క్రిస్టల్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ల తయారీకి అనువుగా చేస్తుంది. పర్యవసానంగా, GaN సబ్‌స్ట్రేట్‌లు భారీగా ఉత్పత్తి చేయడం కష్టం మరియు ఖరీదైనవి. అందువల్ల, GaN ఎపిటాక్సీ కోసం సాధారణంగా ఉపయోగించే సబ్‌స్ట్రేట్‌లలో Si, SiC మరియు నీలమణి ఉన్నాయి[3].

మూర్తి 3: GaN మరియు సాధారణ సబ్‌స్ట్రేట్ మెటీరియల్స్ యొక్క పారామితులు

(1) నీలమణిపై GaN ఎపిటాక్సీ

నీలమణి రసాయనికంగా స్థిరంగా ఉంటుంది, చవకైనది మరియు భారీ ఉత్పత్తిలో అధిక స్థాయి పరిపక్వతను కలిగి ఉంటుంది, ఇది సెమీకండక్టర్ డివైస్ ఇంజనీరింగ్‌లో తొలి మరియు అత్యంత విస్తృతంగా ఉపయోగించే సబ్‌స్ట్రేట్ మెటీరియల్‌లలో ఒకటిగా మారింది. GaN ఎపిటాక్సీకి ఒక సాధారణ సబ్‌స్ట్రేట్‌గా, నీలమణి సబ్‌స్ట్రేట్‌లు క్రింది కీలక సమస్యలను పరిష్కరించాలి:

✔ హై లాటిస్ అసమతుల్యత: నీలమణి (Al2O3) మరియు GaN మధ్య లాటిస్ అసమతుల్యత ముఖ్యమైనది (సుమారు 15%), ఇది ఎపిటాక్సియల్ పొర మరియు సబ్‌స్ట్రేట్ మధ్య ఇంటర్‌ఫేస్‌లో అధిక లోపం సాంద్రతకు దారితీస్తుంది. ఈ ప్రతికూల ప్రభావాన్ని తగ్గించడానికి, ఎపిటాక్సియల్ ప్రక్రియ ప్రారంభమయ్యే ముందు సబ్‌స్ట్రేట్ సంక్లిష్టమైన ప్రీ-ప్రాసెసింగ్‌కు లోనవాలి. కలుషితాలు మరియు అవశేష సానపెట్టే నష్టాన్ని తొలగించడానికి క్షుణ్ణంగా శుభ్రపరచడం, దశలు మరియు దశల ఉపరితల నిర్మాణాలను సృష్టించడం, ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క చెమ్మగిల్లడం లక్షణాలను మార్చడానికి ఉపరితల నైట్రిడేషన్ మరియు చివరగా సన్నని AlN బఫర్ పొరను (సాధారణంగా 10-100 nm మందం) జమ చేయడం వంటివి ఉంటాయి. -ఆఖరి ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదలకు సిద్ధం చేయడానికి ఉష్ణోగ్రత ఎనియలింగ్. ఈ చర్యలు ఉన్నప్పటికీ, సిలికాన్ లేదా GaAలపై హోమోపిటాక్సీ (0 నుండి 102-104 సెం అధిక లోపం సాంద్రతలు క్యారియర్ మొబిలిటీని తగ్గిస్తాయి, మైనారిటీ క్యారియర్ జీవితకాలాన్ని తగ్గిస్తాయి మరియు ఉష్ణ వాహకతను తగ్గిస్తాయి, ఇవన్నీ పరికరం పనితీరును దెబ్బతీస్తాయి[4].

✔ థర్మల్ ఎక్స్‌పాన్షన్ కోఎఫీషియంట్ అసమతుల్యత: నీలమణి GaN కంటే ఎక్కువ థర్మల్ ఎక్స్‌పాన్షన్ కోఎఫీషియంట్‌ను కలిగి ఉంటుంది, దీని ఫలితంగా ఎపిటాక్సియల్ పొర లోపల బైయాక్సియల్ కంప్రెసివ్ ఒత్తిడి ఏర్పడుతుంది, ఇది నిక్షేపణ ఉష్ణోగ్రత నుండి గది ఉష్ణోగ్రత వరకు చల్లబడుతుంది. మందమైన ఎపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌ల కోసం, ఈ ఒత్తిడి ఫిల్మ్ లేదా సబ్‌స్ట్రేట్ క్రాకింగ్‌కు దారితీయవచ్చు.

✔ పేలవమైన థర్మల్ కండక్టివిటీ: ఇతర సబ్‌స్ట్రేట్‌లతో పోలిస్తే, నీలమణి తక్కువ ఉష్ణ వాహకతను కలిగి ఉంటుంది (~0.25 Wcm^-1K^-1 వద్ద 100°C), ఇది వేడి వెదజల్లడానికి అననుకూలమైనది.

✔ తక్కువ విద్యుత్ వాహకత: నీలమణి యొక్క పేలవమైన విద్యుత్ వాహకత ఇతర సెమీకండక్టర్ పరికరాలతో దాని ఏకీకరణ మరియు అనువర్తనాన్ని అడ్డుకుంటుంది.

నీలమణిపై పెరిగిన GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలలో అధిక లోపం సాంద్రత ఉన్నప్పటికీ, GaN-ఆధారిత బ్లూ-గ్రీన్ LED లలో దాని ఆప్టికల్ మరియు ఎలక్ట్రానిక్ పనితీరు గణనీయంగా తగ్గలేదు. కాబట్టి, GaN-ఆధారిత LEDలకు నీలమణి ఉపరితలాలు సాధారణంగా ఉంటాయి. అయినప్పటికీ, లేజర్‌లు మరియు ఇతర అధిక-సాంద్రత శక్తి పరికరాలు వంటి మరిన్ని GaN పరికరాలు అభివృద్ధి చెందుతున్నందున, నీలమణి ఉపరితలాల యొక్క స్వాభావిక పరిమితులు ఎక్కువగా స్పష్టంగా కనిపిస్తాయి.

(2) SiC పై GaN ఎపిటాక్సీ

నీలమణితో పోలిస్తే, SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌లు (4H- మరియు 6H-పాలిటైప్‌లు) GaN ఎపిటాక్సియల్ లేయర్‌లతో ([0001] దిశలో 3.1%), అధిక ఉష్ణ వాహకత (సుమారు 3.8 Wcm^-1K^-1), మరియు వెనుకవైపు విద్యుత్ పరిచయాలను అనుమతించే విద్యుత్ వాహకత, పరికర నిర్మాణాలను సులభతరం చేస్తుంది. ఈ ప్రయోజనాలు SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై GaN ఎపిటాక్సీని అన్వేషించడానికి పరిశోధకుల సంఖ్యను పెంచుతున్నాయి. అయినప్పటికీ, SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై GaN ఎపిటాక్సియల్ లేయర్‌ల ప్రత్యక్ష పెరుగుదల కూడా అనేక సవాళ్లను ఎదుర్కొంటుంది:

✔ ఉపరితల కరుకుదనం: SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌లు నీలమణి ఉపరితలాల కంటే చాలా ఎక్కువ ఉపరితల కరుకుదనాన్ని కలిగి ఉంటాయి (నీలమణికి 0.1 nm RMS, SiC కోసం 1 nm RMS). SiC యొక్క అధిక కాఠిన్యం మరియు పేలవమైన యంత్ర సామర్థ్యం ఈ కరుకుదనం మరియు అవశేష పాలిషింగ్ నష్టానికి దోహదం చేస్తుంది, ఇవి GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలలో లోపాలకు మూలాలు.

✔ హై థ్రెడింగ్ డిస్‌లోకేషన్ డెన్సిటీ: SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌లు అధిక థ్రెడింగ్ డిస్‌లోకేషన్ డెన్సిటీలను (103-104 cm^-2) కలిగి ఉంటాయి, ఇవి GaN ఎపిటాక్సియల్ లేయర్‌లోకి వ్యాపించి పరికర పనితీరును క్షీణింపజేస్తాయి.

✔ స్టాకింగ్ ఫాల్ట్‌లు: సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై ఉన్న పరమాణు అమరిక GaN ఎపిటాక్సియల్ లేయర్‌లలో స్టాకింగ్ ఫాల్ట్‌లను (BSFలు) ప్రేరేపిస్తుంది. SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌పై సాధ్యమయ్యే బహుళ పరమాణు ఏర్పాట్లు GaN లేయర్‌లో ఏకరీతి కాని ప్రారంభ పరమాణు స్టాకింగ్ సీక్వెన్స్‌లకు దారితీస్తాయి, స్టాకింగ్ ఫాల్ట్‌ల సంభావ్యతను పెంచుతాయి. c-యాక్సిస్‌తో పాటు BSFలు అంతర్నిర్మిత విద్యుత్ క్షేత్రాలను పరిచయం చేస్తాయి, దీని వలన పరికరాలలో క్యారియర్ వేరు మరియు లీకేజీ సమస్యలు ఏర్పడతాయి.

✔ థర్మల్ ఎక్స్‌పాన్షన్ కోఎఫీషియంట్ అసమతుల్యత: SiC యొక్క థర్మల్ ఎక్స్‌పాన్షన్ కోఎఫీషియంట్ AlN మరియు GaN కంటే చిన్నది, ఇది శీతలీకరణ సమయంలో ఎపిటాక్సియల్ లేయర్ మరియు సబ్‌స్ట్రేట్ మధ్య థర్మల్ ఒత్తిడి చేరడానికి దారితీస్తుంది. వాల్టెరైట్ మరియు బ్రాండ్ యొక్క పరిశోధనలు సన్నని, పొందికగా వడకట్టబడిన AlN న్యూక్లియేషన్ లేయర్‌పై GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరను పెంచడం ద్వారా ఈ సమస్యను తగ్గించవచ్చని సూచిస్తున్నాయి.

✔ Ga పరమాణువుల పేలవమైన చెమ్మగిల్లడం: Ga పరమాణువుల పేలవమైన చెమ్మగిల్లడం వలన SiC ఉపరితలాలపై GaN యొక్క ప్రత్యక్ష పెరుగుదల కష్టం. GaN 3D ఐలాండ్ మోడ్‌లో పెరుగుతుంది, ఎపిటాక్సియల్ మెటీరియల్‌ల నాణ్యతను మెరుగుపరచడానికి బఫర్ లేయర్‌లను పరిచయం చేయడం ఒక సాధారణ పరిష్కారం. AlN లేదా AlxGa1-xN బఫర్ లేయర్‌లను పరిచయం చేయడం వలన SiC ఉపరితలంపై చెమ్మగిల్లడాన్ని మెరుగుపరుస్తుంది, GaN ఎపిటాక్సియల్ పొర యొక్క 2D పెరుగుదలను ప్రోత్సహిస్తుంది మరియు ఒత్తిడిని మాడ్యులేట్ చేయడానికి మరియు GaN లేయర్‌లోకి వ్యాప్తి చెందకుండా ఉపరితల లోపాలను నిరోధించడానికి పని చేస్తుంది.

✔ అధిక ధర మరియు పరిమిత సరఫరా: SiC సబ్‌స్ట్రేట్ తయారీ సాంకేతికత అపరిపక్వమైనది, ఇది అధిక సబ్‌స్ట్రేట్ ఖర్చులు మరియు కొంతమంది విక్రేతల నుండి పరిమిత సరఫరాకు దారి తీస్తుంది.

టోర్రెస్ మరియు ఇతరుల పరిశోధన. అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద (1600°C) H2తో ముందుగా చెక్కడం SiC సబ్‌స్ట్రెట్‌లు మరింత క్రమబద్ధమైన దశ నిర్మాణాలను సృష్టిస్తాయని సూచిస్తుంది, ఫలితంగా చికిత్స చేయని ఉపరితలాలపై నేరుగా పెరిగిన వాటితో పోలిస్తే అధిక-నాణ్యత AlN ఎపిటాక్సియల్ ఫిల్మ్‌లు వస్తాయి. Xie మరియు అతని బృందం కూడా SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌లను చెక్కడం ద్వారా GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరల యొక్క ఉపరితల స్వరూపం మరియు క్రిస్టల్ నాణ్యతను గణనీయంగా మెరుగుపరుస్తుందని నిరూపించారు. స్మిత్ మరియు ఇతరులు. సబ్‌స్ట్రేట్/బఫర్ లేయర్ మరియు బఫర్ లేయర్/ఎపిటాక్సియల్ లేయర్ ఇంటర్‌ఫేస్‌ల నుండి థ్రెడింగ్ డిస్‌లోకేషన్‌లు సబ్‌స్ట్రేట్ ఫ్లాట్‌నెస్‌కి సంబంధించినవి అని కనుగొన్నారు[5].

మూర్తి 4: వివిధ ఉపరితల చికిత్సల క్రింద (0001) 6H-SiC సబ్‌స్ట్రేట్‌ల ముఖంపై పెరిగిన GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరల TEM స్వరూపం: (a) రసాయన శుభ్రపరచడం; (బి) కెమికల్ క్లీనింగ్ + హైడ్రోజన్ ప్లాస్మా చికిత్స; © కెమికల్ క్లీనింగ్ + హైడ్రోజన్ ప్లాస్మా ట్రీట్‌మెంట్ + 1300°C హైడ్రోజన్ థర్మల్ ట్రీట్‌మెంట్ 30 నిమిషాలు

(3) Si పై GaN ఎపిటాక్సీ

SiC మరియు నీలమణి సబ్‌స్ట్రేట్‌లతో పోలిస్తే, సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లు మెచ్యూర్ ప్రిపరేషన్ ప్రక్రియలు, స్థిరమైన పెద్ద-పరిమాణ సబ్‌స్ట్రేట్ సరఫరా, ఖర్చు-ప్రభావం మరియు అద్భుతమైన ఉష్ణ మరియు విద్యుత్ వాహకతను కలిగి ఉంటాయి. అదనంగా, పరిణతి చెందిన సిలికాన్ ఎలక్ట్రానిక్ పరికర సాంకేతికత ఆప్టోఎలక్ట్రానిక్ GaN పరికరాలను సిలికాన్ ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలతో సంపూర్ణంగా అనుసంధానించే సామర్థ్యాన్ని అందిస్తుంది, సిలికాన్‌పై GaN ఎపిటాక్సీని అత్యంత ఆకర్షణీయంగా చేస్తుంది. అయినప్పటికీ, Si సబ్‌స్ట్రేట్‌లు మరియు GaN మెటీరియల్‌ల మధ్య ముఖ్యమైన లాటిస్ స్థిరమైన అసమతుల్యత అనేక సవాళ్లను అందిస్తుంది.

✔ ఇంటర్‌ఫేస్ ఎనర్జీ సమస్యలు: Si సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై GaN పెరిగినప్పుడు, Si ఉపరితలం మొదట నిరాకార SiNx పొరను ఏర్పరుస్తుంది, ఇది అధిక సాంద్రత కలిగిన GaN న్యూక్లియేషన్‌కు హానికరం. అదనంగా, Si ఉపరితలాలు మొదట్లో Gaతో ప్రతిస్పందిస్తాయి, దీని వలన ఉపరితల తుప్పు ఏర్పడుతుంది మరియు అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద, Si ఉపరితల కుళ్ళిపోవడం GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలోకి వ్యాపించి, నల్లని సిలికాన్ మచ్చలను ఏర్పరుస్తుంది.

✔ లాటిస్ అసమతుల్యత: GaN మరియు Si మధ్య పెద్ద లాటిస్ స్థిరమైన అసమతుల్యత (~17%) అధిక-సాంద్రత థ్రెడింగ్ డిస్‌లోకేషన్‌లకు దారితీస్తుంది, ఇది ఎపిటాక్సియల్ పొర నాణ్యతను గణనీయంగా తగ్గిస్తుంది.

✔ థర్మల్ ఎక్స్‌పాన్షన్ కోఎఫీషియంట్ అసమతుల్యత: GaNలో Si కంటే పెద్ద ఉష్ణ విస్తరణ గుణకం ఉంది (GaN ~5.6×10^-6 K^-1, Si ~2.6×10^-6 K^-1), ఇది GaNలో పగుళ్లకు కారణం కావచ్చు ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదల ఉష్ణోగ్రత నుండి గది ఉష్ణోగ్రత వరకు శీతలీకరణ సమయంలో ఎపిటాక్సియల్ పొర.

✔ అధిక-ఉష్ణోగ్రత ప్రతిచర్యలు: Si అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద NH3తో చర్య జరిపి, పాలీక్రిస్టలైన్ SiNxని ఏర్పరుస్తుంది. AlN పాలీక్రిస్టలైన్ SiNxపై ప్రాధాన్యతతో న్యూక్లియేట్ చేయదు, ఇది చాలా ఎక్కువ లోపం సాంద్రతతో అత్యంత దిక్కుతోచని GaN పెరుగుదలకు దారితీస్తుంది, ఇది సింగిల్-క్రిస్టల్ GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలను రూపొందించడం సవాలుగా మారుతుంది[6].

పెద్ద లాటిస్ అసమతుల్యతను పరిష్కరించడానికి, పరిశోధకులు AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO మరియు SiC వంటి పదార్థాలను Si సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై బఫర్ లేయర్‌లుగా పరిచయం చేయడానికి ప్రయత్నించారు. పాలీక్రిస్టలైన్ SiNx ఏర్పడకుండా నిరోధించడానికి మరియు GaN/AlN/Si (111) యొక్క క్రిస్టల్ నాణ్యతపై దాని ప్రతికూల ప్రభావాలను తగ్గించడానికి, TMAl సాధారణంగా బహిర్గతమైన Si ఉపరితలంతో NH3 ప్రతిస్పందించకుండా నిరోధించడానికి AlN బఫర్ పొర యొక్క ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదలకు ముందు ప్రవేశపెట్టబడుతుంది. అదనంగా, ఎపిటాక్సియల్ లేయర్ నాణ్యతను మెరుగుపరచడానికి నమూనా సబ్‌స్ట్రేట్‌ల వంటి పద్ధతులు ఉపయోగించబడతాయి. ఈ పరిణామాలు ఎపిటాక్సియల్ ఇంటర్‌ఫేస్ వద్ద SiNx ఏర్పడటాన్ని అణిచివేసేందుకు, GaN ఎపిటాక్సియల్ లేయర్ యొక్క 2D వృద్ధిని ప్రోత్సహించడానికి మరియు వృద్ధి నాణ్యతను మెరుగుపరచడంలో సహాయపడతాయి. AlN బఫర్ లేయర్‌లను పరిచయం చేయడం వల్ల థర్మల్ ఎక్స్‌పాన్షన్ కోఎఫీషియంట్స్‌లో తేడాల వల్ల ఏర్పడే తన్యత ఒత్తిడిని భర్తీ చేస్తుంది, సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై GaN లేయర్‌లో పగుళ్లను నివారిస్తుంది. క్రోస్ట్ పరిశోధన AlN బఫర్ లేయర్ మందం మరియు తగ్గిన స్ట్రెయిన్ మధ్య సానుకూల సంబంధాన్ని సూచిస్తుంది, తగిన వృద్ధి పథకాల ద్వారా సిలికాన్ ఉపరితలాలపై 6 μm మందపాటి ఎపిటాక్సియల్ పొరల పెరుగుదలను అనుమతిస్తుంది.

విస్తృతమైన పరిశోధన ప్రయత్నాలకు ధన్యవాదాలు, సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై పెరిగిన GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరల నాణ్యత గణనీయంగా మెరుగుపడింది. ఫీల్డ్-ఎఫెక్ట్ ట్రాన్సిస్టర్‌లు, షాట్కీ బారియర్ అతినీలలోహిత డిటెక్టర్లు, బ్లూ-గ్రీన్ LEDలు మరియు అతినీలలోహిత లేజర్‌లు అన్నీ గణనీయమైన పురోగతిని సాధించాయి.

ముగింపులో, సాధారణ GaN ఎపిటాక్సియల్ సబ్‌స్ట్రేట్‌లు అన్నీ హెటెరోపిటాక్సియల్, వివిధ స్థాయిల లాటిస్ అసమతుల్యత మరియు థర్మల్ ఎక్స్‌పాన్షన్ కోఎఫీషియంట్ తేడాలను ఎదుర్కొంటున్నాయి. హోమోపిటాక్సియల్ GaN సబ్‌స్ట్రేట్‌లు అపరిపక్వ సాంకేతికత, అధిక ఉత్పత్తి వ్యయాలు, చిన్న ఉపరితల పరిమాణాలు మరియు ఉపశీర్షిక నాణ్యతతో పరిమితం చేయబడ్డాయి, ఇది కొత్త GaN ఎపిటాక్సియల్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ల అభివృద్ధి మరియు తదుపరి పరిశ్రమ పురోగతికి కీలకమైన కారకాలను మెరుగుపరుస్తుంది.

4. GaN ఎపిటాక్సీ కోసం సాధారణ పద్ధతులు

(1) MOCVD (మెటల్-ఆర్గానిక్ కెమికల్ ఆవిరి నిక్షేపణ)

GaN సబ్‌స్ట్రేట్‌లపై హోమోపిటాక్సీ GaN ఎపిటాక్సీకి సరైన ఎంపికగా కనిపిస్తున్నప్పటికీ, మెటల్-ఆర్గానిక్ కెమికల్ ఆవిరి నిక్షేపణ (MOCVD) గణనీయమైన ప్రయోజనాలను అందిస్తుంది. ట్రైమిథైల్‌గాలియం మరియు అమ్మోనియాను పూర్వగాములుగా మరియు హైడ్రోజన్‌ను క్యారియర్ గ్యాస్‌గా ఉపయోగిస్తూ, MOCVD సాధారణంగా 1000-1100°C పెరుగుదల ఉష్ణోగ్రతల వద్ద పనిచేస్తుంది. MOCVD వృద్ధి రేటు గంటకు అనేక మైక్రోమీటర్ల పరిధిలో ఉంటుంది. ఈ పద్ధతి పరమాణుపరంగా పదునైన ఇంటర్‌ఫేస్‌లను ఉత్పత్తి చేయగలదు, ఇది హెటెరోజంక్షన్‌లు, క్వాంటం బావులు మరియు సూపర్‌లాటిస్‌లను పెంచడానికి అనువైనదిగా చేస్తుంది. దాని సాపేక్షంగా అధిక వృద్ధి వేగం, అద్భుతమైన ఏకరూపత మరియు పెద్ద-విస్తీర్ణం మరియు బహుళ-వేఫర్ వృద్ధికి అనుకూలత పారిశ్రామిక ఉత్పత్తికి ప్రామాణిక పద్ధతిగా చేస్తాయి.

(2) MBE (మాలిక్యులర్ బీమ్ ఎపిటాక్సీ)

మాలిక్యులర్ బీమ్ ఎపిటాక్సీ (MBE)లో, గాలియం కోసం మూలక మూలాలు ఉపయోగించబడతాయి మరియు నైట్రోజన్ వాయువు నుండి RF ప్లాస్మా ద్వారా క్రియాశీల నైట్రోజన్ ఉత్పత్తి చేయబడుతుంది. MOCVDతో పోలిస్తే, MBE గణనీయంగా తక్కువ వృద్ధి ఉష్ణోగ్రతల వద్ద, దాదాపు 350-400°C వద్ద పనిచేస్తుంది. ఈ తక్కువ ఉష్ణోగ్రత అధిక-ఉష్ణోగ్రత వాతావరణంలో తలెత్తే కొన్ని కాలుష్య సమస్యలను నివారించవచ్చు. MBE వ్యవస్థలు అల్ట్రా-హై వాక్యూమ్ పరిస్థితులలో పని చేస్తాయి, ఇది మరింత ఇన్-సిటు మానిటరింగ్ టెక్నిక్‌లను ఏకీకృతం చేయడానికి అనుమతిస్తుంది. అయినప్పటికీ, MBE యొక్క వృద్ధి రేటు మరియు ఉత్పత్తి సామర్థ్యం MOCVDతో సరిపోలడం లేదు, ఇది పరిశోధనా అనువర్తనాలకు మరింత అనుకూలంగా ఉంటుంది[7].

మూర్తి 5: (a) Eiko-MBE యొక్క స్కీమాటిక్ (b) MBE మెయిన్ రియాక్షన్ ఛాంబర్ యొక్క స్కీమాటిక్

(3) HVPE (హైడ్రైడ్ ఆవిరి దశ ఎపిటాక్సీ)

హైడ్రైడ్ ఆవిరి దశ ఎపిటాక్సీ (HVPE) GaCl3 మరియు NH3లను పూర్వగాములుగా ఉపయోగించుకుంటుంది. డెచ్‌ప్రోమ్ మరియు ఇతరులు. నీలమణి ఉపరితలాలపై అనేక వందల మైక్రోమీటర్ల మందపాటి GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలను పెంచడానికి ఈ పద్ధతిని ఉపయోగించారు. వారి ప్రయోగాలలో, నీలమణి ఉపరితలం మరియు ఎపిటాక్సియల్ పొర మధ్య ZnO బఫర్ పొరను పెంచారు, ఇది ఉపరితల ఉపరితలం నుండి ఎపిటాక్సియల్ పొరను ఒలిచివేయడానికి అనుమతిస్తుంది. MOCVD మరియు MBE లతో పోలిస్తే, HVPE యొక్క ప్రాథమిక ప్రయోజనం దాని అధిక వృద్ధి రేటు, ఇది మందపాటి పొరలు మరియు బల్క్ మెటీరియల్‌లను ఉత్పత్తి చేయడానికి అనుకూలంగా ఉంటుంది. అయినప్పటికీ, ఎపిటాక్సియల్ పొర మందం 20μm కంటే ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు, HVPE ద్వారా పెరిగిన పొరలు పగుళ్లకు గురవుతాయి.

అకిరా USUI HVPE పద్ధతి ఆధారంగా నమూనా సబ్‌స్ట్రేట్ టెక్నాలజీని పరిచయం చేసింది. ప్రారంభంలో, MOCVDని ఉపయోగించి నీలమణి ఉపరితలంపై 1-1.5μm మందపాటి సన్నని GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరను పెంచారు. ఈ పొర 20nm మందపాటి తక్కువ-ఉష్ణోగ్రత GaN బఫర్ లేయర్ మరియు అధిక-ఉష్ణోగ్రత GaN పొరను కలిగి ఉంటుంది. తదనంతరం, 430 ° C వద్ద, SiO2 యొక్క పొర ఎపిటాక్సియల్ పొర ఉపరితలంపై నిక్షిప్తం చేయబడింది మరియు ఫోటోలిథోగ్రఫీ ద్వారా SiO2 ఫిల్మ్‌పై విండో చారలు సృష్టించబడ్డాయి. చారల అంతరం 7μm, ముసుగు వెడల్పులు 1μm నుండి 4μm వరకు ఉంటాయి. ఈ మార్పు వాటిని 2-అంగుళాల వ్యాసం కలిగిన నీలమణి ఉపరితలాలపై GaN ఎపిటాక్సియల్ పొరలను ఉత్పత్తి చేయడానికి వీలు కల్పించింది, మందం పదుల లేదా వందల మైక్రోమీటర్‌లకు పెరిగినప్పటికీ పగుళ్లు లేకుండా మరియు అద్దం-మృదువుగా ఉంటుంది. లోపం సాంద్రత సాంప్రదాయ HVPE పద్ధతి యొక్క 109-1010 cm^-2 నుండి సుమారు 6×10^7 cm^-2కి తగ్గించబడింది. వృద్ధి రేటు 75μm/h[8] మించి ఉన్నప్పుడు నమూనా ఉపరితలం గరుకుగా మారిందని కూడా వారు గుర్తించారు. 

                                                                                                                   

                                                                                                                                     మూర్తి 6: స్కీమాటిక్ ఆఫ్ ప్యాటర్న్డ్ సబ్‌స్ట్రేట్

5. సారాంశం మరియు ఔట్లుక్

అపారమైన మార్కెట్ డిమాండ్ నిస్సందేహంగా GaN-సంబంధిత పరిశ్రమలు మరియు సాంకేతికతలలో గణనీయమైన పురోగతులను కలిగిస్తుంది. GaN కోసం పారిశ్రామిక గొలుసు పరిపక్వం చెందుతుంది మరియు మెరుగుపడుతుంది, GaN ఎపిటాక్సీలో ప్రస్తుత సవాళ్లు చివరికి తగ్గించబడతాయి లేదా అధిగమించబడతాయి. భవిష్యత్ పరిణామాలు కొత్త ఎపిటాక్సియల్ పద్ధతులు మరియు ఉన్నతమైన సబ్‌స్ట్రేట్ ఎంపికలను పరిచయం చేస్తాయి. ఈ పురోగతి విభిన్న అనువర్తన దృశ్యాల లక్షణాల ఆధారంగా అత్యంత అనుకూలమైన ఎపిటాక్సియల్ టెక్నాలజీ మరియు సబ్‌స్ట్రేట్‌ని ఎంచుకోవడానికి వీలు కల్పిస్తుంది, ఇది అత్యంత పోటీతత్వ, అనుకూలీకరించిన ఉత్పత్తుల ఉత్పత్తికి దారి తీస్తుంది.**

ప్రస్తావనలు:

[1] "అటెన్షన్" సెమీకండక్టర్ మెటీరియల్-గాలియం నైట్రైడ్ (baidu.com)

[2] టాంగ్ లిన్జియాంగ్, వాన్ చెంగాన్, జాంగ్ మింగ్హువా, లి యింగ్, వైడ్ బ్యాండ్‌గ్యాప్ సెమీకండక్టర్ మెటీరియల్స్ యొక్క పరిశోధన స్థితి SiC మరియు GaN, మిలిటరీ మరియు సివిలియన్ డ్యూయల్-యూజ్ టెక్నాలజీ మరియు ఉత్పత్తులు, మార్చి 2020, సంచిక 437, 21-28.

[3] వాంగ్ హువాన్, టియాన్ యే, సిలికాన్ సబ్‌స్ట్రేట్‌పై గాలియం నైట్రైడ్ యొక్క పెద్ద అసమతుల్య ఒత్తిడి నియంత్రణ పద్ధతిపై పరిశోధన, సైన్స్ అండ్ టెక్నాలజీ ఇన్నోవేషన్ అండ్ అప్లికేషన్, ఇష్యూ 3, 2023

[4]L.Liu, J.H.Edgar, గాలియం నైట్రైడ్ ఎపిటాక్సీకి సబ్‌స్ట్రేట్స్, మెటీరియల్స్ సైన్స్ అండ్ ఇంజనీరింగ్ R, 37(2002) 61-127.

[5]P.Ruterana, Philippe Vermaut, G.Nouet, A.Salvador, H.Morkoc, MBE ద్వారా 6H-SiC యొక్క (0001)Si ఉపరితలంపై 2H-GaN పెరుగుదలలో ఉపరితల చికిత్స మరియు పొర నిర్మాణం, MRS ఇంటర్నెట్ J. నైట్రైడ్ సెమికాండ్. Res.2(1997)42.

[6]M.A.సాంచెజ్-గార్సియా, F.B. Naranjo, J.L.Pau, A.Jimenez, E.Calleja, E.Munoz, GaN/AlGaN సింగిల్-హెటెరోజంక్షన్ లైట్-ఎమిటింగ్ డయోడ్‌లలో అతినీలలోహిత ఎలక్ట్రోల్యూమినిసెన్స్ Si(111), జర్నల్ ఆఫ్ అప్లైడ్ ఫిజిక్స్ 87,15069(20069)పై వృద్ధి చేయబడింది.

[7]జిన్‌కియాంగ్ వాంగ్, అకిహికో యోషికావా, GaN, AlN మరియు InN యొక్క మాలిక్యులర్ బీమ్ ఎపిటాక్సీ గ్రోత్, క్రిస్టల్ గ్రోత్ మరియు మెటీరియల్స్ క్యారెక్టరైజేషన్‌లో పురోగతి 48/49 (2004) 42-103.

[8]అకిరా ఉసుయి,హరువో సునకావా,అకిరా సకాయ్ మరియు A. అట్సుషి యమగుచి, హైడ్రైడ్ ఆవిరి దశ ఎపిటాక్సీ ద్వారా తక్కువ డిస్‌లోకేషన్ సాంద్రతతో మందపాటి GaN ఎపిటాక్సియల్ పెరుగుదల, Jpn. J. Appl. ఫిజి. వాల్యూమ్. 36 (1997) pp.899-902.