तीसरी पीढ़ी के सेमीकंडक्टर्स का परिचय: GaN और संबंधित एपिटैक्सियल टेक्नोलॉजीज

1. तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक

(1) पहली पीढ़ी के अर्धचालक

पहली पीढ़ी की अर्धचालक तकनीक सिलिकॉन (Si) और जर्मेनियम (Ge) जैसी सामग्रियों पर आधारित है। इन सामग्रियों ने ट्रांजिस्टर और एकीकृत सर्किट (आईसी) प्रौद्योगिकी की नींव रखी, जिसने बदले में 20वीं सदी के इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग का आधार स्थापित किया।

(2) दूसरी पीढ़ी के अर्धचालक
दूसरी पीढ़ी के अर्धचालक सामग्रियों में मुख्य रूप से गैलियम आर्सेनाइड (GaAs), इंडियम फॉस्फाइड (InP), गैलियम फॉस्फाइड (GaP), इंडियम आर्सेनाइड (InAs), एल्यूमीनियम आर्सेनाइड (AlAs), और उनके टर्नरी यौगिक शामिल हैं। ये सामग्रियां ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक सूचना उद्योग की रीढ़ बनती हैं, जिससे प्रकाश, प्रदर्शन, लेजर, फोटोवोल्टिक और अन्य संबंधित उद्योगों का विकास हुआ है। इनका उपयोग समकालीन सूचना प्रौद्योगिकी और ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक डिस्प्ले उद्योगों में व्यापक रूप से किया जाता है।

(3) तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक
तीसरी पीढ़ी के अर्धचालकों की प्रतिनिधि सामग्रियों में गैलियम नाइट्राइड (GaN) और सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) शामिल हैं। अपने व्यापक बैंडगैप, उच्च इलेक्ट्रॉन संतृप्ति बहाव वेग, उच्च तापीय चालकता और बड़े ब्रेकडाउन विद्युत क्षेत्रों के कारण, ये सामग्रियां उच्च शक्ति घनत्व, उच्च आवृत्ति और कम-नुकसान वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए आदर्श हैं। SiC बिजली उपकरणों में उच्च ऊर्जा घनत्व, कम ऊर्जा खपत और छोटे आकार होते हैं, जो उन्हें इलेक्ट्रिक वाहनों, फोटोवोल्टिक, रेल परिवहन और बड़े डेटा क्षेत्रों में अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाते हैं। GaN RF उपकरणों में उच्च आवृत्ति, उच्च शक्ति, विस्तृत बैंडविड्थ, कम बिजली की खपत और छोटे आकार की सुविधा होती है, जो 5G संचार, इंटरनेट ऑफ थिंग्स (IoT) और सैन्य रडार अनुप्रयोगों के लिए फायदेमंद हैं। इसके अतिरिक्त, GaN-आधारित बिजली उपकरण अब कम-वोल्टेज अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं। उभरती गैलियम ऑक्साइड (Ga2O3) सामग्रियां मौजूदा SiC और GaN प्रौद्योगिकियों को पूरक करने की क्षमता भी दिखाती हैं, विशेष रूप से कम-आवृत्ति, उच्च-वोल्टेज अनुप्रयोगों में।

दूसरी पीढ़ी के सेमीकंडक्टर सामग्रियों की तुलना में, तीसरी पीढ़ी की सामग्रियों में व्यापक बैंडगैप होता है (सामान्य Si में लगभग 1.1 eV का बैंडगैप होता है, GaAs लगभग 1.42 eV होता है, जबकि GaN 2.3 eV से अधिक होता है), मजबूत विकिरण प्रतिरोध, उच्च विद्युत क्षेत्र ब्रेकडाउन प्रदर्शन और बेहतर होता है। उच्च तापमान सहनशक्ति. ये विशेषताएँ तीसरी पीढ़ी के अर्धचालक पदार्थों को विशेष रूप से विकिरण-प्रतिरोधी, उच्च-आवृत्ति, उच्च-शक्ति और उच्च-एकीकरण घनत्व इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए उपयुक्त बनाती हैं। वे माइक्रोवेव आरएफ उपकरणों, एलईडी, लेजर और बिजली उपकरणों में महत्वपूर्ण प्रगति कर रहे हैं, और मोबाइल संचार, स्मार्ट ग्रिड, रेल परिवहन, इलेक्ट्रिक वाहन, उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स, और पराबैंगनी और नीली-हरी रोशनी उपकरणों में आशाजनक संभावनाएं दिखाते हैं [1]।

चित्र 1: GaN पावर उपकरणों का बाज़ार आकार और पूर्वानुमान

2. GaN की संरचना और विशेषताएँ

गैलियम नाइट्राइड (GaN) एक प्रत्यक्ष बैंडगैप अर्धचालक है, जिसकी वर्टज़ाइट संरचना में कमरे के तापमान पर लगभग 3.26 eV का बैंडगैप होता है। GaN मुख्य रूप से तीन क्रिस्टलीय संरचनाओं में मौजूद है: वर्टज़ाइट, जिंकब्लेंड और सेंधा-नमक। इनमें से वर्टज़ाइट संरचना सबसे अधिक स्थिर है।चित्र 2 GaN की हेक्सागोनल वर्ट्ज़ाइट संरचना को प्रदर्शित करता है. वर्टज़ाइट संरचना में, GaN हेक्सागोनल क्लोज-पैक्ड कॉन्फ़िगरेशन से संबंधित है। प्रत्येक इकाई कोशिका में 12 परमाणु होते हैं, जिनमें 6 नाइट्रोजन (एन) परमाणु और 6 गैलियम (गा) परमाणु शामिल हैं। प्रत्येक Ga (N) परमाणु 4 निकटतम N (Ga) परमाणुओं से बंधा होता है, जो ABABAB… पैटर्न [2] में [0001] दिशा के साथ एक स्टैकिंग अनुक्रम बनाता है।

चित्र 2: GaN यूनिट सेल की वर्टज़ाइट संरचना

3. GaN एपिटैक्सी के लिए सामान्य सबस्ट्रेट्स

पहली नज़र में, GaN सबस्ट्रेट्स पर होमोएपिटैक्सी, GaN एपिटैक्सी के लिए इष्टतम विकल्प प्रतीत होता है। हालाँकि, GaN की उच्च बंधन ऊर्जा के कारण, इसके पिघलने बिंदु (2500°C) पर, संबंधित अपघटन दबाव लगभग 4.5 GPa है। इस दबाव के नीचे, GaN पिघलता नहीं है बल्कि सीधे विघटित हो जाता है। यह पारंपरिक सब्सट्रेट तैयारी तकनीकों, जैसे कि Czochralski विधि, को GaN सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेट्स की तैयारी के लिए अनुपयुक्त बनाता है। नतीजतन, GaN सबस्ट्रेट्स का बड़े पैमाने पर उत्पादन करना मुश्किल है और महंगा है। इसलिए, GaN एपिटैक्सी के लिए आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले सब्सट्रेट्स में Si, SiC और नीलमणि शामिल हैं [3]।

चित्र 3: GaN और सामान्य सब्सट्रेट सामग्री के पैरामीटर

(1) नीलमणि पर GaN Epitaxy

नीलम रासायनिक रूप से स्थिर, सस्ता है, और बड़े पैमाने पर उत्पादन में इसकी परिपक्वता की उच्च डिग्री है, जो इसे सेमीकंडक्टर डिवाइस इंजीनियरिंग में सबसे शुरुआती और सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली सब्सट्रेट सामग्री में से एक बनाती है। GaN एपिटैक्सी के लिए एक सामान्य सब्सट्रेट के रूप में, नीलमणि सब्सट्रेट्स को निम्नलिखित प्रमुख मुद्दों को संबोधित करने की आवश्यकता है:

✔ उच्च जाली बेमेल: नीलमणि (Al2O3) और GaN के बीच जाली बेमेल महत्वपूर्ण (लगभग 15%) है, जिससे एपिटैक्सियल परत और सब्सट्रेट के बीच इंटरफ़ेस पर एक उच्च दोष घनत्व होता है। इस प्रतिकूल प्रभाव को कम करने के लिए, एपिटैक्सियल प्रक्रिया शुरू होने से पहले सब्सट्रेट को जटिल पूर्व-प्रसंस्करण से गुजरना होगा। इसमें दूषित पदार्थों और अवशिष्ट पॉलिशिंग क्षति को हटाने के लिए पूरी तरह से सफाई करना, चरण और चरण सतह संरचनाएं बनाना, एपिटैक्सियल परत के गीले गुणों को बदलने के लिए सतह नाइट्रिडेशन, और अंत में एक पतली एएलएन बफर परत (आमतौर पर 10-100 एनएम मोटी) जमा करना शामिल है, जिसके बाद कम -अंतिम एपीटैक्सियल वृद्धि की तैयारी के लिए तापमान की घोषणा। इन उपायों के बावजूद, नीलमणि सब्सट्रेट्स पर विकसित GaN एपीटैक्सियल फिल्मों में अव्यवस्था घनत्व सिलिकॉन या GaAs (0 से 102-104 सेमी^-2 की अव्यवस्था घनत्व) पर होमोएपिटैक्सी की तुलना में उच्च (~ 10^10 सेमी^-2) रहता है। उच्च दोष घनत्व वाहक गतिशीलता को कम करते हैं, अल्पसंख्यक वाहक जीवनकाल को छोटा करते हैं, और तापीय चालकता को कम करते हैं, जो सभी डिवाइस के प्रदर्शन को ख़राब करते हैं [4]।

✔ थर्मल विस्तार गुणांक बेमेल: नीलम में GaN की तुलना में अधिक थर्मल विस्तार गुणांक होता है, जिसके परिणामस्वरूप एपिटैक्सियल परत के भीतर द्विअक्षीय संपीड़न तनाव होता है क्योंकि यह जमाव तापमान से कमरे के तापमान तक ठंडा होता है। मोटी एपिटैक्सियल फिल्मों के लिए, यह तनाव फिल्म या यहां तक ​​कि सब्सट्रेट क्रैकिंग का कारण बन सकता है।

✔ खराब तापीय चालकता: अन्य सबस्ट्रेट्स की तुलना में, नीलम में कम तापीय चालकता (~0.25 Wcm^-1K^-1 100°C पर) होती है, जो गर्मी अपव्यय के लिए हानिकारक है।

✔ कम विद्युत चालकता: नीलम की खराब विद्युत चालकता अन्य अर्धचालक उपकरणों के साथ इसके एकीकरण और अनुप्रयोग में बाधा डालती है।

नीलमणि पर उगाए गए GaN एपीटैक्सियल परतों में उच्च दोष घनत्व के बावजूद, GaN-आधारित नीले-हरे एलईडी में इसका ऑप्टिकल और इलेक्ट्रॉनिक प्रदर्शन काफी कम नहीं दिखता है। इसलिए, GaN-आधारित LED के लिए नीलमणि सब्सट्रेट सामान्य रहते हैं। हालाँकि, जैसे-जैसे अधिक GaN उपकरण जैसे लेज़र और अन्य उच्च-घनत्व वाले बिजली उपकरण विकसित होते हैं, नीलमणि सब्सट्रेट की अंतर्निहित सीमाएँ तेजी से स्पष्ट होती जाती हैं।

(2) SiC पर GaN एपिटैक्सी

नीलम की तुलना में, SiC सबस्ट्रेट्स (4H- और 6H-पॉलीटाइप) में GaN एपीटैक्सियल परतों ([0001] दिशा के साथ 3.1%), उच्च तापीय चालकता (लगभग 3.8 Wcm^-1K^-1) के साथ एक छोटा जाली बेमेल होता है, और विद्युत चालकता जो डिवाइस संरचनाओं को सरल बनाते हुए, पीछे के विद्युत संपर्कों की अनुमति देती है। ये फायदे SiC सबस्ट्रेट्स पर GaN एपीटाक्सी का पता लगाने के लिए शोधकर्ताओं की बढ़ती संख्या को आकर्षित करते हैं। हालाँकि, SiC सबस्ट्रेट्स पर GaN एपिटैक्सियल परतों की प्रत्यक्ष वृद्धि को भी कई चुनौतियों का सामना करना पड़ता है:

✔ सतह खुरदरापन: SiC सबस्ट्रेट्स में नीलम सब्सट्रेट्स की तुलना में बहुत अधिक सतह खुरदरापन होता है (नीलम के लिए 0.1 एनएम आरएमएस, SiC के लिए 1 एनएम आरएमएस)। SiC की उच्च कठोरता और खराब मशीनेबिलिटी इस खुरदरेपन और अवशिष्ट पॉलिशिंग क्षति में योगदान करती है, जो GaN एपिटैक्सियल परतों में दोषों का स्रोत है।

✔ उच्च थ्रेडिंग डिस्लोकेशन घनत्व: SiC सब्सट्रेट्स में उच्च थ्रेडिंग डिस्लोकेशन घनत्व (103-104 सेमी^-2) होता है, जो GaN एपिटैक्सियल परत में फैल सकता है और डिवाइस के प्रदर्शन को ख़राब कर सकता है।

✔ स्टैकिंग दोष: सब्सट्रेट सतह पर परमाणु व्यवस्था GaN एपीटैक्सियल परतों में स्टैकिंग दोष (बीएसएफ) उत्पन्न कर सकती है। SiC सब्सट्रेट पर कई संभावित परमाणु व्यवस्थाएं GaN परत में गैर-समान प्रारंभिक परमाणु स्टैकिंग अनुक्रमों को जन्म देती हैं, जिससे स्टैकिंग दोषों की संभावना बढ़ जाती है। सी-एक्सिस के साथ बीएसएफ अंतर्निर्मित विद्युत क्षेत्रों का परिचय देते हैं, जिससे उपकरणों में वाहक पृथक्करण और रिसाव की समस्याएं पैदा होती हैं।

✔ थर्मल विस्तार गुणांक बेमेल: SiC का थर्मल विस्तार गुणांक AlN और GaN की तुलना में छोटा है, जिससे शीतलन के दौरान एपिटैक्सियल परत और सब्सट्रेट के बीच थर्मल तनाव संचय होता है। वाल्टेरिट और ब्रांड के शोध से पता चलता है कि पतली, सुसंगत रूप से तनावपूर्ण AlN न्यूक्लिएशन परत पर GaN एपिटैक्सियल परत को विकसित करके इस समस्या को कम किया जा सकता है।

✔ Ga परमाणुओं का खराब गीलापन: Ga परमाणुओं के खराब गीलेपन के कारण SiC सतहों पर GaN का प्रत्यक्ष विकास मुश्किल है। GaN एक 3डी द्वीप मोड में विकसित होता है, एपिटैक्सियल सामग्रियों की गुणवत्ता में सुधार के लिए बफर परतों को पेश करना एक सामान्य समाधान है। AlN या AlxGa1-xN बफर परतों का परिचय SiC सतह पर गीलापन में सुधार कर सकता है, GaN एपिटैक्सियल परत के 2D विकास को बढ़ावा दे सकता है और तनाव को नियंत्रित करने और सब्सट्रेट दोषों को GaN परत में फैलने से रोक सकता है।

✔ उच्च लागत और सीमित आपूर्ति: SiC सब्सट्रेट तैयारी तकनीक अपरिपक्व है, जिसके कारण सब्सट्रेट की लागत अधिक है और कुछ विक्रेताओं से सीमित आपूर्ति होती है।

टोरेस एट अल द्वारा अनुसंधान। इंगित करता है कि उच्च तापमान (1600 डिग्री सेल्सियस) पर एच2 के साथ सीआईसी सब्सट्रेट को पूर्व-नक़्क़ाशी करने से अधिक व्यवस्थित चरण संरचनाएं बनती हैं, जिसके परिणामस्वरूप अनुपचारित सब्सट्रेट पर सीधे उगाए गए सब्सट्रेट की तुलना में उच्च गुणवत्ता वाली एएलएन एपिटैक्सियल फिल्में बनती हैं। ज़ी और उनकी टीम ने यह भी प्रदर्शित किया कि SiC सब्सट्रेट्स की नक़्क़ाशी पूर्व-उपचार से GaN एपिटैक्सियल परतों की सतह आकृति विज्ञान और क्रिस्टल गुणवत्ता में काफी सुधार होता है। स्मिथ एट अल. पाया गया कि सब्सट्रेट/बफर परत और बफर परत/एपिटैक्सियल परत इंटरफेस से थ्रेडिंग डिस्लोकेशन सब्सट्रेट समतलता से संबंधित हैं [5]।

चित्र 4: विभिन्न सतह उपचारों के तहत 6H-SiC सबस्ट्रेट्स के चेहरे (0001) पर उगाए गए GaN एपीटैक्सियल परतों की टीईएम आकृति विज्ञान: (ए) रासायनिक सफाई; (बी) रासायनिक सफाई + हाइड्रोजन प्लाज्मा उपचार; © रासायनिक सफाई + हाइड्रोजन प्लाज्मा उपचार + 30 मिनट के लिए 1300°C हाइड्रोजन थर्मल उपचार

(3) Si पर GaN एपिटैक्सी

SiC और नीलमणि सबस्ट्रेट्स की तुलना में, सिलिकॉन सबस्ट्रेट्स परिपक्व तैयारी प्रक्रियाओं, स्थिर बड़े आकार की सब्सट्रेट आपूर्ति, लागत-प्रभावशीलता और उत्कृष्ट तापीय और विद्युत चालकता का दावा करते हैं। इसके अतिरिक्त, परिपक्व सिलिकॉन इलेक्ट्रॉनिक उपकरण प्रौद्योगिकी सिलिकॉन इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के साथ ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक GaN उपकरणों के पूर्ण एकीकरण की क्षमता प्रदान करती है, जिससे सिलिकॉन पर GaN एपिटैक्सी अत्यधिक आकर्षक हो जाती है। हालाँकि, Si सबस्ट्रेट्स और GaN सामग्रियों के बीच महत्वपूर्ण जाली निरंतर बेमेल कई चुनौतियाँ प्रस्तुत करता है।

✔ इंटरफ़ेस ऊर्जा मुद्दे: जब GaN को Si सबस्ट्रेट्स पर उगाया जाता है, तो Si सतह पहले एक अनाकार SiNx परत बनाती है, जो उच्च-घनत्व वाले GaN न्यूक्लिएशन के लिए हानिकारक है। इसके अतिरिक्त, Si सतहें प्रारंभ में Ga के साथ प्रतिक्रिया करती हैं, जिससे सतह का क्षरण होता है, और उच्च तापमान पर, Si सतह का अपघटन GaN एपीटैक्सियल परत में फैल सकता है, जिससे काले सिलिकॉन धब्बे बन सकते हैं।

✔ जाली बेमेल: GaN और Si के बीच बड़े जाली निरंतर बेमेल (~ 17%) के परिणामस्वरूप उच्च-घनत्व थ्रेडिंग अव्यवस्थाएं होती हैं, जिससे एपिटैक्सियल परत की गुणवत्ता काफी कम हो जाती है।

✔ थर्मल विस्तार गुणांक बेमेल: GaN में Si (GaN ~5.6×10^-6 K^-1, Si ~2.6×10^-6 K^-1) की तुलना में बड़ा थर्मल विस्तार गुणांक है, जो GaN में दरारें पैदा कर सकता है। एपिटैक्सियल विकास तापमान से कमरे के तापमान तक ठंडा होने के दौरान एपिटैक्सियल परत।

✔ उच्च तापमान प्रतिक्रियाएं: Si उच्च तापमान पर NH3 के साथ प्रतिक्रिया करता है, जिससे पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx बनता है। AlN पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx पर अधिमानतः न्यूक्लियेट नहीं कर सकता है, जिससे बहुत अधिक दोष घनत्व के साथ अत्यधिक अव्यवस्थित GaN वृद्धि होती है, जिससे एकल-क्रिस्टल GaN एपिटैक्सियल परतें बनाना चुनौतीपूर्ण हो जाता है [6]।

बड़े जाली बेमेल को संबोधित करने के लिए, शोधकर्ताओं ने Si सब्सट्रेट्स पर बफर परतों के रूप में AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO और SiC जैसी सामग्रियों को पेश करने का प्रयास किया है। पॉलीक्रिस्टलाइन SiNx के गठन को रोकने और GaN/AlN/Si (111) की क्रिस्टल गुणवत्ता पर इसके प्रतिकूल प्रभाव को कम करने के लिए, NH3 को उजागर Si सतह के साथ प्रतिक्रिया करने से रोकने के लिए आमतौर पर AlN बफर परत के एपिटैक्सियल विकास से पहले TMAl को पेश किया जाता है। इसके अतिरिक्त, एपिटैक्सियल परत की गुणवत्ता में सुधार के लिए पैटर्न वाले सब्सट्रेट्स जैसी तकनीकों का उपयोग किया जाता है। ये विकास एपिटैक्सियल इंटरफ़ेस पर SiNx के गठन को दबाने में मदद करते हैं, GaN एपिटैक्सियल परत के 2डी विकास को बढ़ावा देते हैं और विकास की गुणवत्ता को बढ़ाते हैं। AlN बफर परतों का परिचय थर्मल विस्तार गुणांक में अंतर के कारण होने वाले तन्य तनाव की भरपाई करता है, जिससे सिलिकॉन सब्सट्रेट्स पर GaN परत में दरार को रोका जा सकता है। क्रोस्ट का शोध एएलएन बफर परत की मोटाई और कम तनाव के बीच एक सकारात्मक सहसंबंध को इंगित करता है, जो उचित विकास योजनाओं के माध्यम से, बिना दरार के सिलिकॉन सब्सट्रेट पर 6 माइक्रोन से अधिक मोटी एपिटैक्सियल परतों के विकास की अनुमति देता है।

व्यापक अनुसंधान प्रयासों के लिए धन्यवाद, सिलिकॉन सब्सट्रेट्स पर उगाए गए GaN एपिटैक्सियल परतों की गुणवत्ता में काफी सुधार हुआ है। क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर, शोट्की बैरियर पराबैंगनी डिटेक्टर, नीली-हरी एलईडी और पराबैंगनी लेजर सभी ने महत्वपूर्ण प्रगति की है।

निष्कर्ष में, सामान्य GaN एपिटैक्सियल सब्सट्रेट सभी हेटेरोएपिटैक्सियल हैं, जो जाली बेमेल और थर्मल विस्तार गुणांक अंतर की अलग-अलग डिग्री का सामना कर रहे हैं। होमोएपिटैक्सियल GaN सब्सट्रेट अपरिपक्व प्रौद्योगिकी, उच्च उत्पादन लागत, छोटे सब्सट्रेट आकार और उप-इष्टतम गुणवत्ता द्वारा सीमित हैं, जिससे नए GaN एपिटैक्सियल सब्सट्रेट का विकास और एपिटैक्सियल गुणवत्ता में सुधार उद्योग की आगे की प्रगति के लिए महत्वपूर्ण कारक बन जाता है।

4. GaN एपिटैक्सी के लिए सामान्य तरीके

(1) एमओसीवीडी (धातु-कार्बनिक रासायनिक वाष्प जमाव)

जबकि GaN सबस्ट्रेट्स पर होमोएपिटैक्सी, GaN एपिटैक्सी के लिए इष्टतम विकल्प प्रतीत होता है, मेटल-ऑर्गेनिक केमिकल वाष्प जमाव (MOCVD) महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करता है। ट्राइमेथिलगैलियम और अमोनिया को अग्रदूत के रूप में और हाइड्रोजन को वाहक गैस के रूप में उपयोग करते हुए, एमओसीवीडी आमतौर पर 1000-1100 डिग्री सेल्सियस के आसपास के विकास तापमान पर काम करता है। एमओसीवीडी की वृद्धि दर कई माइक्रोमीटर प्रति घंटे की सीमा में है। यह विधि परमाणु रूप से तेज इंटरफेस का उत्पादन कर सकती है, जो इसे बढ़ते हेटेरोजंक्शन, क्वांटम कुएं और सुपरलैटिस के लिए आदर्श बनाती है। इसकी अपेक्षाकृत उच्च विकास गति, उत्कृष्ट एकरूपता और बड़े क्षेत्र और बहु-वेफर विकास के लिए उपयुक्तता इसे औद्योगिक उत्पादन के लिए एक मानक विधि बनाती है।

(2) एमबीई (आण्विक बीम एपिटैक्सी)

आणविक बीम एपिटैक्सी (एमबीई) में, गैलियम के लिए मौलिक स्रोतों का उपयोग किया जाता है, और सक्रिय नाइट्रोजन नाइट्रोजन गैस से आरएफ प्लाज्मा के माध्यम से उत्पन्न होता है। एमओसीवीडी की तुलना में, एमबीई काफी कम विकास तापमान, लगभग 350-400 डिग्री सेल्सियस पर काम करता है। यह कम तापमान उच्च तापमान वाले वातावरण में उत्पन्न होने वाले कुछ संदूषण मुद्दों से बच सकता है। एमबीई सिस्टम अल्ट्रा-हाई वैक्यूम स्थितियों के तहत काम करते हैं, जिससे अधिक इन-सीटू निगरानी तकनीकों के एकीकरण की अनुमति मिलती है। हालाँकि, एमबीई की विकास दर और उत्पादन क्षमता एमओसीवीडी से मेल नहीं खा सकती है, जो इसे अनुसंधान अनुप्रयोगों के लिए अधिक उपयुक्त बनाती है [7]।

चित्र 5: (ए) ईको-एमबीई का योजनाबद्ध (बी) एमबीई मुख्य प्रतिक्रिया कक्ष का योजनाबद्ध

(3) एचवीपीई (हाइड्राइड वाष्प चरण एपिटैक्सी)

हाइड्राइड वाष्प चरण एपिटैक्सी (HVPE) GaCl3 और NH3 को अग्रदूत के रूप में उपयोग करता है। डेचप्रोम एट अल. नीलमणि सबस्ट्रेट्स पर कई सौ माइक्रोमीटर मोटी GaN एपिटैक्सियल परतें विकसित करने के लिए इस विधि का उपयोग किया। उनके प्रयोगों में, नीलमणि सब्सट्रेट और एपिटैक्सियल परत के बीच एक ZnO बफर परत विकसित की गई, जिससे एपिटैक्सियल परत को सब्सट्रेट सतह से छील दिया जा सके। एमओसीवीडी और एमबीई की तुलना में, एचवीपीई का प्राथमिक लाभ इसकी उच्च विकास दर है, जो इसे मोटी परतों और थोक सामग्री के उत्पादन के लिए उपयुक्त बनाती है। हालाँकि, जब एपिटैक्सियल परत की मोटाई 20μm से अधिक हो जाती है, तो HVPE द्वारा विकसित परतों के टूटने का खतरा होता है।

अकीरा यूएसयूआई ने एचवीपीई पद्धति पर आधारित पैटर्न वाली सब्सट्रेट तकनीक पेश की। प्रारंभ में, 1-1.5μm मोटी एक पतली GaN एपिटैक्सियल परत, MOCVD का उपयोग करके नीलमणि सब्सट्रेट पर उगाई गई थी। इस परत में 20 एनएम मोटी कम तापमान वाली GaN बफर परत और एक उच्च तापमान वाली GaN परत शामिल थी। इसके बाद, 430°C पर, एपिटैक्सियल परत की सतह पर SiO2 की एक परत जमा की गई, और फोटोलिथोग्राफी के माध्यम से SiO2 फिल्म पर खिड़की की धारियां बनाई गईं। धारियों की दूरी 7μm थी, मास्क की चौड़ाई 1μm से 4μm तक थी। इस संशोधन ने उन्हें 2-इंच व्यास वाले नीलमणि सब्सट्रेट्स पर GaN एपिटैक्सियल परतें बनाने में सक्षम बनाया, जो मोटाई दसियों या सैकड़ों माइक्रोमीटर तक बढ़ने पर भी दरार-मुक्त और दर्पण-चिकनी बनी रही। दोष घनत्व को पारंपरिक एचवीपीई विधि के 109-1010 सेमी^-2 से घटाकर लगभग 6×10^7 सेमी^-2 कर दिया गया था। उन्होंने यह भी नोट किया कि जब विकास दर 75μm/h[8] से अधिक हो गई तो नमूना सतह खुरदरी हो गई। 

                                                                                                                   

                                                                                                                                     चित्र 6: पैटर्नयुक्त सब्सट्रेट का योजनाबद्ध

5. सारांश और आउटलुक

बाजार की भारी मांग निस्संदेह GaN-संबंधित उद्योगों और प्रौद्योगिकियों में महत्वपूर्ण प्रगति को बढ़ावा देगी। जैसे-जैसे GaN के लिए औद्योगिक श्रृंखला परिपक्व और बेहतर होती है, GaN एपिटैक्सी में मौजूदा चुनौतियाँ अंततः कम हो जाएंगी या दूर हो जाएंगी। भविष्य के विकास में संभवतः नई एपिटैक्सियल तकनीक और बेहतर सब्सट्रेट विकल्प पेश किए जाएंगे। यह प्रगति विभिन्न अनुप्रयोग परिदृश्यों की विशेषताओं के आधार पर सबसे उपयुक्त एपिटैक्सियल तकनीक और सब्सट्रेट के चयन को सक्षम करेगी, जिससे अत्यधिक प्रतिस्पर्धी, अनुकूलित उत्पादों का उत्पादन हो सकेगा।**

सन्दर्भ:

[1] "ध्यान दें" सेमीकंडक्टर सामग्री-गैलियम नाइट्राइड (baidu.com)

[2] तांग लिनजियांग, वान चेंगान, झांग मिंगहुआ, ली यिंग, वाइड बैंडगैप सेमीकंडक्टर सामग्री SiC और GaN की अनुसंधान स्थिति, सैन्य और नागरिक दोहरे उपयोग प्रौद्योगिकी और उत्पाद, मार्च 2020, अंक 437, 21-28।

[3] वांग हुआन, तियान ये, सिलिकॉन सब्सट्रेट पर गैलियम नाइट्राइड के बड़े बेमेल तनाव नियंत्रण विधि पर शोध, विज्ञान और प्रौद्योगिकी नवाचार और अनुप्रयोग, अंक 3, 2023

[4] एल.लियू, जे.एच.एडगर, सबस्ट्रेट्स फॉर गैलियम नाइट्राइड एपिटैक्सी, मैटेरियल्स साइंस एंड इंजीनियरिंग आर, 37(2002) 61-127।

[5]पी.रूटेराना, फिलिप वर्मौट, जी.नूएट, ए.सल्वाडोर, एच.मोर्कॉक, एमबीई, एमआरएस इंटरनेट जे द्वारा 6एच-एसआईसी की (0001)सी सतह पर 2एच-जीएएन वृद्धि में सतह उपचार और परत संरचना। नाइट्राइड सेमीकंड. रेस.2(1997)42.

[6] एम.ए.सांचेज-गार्सिया, एफ.बी. नारंजो, जे.एल.पाउ, ए. जिमेनेज़, ई. कैलेजा, ई. मुनोज़, Si(111), जर्नल ऑफ एप्लाइड फिजिक्स 87,1569(2000) पर विकसित GaN/AlGaN सिंगल-हेटरोजंक्शन लाइट-एमिटिंग डायोड में पराबैंगनी इलेक्ट्रोल्यूमिनेसेंस।

[7] ज़िनकियांग वांग, अकिहिको योशिकावा, GaN, AlN और InN की आणविक बीम एपिटेक्सी वृद्धि, क्रिस्टल ग्रोथ में प्रगति और सामग्री की विशेषता 48/49 (2004) 42-103।

[8] अकीरा उसुई, हारुओ सुनाकावा, अकीरा सकाई और ए. अत्सुशी यामागुची, हाइड्राइड वाष्प चरण एपिटैक्सी, जेपीएन द्वारा कम अव्यवस्था घनत्व के साथ मोटी GaN एपिटैक्सियल वृद्धि। जे. अप्पल. भौतिक. वॉल्यूम. 36 (1997) पृ.899-902।