ग्लियम नाइट्राइड (GaN) एपिटैक्सी GaN सब्सट्रेट पर क्यों नहीं बढ़ता है?

की वृद्धिGaN एपिटैक्सीसिलिकॉन की तुलना में सामग्री के बेहतर गुणों के बावजूद, GaN सब्सट्रेट एक अनूठी चुनौती पेश करता है।GaN एपिटैक्सीसिलिकॉन-आधारित सामग्रियों की तुलना में बैंड गैप चौड़ाई, तापीय चालकता और ब्रेकडाउन विद्युत क्षेत्र के संदर्भ में महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करता है। यह अर्धचालकों की तीसरी पीढ़ी के लिए रीढ़ की हड्डी के रूप में GaN को अपनाना है, जो बढ़ी हुई शीतलन, कम चालन हानि और उच्च तापमान और आवृत्तियों के तहत बेहतर प्रदर्शन प्रदान करता है, जो फोटोनिक और माइक्रो-इलेक्ट्रॉनिक उद्योगों के लिए एक आशाजनक और महत्वपूर्ण प्रगति है।

तीसरी पीढ़ी की प्राथमिक अर्धचालक सामग्री के रूप में GaN, इसकी व्यापक प्रयोज्यता के कारण विशेष रूप से चमकता है और इसे सिलिकॉन के बाद सबसे महत्वपूर्ण सामग्रियों में से एक माना गया है। GaN पावर उपकरण वर्तमान सिलिकॉन-आधारित उपकरणों की तुलना में बेहतर विशेषताओं का प्रदर्शन करते हैं, जैसे उच्च महत्वपूर्ण विद्युत क्षेत्र की ताकत, कम ऑन-प्रतिरोध और तेज़ स्विचिंग आवृत्तियों, जिससे उच्च परिचालन तापमान के तहत सिस्टम दक्षता और प्रदर्शन में सुधार होता है।

GaN अर्धचालक मूल्य श्रृंखला में, जिसमें सब्सट्रेट शामिल है,GaN एपिटैक्सी, उपकरण डिज़ाइन, और विनिर्माण, सब्सट्रेट मूलभूत घटक के रूप में कार्य करता है। जिस पर सब्सट्रेट के रूप में काम करने के लिए GaN स्वाभाविक रूप से सबसे उपयुक्त सामग्री हैGaN एपिटैक्सीएक समरूप विकास प्रक्रिया के साथ इसकी आंतरिक अनुकूलता के कारण उगाया जाता है। यह भौतिक गुणों में असमानताओं के कारण तनाव की न्यूनतम डिग्री सुनिश्चित करता है, जिसके परिणामस्वरूप विषम सब्सट्रेट्स पर उगाए गए लोगों की तुलना में बेहतर गुणवत्ता की एपिटैक्सियल परतें उत्पन्न होती हैं। सब्सट्रेट के रूप में GaN का उपयोग करके, उच्च गुणवत्ता वाले GaN ज्ञानमीमांसा का उत्पादन किया जा सकता है, जिसमें नीलम जैसे सब्सट्रेट की तुलना में आंतरिक रूप से दोष घनत्व एक हजार गुना कम हो जाता है। यह एल ई डी के जंक्शन तापमान में महत्वपूर्ण कमी में योगदान देता है और प्रति इकाई क्षेत्र में ल्यूमेन में दस गुना वृद्धि को सक्षम बनाता है।

हालाँकि, GaN उपकरणों का पारंपरिक सब्सट्रेट उनके विकास से जुड़ी कठिनाई के कारण GaN एकल क्रिस्टल नहीं है। GaN एकल क्रिस्टल विकास में प्रगति पारंपरिक अर्धचालक सामग्रियों की तुलना में काफी धीमी गति से हुई है। चुनौती GaN क्रिस्टल की खेती में है जो लम्बी और लागत प्रभावी है। GaN का पहला संश्लेषण 1932 में हुआ, जिसमें सामग्री को विकसित करने के लिए अमोनिया और शुद्ध धातु गैलियम का उपयोग किया गया। तब से, GaN एकल क्रिस्टल सामग्रियों पर व्यापक शोध किया गया है, फिर भी चुनौतियाँ बनी हुई हैं। सामान्य दबाव में पिघलने में GaN की असमर्थता, ऊंचे तापमान पर इसका Ga और नाइट्रोजन (N2) में अपघटन, और इसका अपघटन दबाव जो 2,300 डिग्री सेल्सियस के पिघलने बिंदु पर 6 गीगापास्कल (GPa) तक पहुंच जाता है, मौजूदा विकास उपकरणों के लिए इसे समायोजित करना मुश्किल बना देता है। ऐसे उच्च दबाव पर GaN एकल क्रिस्टल का संश्लेषण। पारंपरिक पिघले हुए विकास के तरीकों को GaN एकल क्रिस्टल विकास के लिए नियोजित नहीं किया जा सकता है, इस प्रकार एपिटेक्सी के लिए विषम सब्सट्रेट्स के उपयोग की आवश्यकता होती है। GaN-आधारित उपकरणों की वर्तमान स्थिति में, विकास आम तौर पर एक सजातीय GaN सब्सट्रेट का उपयोग करने के बजाय सिलिकॉन, सिलिकॉन कार्बाइड और नीलमणि जैसे सब्सट्रेट्स पर किया जाता है, जिससे GaN एपीटैक्सियल उपकरणों के विकास में बाधा आती है और उन अनुप्रयोगों में बाधा आती है जिनके लिए एक सजातीय सब्सट्रेट की आवश्यकता होती है- विकसित उपकरण.

GaN एपिटैक्सी में कई प्रकार के सबस्ट्रेट्स कार्यरत हैं:

1. नीलमणि:नीलम, या α-Al2O3, एलईडी के लिए सबसे व्यापक वाणिज्यिक सब्सट्रेट है, जो एलईडी बाजार के एक महत्वपूर्ण हिस्से पर कब्जा करता है। इसके उपयोग को इसके अनूठे फायदों के लिए घोषित किया गया था, विशेष रूप से GaN एपीटैक्सियल विकास के संदर्भ में, जो सिलिकॉन कार्बाइड सब्सट्रेट्स पर उगाए गए समान रूप से कम अव्यवस्था घनत्व वाली फिल्मों का उत्पादन करता है। नीलम के निर्माण में पिघला हुआ विकास शामिल है, एक परिपक्व प्रक्रिया जो कम लागत और बड़े आकार में उच्च गुणवत्ता वाले एकल क्रिस्टल के उत्पादन को सक्षम बनाती है, जो औद्योगिक अनुप्रयोग के लिए उपयुक्त है। नतीजतन, नीलम एलईडी उद्योग में सबसे शुरुआती और सबसे प्रचलित सबस्ट्रेट्स में से एक है।

2. सिलिकन कार्बाइड:सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) एक चौथी पीढ़ी का अर्धचालक पदार्थ है जो एलईडी सब्सट्रेट्स के लिए बाजार हिस्सेदारी में नीलम के बाद दूसरे स्थान पर है। SiC को इसके विविध क्रिस्टल रूपों की विशेषता है, जिन्हें मुख्य रूप से तीन श्रेणियों में वर्गीकृत किया गया है: क्यूबिक (3C-SiC), हेक्सागोनल (4H-SiC), और रॉम्बोहेड्रल (15R-SiC)। अधिकांश SiC क्रिस्टल 3C, 4H और 6H हैं, 4H और 6H-SiC प्रकार का उपयोग GaN उपकरणों के लिए सब्सट्रेट के रूप में किया जाता है।

एलईडी सब्सट्रेट के रूप में सिलिकॉन कार्बाइड एक उत्कृष्ट विकल्प है। फिर भी, उच्च-गुणवत्ता, बड़े आकार वाले SiC एकल क्रिस्टल का उत्पादन चुनौतीपूर्ण बना हुआ है, और सामग्री की स्तरित संरचना इसे दरार का खतरा बनाती है, जो इसकी यांत्रिक अखंडता को प्रभावित करती है, संभावित रूप से सतह दोष पेश करती है जो एपिटैक्सियल परत की गुणवत्ता को प्रभावित करती है। एक एकल क्रिस्टल SiC सब्सट्रेट की लागत समान आकार के नीलमणि सब्सट्रेट से लगभग कई गुना अधिक है, जो इसकी प्रीमियम कीमत के कारण इसके व्यापक अनुप्रयोग को सीमित करती है।

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3. सिंगल क्रिस्टल सिलिकॉन:सिलिकॉन, सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला और औद्योगिक रूप से स्थापित अर्धचालक सामग्री होने के नाते, GaN एपिटैक्सियल सब्सट्रेट्स के उत्पादन के लिए एक ठोस आधार प्रदान करता है। उन्नत सिंगल क्रिस्टल सिलिकॉन विकास तकनीकों की उपलब्धता उच्च गुणवत्ता वाले, 6 से 12 इंच सब्सट्रेट का लागत प्रभावी, बड़े पैमाने पर उत्पादन सुनिश्चित करती है। यह एलईडी की लागत को काफी कम कर देता है और एकल क्रिस्टल सिलिकॉन सब्सट्रेट्स के उपयोग के माध्यम से एलईडी चिप्स और एकीकृत सर्किट के एकीकरण का मार्ग प्रशस्त करता है, जिससे लघुकरण में प्रगति होती है। इसके अलावा, नीलम की तुलना में, जो वर्तमान में सबसे आम एलईडी सब्सट्रेट है, सिलिकॉन-आधारित उपकरण तापीय चालकता, विद्युत चालकता, ऊर्ध्वाधर संरचनाओं को बनाने की क्षमता और उच्च शक्ति एलईडी निर्माण के लिए बेहतर फिट के मामले में लाभ प्रदान करते हैं।**