တတိယမျိုးဆက် Semiconductors မိတ်ဆက်- GaN နှင့် သက်ဆိုင်ရာ Epitaxial နည်းပညာများ

1. တတိယမျိုးဆက် Semiconductors

(၁) ပထမမျိုးဆက် Semiconductors

ပထမမျိုးဆက် semiconductor နည်းပညာသည် ဆီလီကွန် (Si) နှင့် ဂျာမနီယမ် (Ge) ကဲ့သို့သော ပစ္စည်းများပေါ်တွင် အခြေခံထားသည်။ အဆိုပါပစ္စည်းများသည် ထရန်စစ္စတာနှင့် ပေါင်းစပ်ပတ်လမ်း (IC) နည်းပညာအတွက် အခြေခံအုတ်မြစ်ချပေးခဲ့ပြီး ၎င်းသည် 20 ရာစု အီလက်ထရွန်နစ်စက်မှုလုပ်ငန်း၏ အခြေခံကို တည်ထောင်ခဲ့သည်။

(၂) Second-Generation Semiconductors များ
ဒုတိယမျိုးဆက် တစ်ပိုင်းလျှပ်ကူးပစ္စည်း ပစ္စည်းများတွင် အဓိကအားဖြင့် ဂါလီယမ် အာဆင်းနိုက် (GaAs)၊ အင်ဒီယမ် ဖော့စ်ဖိုက် (InP)၊ ဂါလီယမ် ဖော့စ်ဖိုက် (GaP)၊ အင်ဒီယမ် အာဆင်းနိုက် (InAs)၊ အလူမီနီယမ် အာဆင်းနိုက် (AlAs) နှင့် ၎င်းတို့၏ တာနရီဒြပ်ပေါင်းများ ပါဝင်သည်။ ဤပစ္စည်းများသည် အလင်းရောင်၊ မျက်နှာပြင်ပြသမှု၊ လေဆာ၊ photovoltaic နှင့် အခြားဆက်စပ်စက်မှုလုပ်ငန်းများ ဖွံ့ဖြိုးတိုးတက်လာစေရန် ဦးတည်စေသည့် optoelectronic သတင်းအချက်အလက်စက်မှုလုပ်ငန်း၏ ကျောရိုးဖြစ်သည်။ ၎င်းတို့ကို ခေတ်ပြိုင်သတင်းအချက်အလက်နည်းပညာနှင့် optoelectronic display လုပ်ငန်းများတွင် တွင်ကျယ်စွာအသုံးပြုကြသည်။

(၃) တတိယမျိုးဆက် Semiconductors
တတိယမျိုးဆက် တစ်ပိုင်းလျှပ်ကူးပစ္စည်း၏ ကိုယ်စားပြုပစ္စည်းများတွင် ဂါလီယမ်နိုက်ထရိတ် (GaN) နှင့် ဆီလီကွန်ကာဗိုက် (SiC) တို့ဖြစ်သည်။ ၎င်းတို့၏ ကျယ်ပြန့်သော bandgap၊ မြင့်မားသော အီလက်ထရွန် ရွှဲပျံပျံ့နှုန်း၊ မြင့်မားသော အပူစီးကူးမှုနှင့် ကြီးမားသော ပြိုကွဲနေသော လျှပ်စစ်စက်ကွင်းများကြောင့်၊ ဤပစ္စည်းများသည် ပါဝါသိပ်သည်းဆမြင့်မားမှု၊ ကြိမ်နှုန်းမြင့်မားမှုနှင့် ဆုံးရှုံးမှုနည်းပါးသော အီလက်ထရွန်နစ်စက်ပစ္စည်းများအတွက် စံပြဖြစ်သည်။ SiC ပါဝါစက်ပစ္စည်းများတွင် စွမ်းအင်သိပ်သည်းဆမြင့်မားခြင်း၊ စွမ်းအင်သုံးစွဲမှုနည်းခြင်းနှင့် သေးငယ်သောအရွယ်အစားတို့ ပါ၀င်သောကြောင့် ၎င်းတို့ကို လျှပ်စစ်ကားများ၊ photovoltaics၊ မီးရထားသယ်ယူပို့ဆောင်ရေးနှင့် ဒေတာကြီးကြီးမားမားကဏ္ဍများတွင် အသုံးပြုရန်အတွက် သင့်လျော်ပါသည်။ GaN RF စက်ပစ္စည်းများတွင် 5G ဆက်သွယ်ရေး၊ Internet of Things (IoT) နှင့် စစ်ရေးရေဒါ အက်ပ်လီကေးရှင်းများအတွက် အားသာချက်ဖြစ်သည့် လှိုင်းနှုန်းမြင့်၊ ကျယ်ပြန့်သော လှိုင်းနှုန်း၊ ပါဝါသုံးစွဲမှု နည်းပါးခြင်းနှင့် သေးငယ်သော အရွယ်အစားတို့ ပါဝင်ပါသည်။ ထို့အပြင်၊ GaN-based ပါဝါစက်ပစ္စည်းများကို ယခုအခါ ဗို့အားနိမ့်သောအက်ပ်များတွင် တွင်ကျယ်စွာအသုံးပြုလာကြသည်။ ပေါ်ပေါက်လာသော ဂယ်လီယမ်အောက်ဆိုဒ် (Ga2O3) ပစ္စည်းများသည် အထူးသဖြင့် ကြိမ်နှုန်းနိမ့်၊ ဗို့အားမြင့်သည့် အက်ပ်လီကေးရှင်းများတွင် ရှိပြီးသား SiC နှင့် GaN နည်းပညာများကို ဖြည့်စွက်ရန် အလားအလာကို ပြသသည်။

ဒုတိယမျိုးဆက် semiconductor ပစ္စည်းများနှင့် နှိုင်းယှဉ်ပါက တတိယမျိုးဆက်ပစ္စည်းများသည် ပိုကျယ်သော bandgaps များပါရှိသည် (ပုံမှန် Si တွင် bandgap 1.1 eV ခန့်၊ GaAs သည် 1.42 eV ခန့်ရှိပြီး GaN သည် 2.3 eV ထက် ကျော်လွန်သည်)၊ ပိုအားကောင်းသော ဓာတ်ရောင်ခြည်ကို ခံနိုင်ရည်ရှိသော၊ ပိုမိုမြင့်မားသော လျှပ်စစ်စက်ကွင်းပြိုကွဲမှုစွမ်းဆောင်ရည်နှင့် ပိုမိုကောင်းမွန်ပါသည်။ မြင့်မားသောအပူချိန်ခံနိုင်ရည်။ ဤလက္ခဏာများသည် ဓါတ်ရောင်ခြည်ခံနိုင်ရည်ရှိသော၊ ကြိမ်နှုန်းမြင့်သော၊ ပါဝါမြင့်မားမှုနှင့် ပေါင်းစပ်သိပ်သည်းမှုမြင့်မားသော အီလက်ထရွန်းနစ်ပစ္စည်းများအတွက် တတိယမျိုးဆက် ဆီမီးကွန်ဒတ်တာပစ္စည်းများကို အထူးသင့်လျော်စေသည်။ ၎င်းတို့သည် မိုက်ခရိုဝေ့ဖ် RF စက်များ၊ LED များ၊ လေဆာများနှင့် ပါဝါစက်ပစ္စည်းများတွင် အရေးပါသော ခြေလှမ်းများကို လုပ်ဆောင်နေပြီး မိုဘိုင်းဆက်သွယ်ရေး၊ စမတ်ဂရစ်များ၊ ရထားပို့ဆောင်ရေး၊ လျှပ်စစ်ကားများ၊ လူသုံးအီလက်ထရွန်းနစ်ပစ္စည်းများ၊ နှင့် ခရမ်းလွန်ရောင်ခြည်နှင့် စိမ်းပြာရောင်အလင်းစက်ပစ္စည်းများတွင် အလားအလာကောင်းများကို ပြသနေပါသည်။[1]

ပုံ 1- GaN ပါဝါကိရိယာများ၏ စျေးကွက်အရွယ်အစားနှင့် ခန့်မှန်းချက်

2. GaN ၏ ဖွဲ့စည်းပုံနှင့် လက္ခဏာများ

Gallium Nitride (GaN) သည် ၎င်း၏ wurtzite တည်ဆောက်ပုံရှိ အခန်းအပူချိန်တွင် ခန့်မှန်းခြေ 3.26 eV ပတ်တီးဝိုင်းကွာဟမှုရှိသော တိုက်ရိုက် bandgap တစ်ပိုင်းလျှပ်ကူးပစ္စည်းဖြစ်သည်။ GaN သည် အဓိကအားဖြင့် ပုံဆောင်ခဲဖွဲ့စည်းပုံ သုံးခုဖြစ်သည့် wurtzite၊ zincblende နှင့် rock-salt တို့ဖြစ်သည်။ wurtzite တည်ဆောက်ပုံသည် ဤအရာများထဲတွင် အတည်ငြိမ်ဆုံးဖြစ်သည်။ပုံ 2 သည် GaN ၏ ဆဋ္ဌဂံ wurtzite တည်ဆောက်ပုံကို ပြသည်။. wurtzite တည်ဆောက်ပုံတွင်၊ GaN သည် ဆဋ္ဌဂံပုံသဏ္ဍာန် အနီးကပ်ထည့်သွင်းထားသော ဖွဲ့စည်းမှုတွင် ပါဝင်သည်။ ယူနစ်ဆဲလ်တစ်ခုစီတွင် နိုက်ထရိုဂျင် (N) အက်တမ် (၆) လုံးနှင့် ဂယ်လီယမ် (Ga) အက်တမ် အပါအဝင် အက်တမ် ၁၂ လုံးပါရှိသည်။ Ga (N) အက်တမ်တစ်ခုစီကို အနီးဆုံး N (Ga) အက်တမ် 4 လုံးနှင့် ချိတ်ဆက်ထားပြီး [0001] ဦးတည်ရာတစ်လျှောက် ABABAB… ပုံစံ[2] ဖြင့် အစုအစည်းတစ်ခုဖွဲ့စည်းသည်။

ပုံ 2- GaN ယူနစ်ဆဲလ်၏ Wurtzite ဖွဲ့စည်းပုံ

3. GaN Epitaxy အတွက် အသုံးများသော အလွှာများ

ပထမတစ်ချက်တွင်၊ GaN အလွှာရှိ homoepitaxy သည် GaN epitaxy အတွက် အကောင်းဆုံးရွေးချယ်မှုဖြစ်ပုံရသည်။ သို့သော်၊ GaN ၏မြင့်မားသောနှောင်ကြိုးစွမ်းအင်ကြောင့်၎င်း၏အရည်ပျော်မှတ် (2500°C) တွင်သက်ဆိုင်ရာပြိုကွဲခြင်းဖိအားသည်ခန့်မှန်းခြေအားဖြင့် 4.5 GPa ဖြစ်သည်။ ဤဖိအားအောက်တွင် GaN သည် အရည်ပျော်ခြင်းမရှိသော်လည်း တိုက်ရိုက်ပြိုကွဲသည်။ ၎င်းသည် Czochralski နည်းလမ်းကဲ့သို့ ရိုးရာအလွှာပြင်ဆင်မှုနည်းပညာများသည် GaN တစ်ခုတည်းသော ပုံဆောင်ခဲအလွှာများကို ပြင်ဆင်မှုအတွက် မသင့်လျော်ပါ။ ထို့ကြောင့် GaN အလွှာများသည် အစုလိုက်အပြုံလိုက်ထုတ်လုပ်ရန် ခက်ခဲပြီး ငွေကုန်ကြေးကျများသည်။ ထို့ကြောင့်၊ GaN epitaxy အတွက် အသုံးများသော အလွှာများတွင် Si၊ SiC နှင့် နီလာ[3] တို့ ပါဝင်သည်။

ပုံ 3- GaN နှင့် အသုံးများသော အလွှာပစ္စည်းများ၏ ကန့်သတ်ချက်များ

(၁) နီလာပေါ်ရှိ GaN Epitaxy

Sapphire သည် ဓာတုဗေဒအရ တည်ငြိမ်ပြီး၊ စျေးသက်သာပြီး အစုလိုက်အပြုံလိုက် ထုတ်လုပ်မှုတွင် ရင့်ကျက်မှု မြင့်မားသောကြောင့် ၎င်းကို ဆီမီးကွန်ဒတ်တာ စက်ပစ္စည်းအင်ဂျင်နီယာတွင် အစောဆုံးနှင့် အသုံးအများဆုံး အလွှာပစ္စည်းများထဲမှ တစ်ခုဖြစ်သည်။ GaN epitaxy အတွက် ဘုံအလွှာတစ်ခုအနေဖြင့်၊ နီလာအလွှာသည် အောက်ပါအဓိကပြဿနာများကို ဖြေရှင်းရန် လိုအပ်သည်-

✔ High Lattice Mismatch- နီလာ (Al2O3) နှင့် GaN အကြား ရာဇမတ်ကွက် မညီမှုသည် သိသာထင်ရှားစွာ (15%) ခန့်ရှိပြီး၊ epitaxial အလွှာနှင့် အလွှာကြားရှိ မျက်နှာပြင်ကြားရှိ ချို့ယွင်းချက်သိပ်သည်းဆကို မြင့်မားစေသည်။ ဤဆိုးရွားသောအကျိုးသက်ရောက်မှုကို လျော့ပါးစေရန်၊ epitaxial လုပ်ငန်းစဉ်မစတင်မီ ရှုပ်ထွေးသောအကြိုလုပ်ဆောင်မှုပြုလုပ်ရပါမည်။ ၎င်းတွင် ညစ်ညမ်းနေသော အညစ်အကြေးများနှင့် ကျန်ရှိသော ပွတ်တိုက်ပျက်စီးမှုများကို ဖယ်ရှားရန်၊ ခြေလှမ်းများနှင့် မျက်နှာပြင်ဖွဲ့စည်းပုံများကို ဖန်တီးခြင်း၊ epitaxial အလွှာ၏ စိုစွတ်နေသော ဂုဏ်သတ္တိများကို ပြောင်းလဲရန်အတွက် မျက်နှာပြင် နိုက်ထရစ်ပြုခြင်းနှင့် နောက်ဆုံးတွင် ပါးလွှာသော AlN ကြားခံအလွှာ (ပုံမှန်အားဖြင့် 10-100 nm အထူ) ကို နိမ့်လိုက်ပြီးနောက်တွင် - နောက်ဆုံး epitaxial ကြီးထွားမှုအတွက် ပြင်ဆင်ရန် အပူချိန်ကို နှိမ့်ချခြင်း။ ဤအစီအမံများကြားမှ၊ နီလာအလွှာတွင်ပေါက်သော GaN epitaxial ရုပ်ရှင်များတွင် dislocation သိပ်သည်းဆသည် ဆီလီကွန် သို့မဟုတ် GaAs ပေါ်ရှိ homoepitaxy (~10^10 cm^-2) နှင့် နှိုင်းယှဉ်ပါက မြင့်မားနေသေးသည်။ ချို့ယွင်းနေသော သိပ်သည်းဆများသည် သယ်ဆောင်သူ၏ ရွေ့လျားနိုင်မှုကို လျော့နည်းစေပြီး လူနည်းစု သယ်ဆောင်သူ၏ သက်တမ်းကို တိုစေကာ စက်ပစ္စည်း၏ စွမ်းဆောင်ရည်ကို ထိခိုက်စေသည့် အပူစီးကူးနိုင်စွမ်းကို ကျဆင်းစေသည်[4]။

✔ Thermal Expansion Coefficient Mismatch- Sapphire သည် GaN ထက် ပိုကြီးသော အပူချဲ့ကိန်း ရှိပြီး epitaxial အလွှာအတွင်းရှိ biaxial compressive stress ကို ဖြစ်ပေါ်စေပြီး deposition temperature မှ အခန်းအပူချိန်အထိ အေးသွားပါသည်။ ပိုမိုထူထဲသော epitaxial ရုပ်ရှင်များအတွက်၊ ဤဖိစီးမှုသည် ဖလင် သို့မဟုတ် အလွှာကွဲအက်ခြင်းကိုပင် ဖြစ်စေနိုင်သည်။

✔ ညံ့ဖျင်းသောအပူလျှပ်ကူးနိုင်စွမ်း- အခြားအလွှာများနှင့် နှိုင်းယှဉ်ပါက နီလာတွင် အပူစီးကူးနိုင်မှု (~0.25 Wcm^-1K^-1 တွင် 100°C) နည်းပါးပြီး အပူကို စွန့်ထုတ်ရန် အားနည်းချက်ရှိသည်။

✔ Low Electrical Conductivity- နီလာ၏ ညံ့ဖျင်းသောလျှပ်စစ်စီးကူးမှုသည် အခြားတစ်ပိုင်းလျှပ်ကူးပစ္စည်းကိရိယာများနှင့် ပေါင်းစပ်ခြင်းနှင့် အသုံးချမှုကို ဟန့်တားစေသည်။

နီလာပေါ်တွင် စိုက်ပျိုးထားသော GaN epitaxial အလွှာများတွင် ချို့ယွင်းချက်သိပ်သည်းဆ မြင့်မားသော်လည်း GaN အခြေခံ စိမ်းပြာရောင် LEDs များတွင် ၎င်း၏ အလင်းနှင့် အီလက်ထရွန်းနစ် စွမ်းဆောင်ရည်မှာ သိသိသာသာ လျော့နည်းသွားခြင်း မရှိပါ။ ထို့ကြောင့် GaN-based LEDs များအတွက် နီလာအလွှာများသည် သာမာန်အဖြစ်ရှိနေပါသည်။ သို့သော်၊ လေဆာများနှင့် အခြားသိပ်သည်းဆမြင့်မားသော ပါဝါကိရိယာများကဲ့သို့သော GaN စက်ပစ္စည်းများ ကြီးထွားလာသည်နှင့်အမျှ နီလာအလွှာများ၏ မွေးရာပါကန့်သတ်ချက်များသည် ပိုမိုထင်ရှားလာပါသည်။

(၂) SiC ရှိ GaN Epitaxy

နီလာနှင့် နှိုင်းယှဉ်ပါက SiC အလွှာများ (4H- နှင့် 6H-polytypes) တို့သည် GaN epitaxial အလွှာများနှင့် ပိုမိုသေးငယ်သော ရာဇမတ်ကွက်များ ( [0001] ဦးတည်ရာတစ်လျှောက် 3.1%)၊ မြင့်မားသော အပူစီးကူးမှု (ခန့်မှန်းခြေအားဖြင့် 3.8 Wcm^-1K^-1)၊ နောက်ကျောလျှပ်စစ်အဆက်အသွယ်များအတွက်ခွင့်ပြုသောလျှပ်စစ်စီးကူးမှု၊ ကိရိယာဖွဲ့စည်းပုံများကိုရိုးရှင်းစေသည်။ ဤအကျိုးကျေးဇူးများသည် SiC အလွှာများပေါ်တွင် GaN epitaxy ကိုစူးစမ်းလေ့လာရန် သုတေသီဦးရေတိုးလာစေသည်။ သို့သော်လည်း SiC အလွှာရှိ GaN epitaxial အလွှာများ၏ တိုက်ရိုက်ကြီးထွားမှုသည် စိန်ခေါ်မှုများစွာကို ရင်ဆိုင်နေရသည်-

✔ Surface Roughness- SiC အလွှာများသည် နီလာအလွှာများထက် မျက်နှာပြင်ကြမ်းတမ်းမှု ပိုများသည် (နီလာအတွက် 0.1 nm RMS၊ SiC အတွက် 1 nm RMS)။ SiC ၏ မြင့်မားသော မာကျောမှုနှင့် ညံ့ဖျင်းမှုတို့သည် GaN epitaxial အလွှာများ၏ ချို့ယွင်းချက်များ၏ အရင်းအမြစ်ဖြစ်သည့် ဤကြမ်းတမ်းမှုနှင့် ကျန်ရှိသော ပွတ်တိုက်ပျက်စီးမှုကို အထောက်အကူဖြစ်စေသည်။

✔ High Threading Dislocation Density- SiC အလွှာများသည် မြင့်မားသော threading dislocation သိပ်သည်းဆ (103-104 cm^-2) ရှိပြီး GaN epitaxial အလွှာသို့ ပြန့်ပွားနိုင်ပြီး ကိရိယာ၏စွမ်းဆောင်ရည်ကို ကျဆင်းစေသည်။

✔ Stacking Faults- အလွှာမျက်နှာပြင်ရှိ အက်တမ်အစီအစဉ်သည် GaN epitaxial အလွှာများရှိ stacking faults (BSFs) ကို ဖြစ်ပေါ်စေနိုင်သည်။ SiC အလွှာရှိ ဖြစ်နိုင်ချေရှိသော အက်တမ်အစီအစဉ်များစွာသည် GaN အလွှာရှိ တူညီမှုမရှိသော ကနဦးအဏုမြူစုပုံခြင်းအစီအစဉ်များဆီသို့ ဦးတည်စေပြီး အမှားအယွင်းများစုပုံခြင်းဖြစ်နိုင်ခြေကို တိုးစေသည်။ C-axis တစ်လျှောက်ရှိ BSF များသည် တပ်ဆင်ထားသော လျှပ်စစ်စက်ကွင်းများကို မိတ်ဆက်ပြီး စက်ပစ္စည်းများတွင် သယ်ဆောင်သူအား ခွဲခြားခြင်းနှင့် ယိုစိမ့်ခြင်းဆိုင်ရာ ပြဿနာများကို ဖြစ်စေသည်။

✔ Thermal Expansion Coefficient Mismatch- SiC ၏ အပူချဲ့ဖော်ကိန်းသည် AlN နှင့် GaN ထက် သေးငယ်ပြီး အအေးခံချိန်တွင် epitaxial အလွှာနှင့် အလွှာအကြား အပူဖိစီးမှု စုစည်းမှုကို ဖြစ်စေသည်။ Waltereit နှင့် Brand ၏ သုတေသနပြုချက်များအရ ပါးလွှာသော AlN nucleation အလွှာတွင် GaN epitaxial အလွှာကို ကြီးထွားစေခြင်းဖြင့် ဤပြဿနာကို လျော့ပါးစေနိုင်ကြောင်း အကြံပြုထားသည်။

✔ Ga Atom များ ညံ့ဖျင်းခြင်း- SiC မျက်နှာပြင်များပေါ်တွင် GaN ၏ တိုက်ရိုက်ကြီးထွားမှုသည် Ga အက်တမ်များ စိုစွတ်မှုအားနည်းခြင်းကြောင့် ခက်ခဲသည်။ GaN သည် 3D ကျွန်းမုဒ်တွင် ကြီးထွားလေ့ရှိပြီး ကြားခံအလွှာများကို မိတ်ဆက်ခြင်းသည် epitaxial ပစ္စည်းများ၏ အရည်အသွေးကို မြှင့်တင်ရန်အတွက် ဘုံဖြေရှင်းချက်တစ်ခုဖြစ်သည်။ AlN သို့မဟုတ် AlxGa1-xN ကြားခံအလွှာများကို မိတ်ဆက်ခြင်းဖြင့် SiC မျက်နှာပြင်ပေါ်တွင် ရေစိုခြင်းကို ပိုမိုကောင်းမွန်စေကာ GaN epitaxial အလွှာ၏ 2D ကြီးထွားမှုကို မြှင့်တင်ပေးပြီး GaN အလွှာသို့ ပြန့်ပွားခြင်းမှ အမှုန်အမွှားများကို ထိန်းညှိပေးပြီး ဖိအားကို ထိန်းညှိပေးသည်။

✔ ကုန်ကျစရိတ်မြင့်မားပြီး အကန့်အသတ်ရှိသော ထောက်ပံ့မှု- SiC အလွှာပြင်ဆင်မှုနည်းပညာသည် မရင့်ကျက်သေးသောကြောင့် ကုန်ကျစရိတ်မြင့်မားပြီး ရောင်းချသူအနည်းငယ်ထံမှ အကန့်အသတ်ဖြင့် ပံ့ပိုးပေးသည်။

Torres et al ၏သုတေသနပြုချက်။ မြင့်မားသော အပူချိန် (1600°C) တွင် H2 ပါသော SiC အလွှာများကို ထွင်းထုခြင်းသည် ပိုမိုစနစ်ကျသော အဆင့်ဖွဲ့စည်းပုံများကို ဖန်တီးပေးသည့်အတွက် အရည်အသွေးပိုမြင့်သော AlN epitaxial ရုပ်ရှင်များကို မကုသရသေးသော အလွှာများတွင် တိုက်ရိုက်စိုက်ပျိုးထားသည့်အရာများနှင့် နှိုင်းယှဉ်ပါက အရည်အသွေးပိုမြင့်မားကြောင်း ညွှန်ပြပါသည်။ Xie နှင့် သူ၏အဖွဲ့သည် SiC အလွှာများကို ပြုပြင်ခြင်းမှ GaN epitaxial အလွှာများ၏ မျက်နှာပြင်ပုံသဏ္ဍာန်နှင့် ပုံဆောင်ခဲအရည်အသွေးကို သိသိသာသာ တိုးတက်ကောင်းမွန်စေကြောင်း သရုပ်ပြခဲ့သည်။ Smith et al ။ substrate/buffer layer မှ threading dislocations နှင့် buffer layer/ epitaxial layer interface များသည် substrate flatness နှင့် ဆက်စပ်နေကြောင်း တွေ့ရှိရပါသည်။

ပုံ 4- မတူညီသောမျက်နှာပြင်ကုသမှုအောက်တွင် 6H-SiC အလွှာများ၏မျက်နှာတွင် ပေါက်နေသော GaN Epitaxial Layers ၏ TEM ရုပ်ပုံသဏ္ဍာန်- (က) ဓာတုဆေးကြောသန့်စင်ခြင်း၊ (ခ) ဓာတု သန့်စင်ခြင်း + ဟိုက်ဒရိုဂျင် ပလာစမာ ကုသမှု၊ © ဓာတုဗေဒ သန့်စင်ခြင်း + ဟိုက်ဒရိုဂျင် ပလာစမာ ကုသခြင်း + 1300°C ဟိုက်ဒရိုဂျင် အပူပေးမှု 30 မိနစ်

(၃) GaN Epitaxy on Si

SiC နှင့် နီလာအလွှာများနှင့် နှိုင်းယှဉ်ပါက၊ ဆီလီကွန်အလွှာများသည် ရင့်ကျက်သောပြင်ဆင်မှုလုပ်ငန်းစဉ်များ၊ တည်ငြိမ်သောအရွယ်အစားကြီးမားသောအလွှာထောက်ပံ့မှု၊ ကုန်ကျစရိတ်သက်သာမှု၊ လွန်ကဲသောအပူနှင့်လျှပ်စစ်စီးကူးနိုင်မှုတို့ပါရှိသည်။ ထို့အပြင်၊ ရင့်ကျက်သော ဆီလီကွန် အီလက်ထရွန်နစ် ကိရိယာနည်းပညာသည် ဆီလီကွန် အီလက်ထရွန်းနစ် ကိရိယာများနှင့် optoelectronic GaN ကိရိယာများကို ပြီးပြည့်စုံသော ပေါင်းစပ်မှုအတွက် အလားအလာ ပေးစွမ်းနိုင်ပြီး၊ ဆီလီကွန်ပေါ်တွင် GaN epitaxy ကို ဆွဲဆောင်မှုဖြစ်စေသည်။ သို့သော် Si substrates နှင့် GaN ပစ္စည်းများကြားတွင် သိသာထင်ရှားသော ရာဇမတ်ကွက်များသည် စိန်ခေါ်မှုများစွာရှိနေပါသည်။

✔ အင်တာဖေ့စ်စွမ်းအင်ဆိုင်ရာ ပြဿနာများ- GaN ကို Si အလွှာများတွင် ကြီးထွားလာသောအခါ Si မျက်နှာပြင်သည် မြင့်မားသောသိပ်သည်းဆ GaN နျူကလိယကို ထိခိုက်စေသည့် amorphous SiNx အလွှာကို ပထမဆုံးဖွဲ့စည်းသည်။ ထို့အပြင် Si မျက်နှာပြင်များသည် Ga နှင့် ကနဦးတုံ့ပြန်ပြီး မျက်နှာပြင်ချေးတက်စေကာ မြင့်မားသောအပူချိန်တွင် Si မျက်နှာပြင်ပြိုကွဲမှုသည် GaN epitaxial အလွှာသို့ပျံ့နှံ့သွားကာ အနက်ရောင်ဆီလီကွန်အစက်အပြောက်များဖြစ်လာနိုင်သည်။

✔ Lattice Mismatch- GaN နှင့် Si အကြား ကြီးမားသော ရာဇမတ်ကွက်များ မညီမညွတ် (~17%) သည် မြင့်မားသော သိပ်သည်းဆချည်မျှင်များ ရွေ့လျားခြင်းကို ဖြစ်ပေါ်စေပြီး epitaxial အလွှာ၏ အရည်အသွေးကို သိသိသာသာ လျော့ကျစေသည်။

✔ Thermal Expansion Coefficient Mismatch- GaN တွင် Si (GaN ~5.6×10^-6 K^-1, Si ~2.6×10^-6 K^-1) ထက် ပိုကြီးသော အပူပိုင်းချဲ့ကိန်း ပါရှိပါသည်။ epitaxial ကြီးထွားမှုအပူချိန်မှ အခန်းအပူချိန်သို့ အအေးခံနေစဉ် epitaxial အလွှာ။

✔ High-Temperature Reactions- Si သည် မြင့်မားသော အပူချိန်တွင် NH3 နှင့် ဓာတ်ပြုပြီး polycrystalline SiNx ကို ဖွဲ့စည်းသည်။ AlN သည် polycrystalline SiNx တွင် ဦးစားပေး နျူကလိယ မပြုလုပ်နိုင်သဖြင့် အလွန်မြင့်မားသော ချို့ယွင်းချက်သိပ်သည်းဆဖြင့် ကွဲလွဲနေသော GaN ကြီးထွားမှုကို ဖြစ်ပေါ်စေပြီး single-crystal GaN epitaxial အလွှာများဖွဲ့စည်းရန် စိန်ခေါ်မှုဖြစ်စေသည်။

ကြီးမားသော ရာဇမတ်ကွက်များ မညီမညွတ်ဖြစ်မှုကို ဖြေရှင်းရန်အတွက် သုတေသီများသည် Si substrate ပေါ်ရှိ ကြားခံအလွှာများဖြစ်သည့် AlAs၊ GaAs၊ AlN၊ GaN၊ ZnO နှင့် SiC ကဲ့သို့သော ပစ္စည်းများ မိတ်ဆက်ရန် ကြိုးပမ်းခဲ့သည်။ polycrystalline SiNx ၏ဖွဲ့စည်းခြင်းကိုကာကွယ်ရန်နှင့် GaN/AlN/Si (111) ၏ပုံဆောင်ခဲအရည်အသွေးအပေါ် ၎င်း၏ဆိုးကျိုးများကို လျှော့ချရန်အတွက်၊ TMAL ကို NH3 နှင့်ထိတွေ့ခြင်းမှ Si မျက်နှာပြင်နှင့်ထိတွေ့ခြင်းမှမတုံ့ပြန်မီတွင် TMAL ကို ပုံမှန်အားဖြင့်မိတ်ဆက်ပေးသည်။ ထို့အပြင်၊ ပုံသဏ္ဍာန်အလွှာများကဲ့သို့သော နည်းစနစ်များကို epitaxial အလွှာအရည်အသွေးကို မြှင့်တင်ရန် အသုံးပြုပါသည်။ ဤတိုးတက်မှုများသည် epitaxial interface တွင် SiNx ဖွဲ့စည်းခြင်းကို ဖိနှိပ်ရန်၊ GaN epitaxial အလွှာ၏ 2D ကြီးထွားမှုကို မြှင့်တင်ပေးပြီး ကြီးထွားမှုအရည်အသွေးကို မြှင့်တင်ပေးပါသည်။ AlN ကြားခံအလွှာများကို မိတ်ဆက်ခြင်းဖြင့် ဆီလီကွန်အလွှာရှိ GaN အလွှာရှိ GaN အလွှာရှိ အက်ကွဲကြောင်းများကို တားဆီးပေးသည့် အပူပိုင်းချဲ့ထွင်မှုဆိုင်ရာ ကွဲပြားမှုများကြောင့် ဖြစ်ပေါ်လာသော ဆန့်နိုင်အားဖိစီးမှုကို လျော်ကြေးပေးပါသည်။ Krost ၏ သုတေသနပြုချက်သည် AlN ကြားခံအလွှာအထူနှင့် စီလီကွန်အလွှာများပေါ်ရှိ 6 μm ထူထပ်သော epitaxial အလွှာများ ကွဲအက်ခြင်းမရှိဘဲ ကြီးထွားမှုအစီအစဉ်များမှတစ်ဆင့် AlN ကြားခံအလွှာကြား အပြုသဘောဆောင်သောဆက်စပ်မှုကို ညွှန်ပြသည်။

ကျယ်ပြန့်သော သုတေသန ကြိုးပမ်းမှုများကြောင့် ဆီလီကွန်အလွှာများတွင် ပေါက်ရောက်သော GaN epitaxial အလွှာများ၏ အရည်အသွေးမှာ သိသိသာသာ တိုးတက်လာသည်။ Field-effect transistors၊ Schottky barrier ခရမ်းလွန်ရောင်ခြည် detectors၊ blue-green LEDs နှင့် ultraviolet lasers များအားလုံး သိသာထင်ရှားသော တိုးတက်မှုကို ရရှိခဲ့ပါသည်။

နိဂုံးချုပ်အားဖြင့်၊ ယေဘုယျအားဖြင့် GaN epitaxial အလွှာများသည် heteroepitaxial များဖြစ်ပြီး၊ အမျိုးမျိုးသောဒြပ်ခဲများမတူညီမှုနှင့် အပူတိုးချဲ့ဖော်ကိန်းကွာခြားချက်များကို ရင်ဆိုင်နေရသည်။ Homoepitaxial GaN အလွှာများကို အရွယ်မရောက်သေးသော နည်းပညာ၊ မြင့်မားသော ထုတ်လုပ်မှုစရိတ်၊ သေးငယ်သော အလွှာအရွယ်အစားများနှင့် သင့်လျော်သော အရည်အသွေးဖြင့် ကန့်သတ်ထားသဖြင့် GaN epitaxial အလွှာအသစ်များ ဖွံ့ဖြိုးတိုးတက်လာပြီး နောက်ထပ်စက်မှုလုပ်ငန်းတိုးတက်မှုအတွက် epitaxial အရည်အသွေးကို မြှင့်တင်ပေးပါသည်။

4. GaN Epitaxy အတွက် အသုံးများသောနည်းလမ်းများ

(၁) MOCVD (သတ္တု-အော်ဂဲနစ် ဓာတုအငွေ့များ ပေါက်ရောက်မှု)၊

GaN အလွှာပေါ်ရှိ homoepitaxy သည် GaN epitaxy အတွက် အကောင်းဆုံးရွေးချယ်မှုဖြစ်ဟန်တူသော်လည်း Metal-Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) သည် သိသာထင်ရှားသောအားသာချက်များကိုပေးပါသည်။ ထရီမီသီလ်ဂယ်လီယမ်နှင့် အမိုးနီးယားတို့ကို ရှေ့ပြေးအဖြစ်၊ နှင့် ဟိုက်ဒရိုဂျင်ကို သယ်ဆောင်သည့်ဓာတ်ငွေ့အဖြစ် အသုံးပြု၍ MOCVD သည် ပုံမှန်အားဖြင့် ကြီးထွားအပူချိန် 1000-1100°C ဝန်းကျင်တွင် လုပ်ဆောင်သည်။ MOCVD ၏ ကြီးထွားနှုန်းသည် တစ်နာရီလျှင် မိုက်ခရိုမီတာများစွာ အကွာအဝေးတွင်ရှိသည်။ ဤနည်းလမ်းသည် အက်တမ်ပြတ်သားသော အင်တာဖေ့စ်များကို ထုတ်လုပ်နိုင်ပြီး heterojunctions ကြီးထွားမှု၊ ကွမ်တမ်ရေတွင်းများနှင့် superlattices များအတွက် စံပြဖြစ်စေသည်။ ၎င်း၏အတော်လေးမြင့်မားသော တိုးတက်မှုနှုန်း၊ အစွမ်းထက်သော တူညီမှုနှင့် ကြီးမားသော ဧရိယာနှင့် ဝါးမျိုးစုံ ကြီးထွားမှုအတွက် သင့်လျော်မှုတို့က ၎င်းအား စက်မှုထုတ်လုပ်မှုအတွက် စံနည်းလမ်းတစ်ခု ဖြစ်လာစေသည်။

(၂) MBE (Molecular Beam Epitaxy)၊

Molecular Beam Epitaxy (MBE) တွင် ဒြပ်စင်အရင်းအမြစ်များကို gallium အတွက်အသုံးပြုပြီး နိုက်ထရိုဂျင်ဓာတ်ငွေ့မှ RF ပလာစမာမှတစ်ဆင့် တက်ကြွသောနိုက်ထရိုဂျင်ကိုထုတ်ပေးပါသည်။ MOCVD နှင့် နှိုင်းယှဉ်ပါက MBE သည် 350-400°C ၀န်းကျင်တွင် သိသိသာသာနိမ့်သော ကြီးထွားမှုအပူချိန်တွင် လုပ်ဆောင်ပါသည်။ ဤအပူချိန်နိမ့်ကျမှုသည် အပူချိန်မြင့်သောပတ်ဝန်းကျင်တွင် ဖြစ်ပေါ်လာနိုင်သည့် ညစ်ညမ်းမှုပြဿနာအချို့ကို ရှောင်ရှားနိုင်သည်။ MBE စနစ်များသည် အလွန်မြင့်မားသော လေဟာနယ်အခြေအနေများအောက်တွင် အလုပ်လုပ်နိုင်ပြီး အတွင်းပိုင်းစောင့်ကြည့်ရေးနည်းပညာများကို ပိုမိုပေါင်းစပ်နိုင်စေပါသည်။ သို့သော်၊ MBE ၏ တိုးတက်မှုနှုန်းနှင့် ထုတ်လုပ်မှုစွမ်းရည်သည် MOCVD နှင့် မယှဉ်နိုင်သောကြောင့် သုတေသနဆိုင်ရာ အသုံးချမှုများအတွက် ပိုမိုသင့်လျော်စေသည်[7]။

ပုံ 5- (က) Eiko-MBE ၏ ဇယားကွက် (ခ) MBE ပင်မတုံ့ပြန်မှုဆိုင်ရာ အခန်း၏ ဇယား

(၃) HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy)၊

Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE) သည် GaCl3 နှင့် NH3 ကို ရှေ့ပြေးနိမိတ်များအဖြစ် အသုံးပြုသည်။ Detchprohm et al ။ နီလာအလွှာများတွင် ရာနှင့်ချီသော အထူ GaN epitaxial အလွှာများကို ကြီးထွားစေရန် ဤနည်းလမ်းကို အသုံးပြုခဲ့သည်။ ၎င်းတို့၏စမ်းသပ်မှုများတွင်၊ နီလာအလွှာနှင့် epitaxial အလွှာကြားတွင် ZnO ကြားခံအလွှာကို ကြီးထွားစေပြီး၊ epitaxial အလွှာကို အလွှာမျက်နှာပြင်မှ ခွာထုတ်နိုင်စေပါသည်။ MOCVD နှင့် MBE တို့နှင့် နှိုင်းယှဉ်ပါက HVPE ၏ အဓိက အားသာချက်မှာ ၎င်း၏ ကြီးထွားနှုန်း မြင့်မားသောကြောင့် ၎င်းသည် ထူထဲသော အလွှာများနှင့် အစုလိုက် ပစ္စည်းများ ထုတ်လုပ်ရန်အတွက် သင့်လျော်သည်။ သို့ရာတွင်၊ epitaxial အလွှာ၏အထူသည် 20μm ကျော်လွန်သောအခါ၊ HVPE မှ ပေါက်ရောက်သော အလွှာများသည် ကွဲအက်တတ်သည်။

Akira USUI သည် HVPE နည်းလမ်းကို အခြေခံ၍ ပုံစံပြုလုပ်ထားသော အလွှာနည်းပညာကို မိတ်ဆက်ပေးခဲ့သည်။ အစပိုင်းတွင်၊ ပါးလွှာသော GaN epitaxial အလွှာ၊ အထူ 1-1.5μm ကို MOCVD သုံးပြီး နီလာအလွှာပေါ်တွင် စိုက်ပျိုးခဲ့သည်။ ဤအလွှာတွင် 20nm အထူရှိသော အပူချိန်နိမ့် GaN ကြားခံအလွှာနှင့် အပူချိန်မြင့်မားသော GaN အလွှာတို့ ပါဝင်သည်။ နောက်ပိုင်းတွင်၊ 430°C တွင် SiO2 ၏အလွှာသည် epitaxial အလွှာ၏မျက်နှာပြင်ပေါ်တွင် ထားရှိပြီး ပြတင်းပေါက်အစင်းကြောင်းများကို SiO2 ဖလင်ပေါ်တွင် photolithography ဖြင့်ဖန်တီးခဲ့သည်။ အစင်းကြောင်းအကွာအဝေးသည် 7μm ဖြစ်ပြီး မျက်နှာဖုံးအကျယ်သည် 1μm မှ 4μm ဖြစ်သည်။ ဤမွမ်းမံပြင်ဆင်မှုသည် ၎င်းတို့အား အထူဆယ်ဂဏန်း သို့မဟုတ် ရာနှင့်ချီသော မိုက်ခရိုမီတာအထိ တိုးလာသောအခါတွင်ပင် အက်ကွဲကင်းစင်ပြီး မှန်-ချောမွေ့နေမည့် 2 လက်မအချင်း နီလာအလွှာများပေါ်တွင် GaN epitaxial အလွှာများကို ထုတ်လုပ်နိုင်စေခဲ့သည်။ ချို့ယွင်းချက်သိပ်သည်းဆကို ရိုးရာ HVPE နည်းလမ်း၏ 109-1010 စင်တီမီတာ^-2 မှ ခန့်မှန်းခြေ 6×10^7 စင်တီမီတာ^-2 သို့ လျှော့ချခဲ့သည်။ ကြီးထွားမှုနှုန်း 75μm/h[8] ကျော်လွန်သောအခါ နမူနာမျက်နှာပြင်သည် ကြမ်းတမ်းလာသည်ကို သတိပြုမိသည်။ 

                                                                                                                   

                                                                                                                                     ပုံ 6- Patterned Substrate ၏ ဇယားကွက်

၅။ အကျဉ်းချုပ်နှင့် Outlook

ကြီးမားသောစျေးကွက်ဝယ်လိုအားသည် GaN နှင့်ဆက်စပ်သောစက်မှုလုပ်ငန်းများနှင့်နည်းပညာများတွင်သိသိသာသာတိုးတက်မှုများကိုတွန်းအားပေးလိမ့်မည်မှာသေချာသည်။ GaN အတွက်စက်မှုကွင်းဆက်သည် ရင့်ကျက်ပြီး တိုးတက်လာသည်နှင့်အမျှ GaN epitaxy တွင် လက်ရှိစိန်ခေါ်မှုများကို လျော့ပါးသက်သာစေရန် သို့မဟုတ် ကျော်လွှားမည်ဖြစ်သည်။ အနာဂတ်တိုးတက်မှုများသည် epitaxial နည်းပညာအသစ်များနှင့် သာလွန်ကောင်းမွန်သော အလွှာရွေးချယ်မှုများကို မိတ်ဆက်ပေးဖွယ်ရှိသည်။ ဤတိုးတက်မှုသည် မတူညီသော အပလီကေးရှင်းအခြေအနေများ၏ ဝိသေသလက္ခဏာများအပေါ် အခြေခံ၍ အသင့်တော်ဆုံး epitaxial နည်းပညာနှင့် အလွှာကို ရွေးချယ်နိုင်စေပြီး ပြိုင်ဆိုင်မှုပြင်းထန်၍ စိတ်ကြိုက်ထုတ်ကုန်များ ထုတ်လုပ်နိုင်မည်ဖြစ်သည်။**

ကိုးကား-

[1] "အာရုံစူးစိုက်မှု" တစ်ပိုင်းလျှပ်ကူးပစ္စည်း-Gallium Nitride (baidu.com)

[2] Tang Linjiang၊ Wan Chengan၊ Zhang Minghua၊ Li Ying၊ ကျယ်ပြန့်သော bandgap တစ်ပိုင်းလျှပ်ကူးပစ္စည်း SiC နှင့် GaN၊ စစ်ဘက်နှင့် အရပ်ဘက်သုံးနည်းပညာနှင့် ထုတ်ကုန်များ၏ သုတေသနအခြေအနေ၊ မတ်လ 2020၊ စာစောင် 437၊ 21-28။

[3] Wang Huan၊ Tian Ye၊ ဆီလီကွန်အလွှာပေါ်ရှိ ဂယ်လီယမ်နိုက်ထရိတ်၏ ကြီးမားသော မကိုက်ညီမှု ဖိစီးမှုထိန်းချုပ်ရေးနည်းလမ်း သုတေသန၊ သိပ္ပံနှင့်နည်းပညာ တီထွင်ဆန်းသစ်မှုနှင့် အသုံးချမှု၊ စာစောင် ၃၊ ၂၀၂၃

[4]L.Liu၊ J.H.Edgar၊ gallium nitride epitaxy အတွက် substrates၊Materialss Science and Engineering R၊ 37(2002) 61-127။

[5]P.Ruterana၊ Philippe Vermaut၊ G.Nouet၊ A.Salvador၊ H.Morkoc၊ မျက်နှာပြင် ကုသမှုနှင့် အလွှာဖွဲ့စည်းပုံ (0001)Si ၏ 6H-SiC ၏ MBE၊ MRS အင်တာနက် J. Nitride Semicond Res.2(1997)42။

[6]M.A.Sanchez-Garcia, F.B. Naranjo, J.L.Pau, A.Jimenez, E.Calleja, E.Munoz, GaN/AlGaN single-heterojunction light-emitting diodes တွင် စိုက်ပျိုးထားသော Si(111), Journal of Applied Physics 87,1569(2000)။

[7]Xinqiang Wang၊ Akihiko Yoshikawa၊ GaN၊ AlN နှင့် InN ၏ မော်လီကျူး အလင်းတန်း ကြီးထွားမှု၊ Crystal ကြီးထွားမှုနှင့် ပစ္စည်းများ၏ လက္ခဏာရပ်များ တိုးတက်မှု 48/49 (2004) 42-103။

[8]Akira Usui၊ Haruo Sunakawa၊ Akira Sakai နှင့် A. atsushi Yamaguchi၊ hydride vapor phase epitaxy, Jpn ဖြင့် hydride vapor အဆင့် epitaxy, နည်းပါးသော dislocation သိပ်သည်းဆနည်းသော Thick GaN epitaxial ကြီးထွားမှု။ J. Appl ရုပ်ပိုင်းဆိုင်ရာ။ ထယ်၊ ၃၆ (၁၉၉၇) pp.၈၉၉-၉၀၂။