تیسری نسل کے سیمی کنڈکٹرز کا تعارف: GaN اور متعلقہ ایپیٹیکسیل ٹیکنالوجیز

1. تیسری نسل کے سیمی کنڈکٹرز

(1) پہلی نسل کے سیمی کنڈکٹرز

پہلی نسل کی سیمی کنڈکٹر ٹیکنالوجی سلکان (Si) اور جرمینیم (Ge) جیسے مواد پر مبنی ہے۔ ان مواد نے ٹرانزسٹر اور انٹیگریٹڈ سرکٹ (IC) ٹیکنالوجی کی بنیاد رکھی جس کے نتیجے میں 20ویں صدی کی الیکٹرانکس انڈسٹری کی بنیاد پڑی۔

(2) دوسری نسل کے سیمی کنڈکٹرز
دوسری نسل کے سیمی کنڈکٹر مواد میں بنیادی طور پر گیلیم آرسنائیڈ (GaAs)، انڈیم فاسفائیڈ (InP)، گیلیم فاسفائیڈ (GaP)، انڈیم آرسنائیڈ (InAs)، ایلومینیم آرسنائیڈ (AlAs) اور ان کے ٹرنری مرکبات شامل ہیں۔ یہ مواد آپٹو الیکٹرانک انفارمیشن انڈسٹری کی ریڑھ کی ہڈی کی حیثیت رکھتے ہیں، جس کی وجہ سے روشنی، ڈسپلے، لیزر، فوٹو وولٹک اور دیگر متعلقہ صنعتوں کی ترقی ہوئی ہے۔ وہ عصری انفارمیشن ٹکنالوجی اور آپٹو الیکٹرانک ڈسپلے صنعتوں میں بڑے پیمانے پر استعمال ہوتے ہیں۔

(3) تیسری نسل کے سیمی کنڈکٹرز
تیسری نسل کے سیمی کنڈکٹرز کے نمائندہ مواد میں گیلیم نائٹرائڈ (GaN) اور سلکان کاربائیڈ (SiC) شامل ہیں۔ ان کے وسیع بینڈ گیپ، ہائی الیکٹران سنترپتی بڑھنے کی رفتار، ہائی تھرمل چالکتا، اور بڑے بریک ڈاؤن الیکٹرک فیلڈز کی وجہ سے، یہ مواد ہائی پاور ڈینسٹی، ہائی فریکوئنسی، اور کم نقصان والے الیکٹرانک آلات کے لیے مثالی ہیں۔ SiC پاور ڈیوائسز میں توانائی کی کثافت، کم توانائی کی کھپت، اور چھوٹے سائز ہوتے ہیں، جو انہیں الیکٹرک گاڑیوں، فوٹو وولٹک، ریل کی نقل و حمل، اور بڑے ڈیٹا کے شعبوں میں استعمال کے لیے موزوں بناتے ہیں۔ GaN RF ڈیوائسز میں ہائی فریکوئنسی، ہائی پاور، وسیع بینڈوڈتھ، کم بجلی کی کھپت، اور چھوٹے سائز کی خصوصیات ہیں، جو 5G کمیونیکیشنز، انٹرنیٹ آف تھنگز (IoT) اور ملٹری ریڈار ایپلی کیشنز کے لیے فائدہ مند ہیں۔ مزید برآں، GaN پر مبنی پاور ڈیوائسز اب کم وولٹیج ایپلی کیشنز میں بڑے پیمانے پر استعمال ہوتی ہیں۔ ابھرتے ہوئے گیلیم آکسائیڈ (Ga2O3) مواد بھی موجودہ SiC اور GaN ٹیکنالوجیز کی تکمیل کے امکانات کو ظاہر کرتے ہیں، خاص طور پر کم تعدد، ہائی وولٹیج ایپلی کیشنز میں۔

دوسری نسل کے سیمی کنڈکٹر مواد کے مقابلے میں، تیسری نسل کے مواد میں وسیع بینڈ گیپ ہوتے ہیں (عام سی میں تقریباً 1.1 eV کا بینڈ گیپ ہوتا ہے، GaA کا تقریباً 1.42 eV ہوتا ہے، جبکہ GaN 2.3 eV سے زیادہ ہوتا ہے)، مضبوط تابکاری مزاحمت، اعلیٰ الیکٹرک فیلڈ کی کارکردگی اور بہتر کارکردگی۔ اعلی درجہ حرارت کی برداشت. یہ خصوصیات تیسری نسل کے سیمی کنڈکٹر مواد کو خاص طور پر تابکاری مزاحم، اعلی تعدد، اعلی طاقت، اور اعلی انضمام کثافت والے الیکٹرانک آلات کے لیے موزوں بناتی ہیں۔ وہ مائیکرو ویو آر ایف ڈیوائسز، ایل ای ڈی، لیزرز، اور پاور ڈیوائسز میں نمایاں پیش رفت کر رہے ہیں، اور موبائل کمیونیکیشنز، سمارٹ گرڈز، ریل ٹرانسپورٹیشن، الیکٹرک وہیکلز، کنزیومر الیکٹرانکس، اور الٹرا وائلٹ اور بلیو گرین لائٹ ڈیوائسز میں امید افزا امکانات دکھا رہے ہیں۔

شکل 1: مارکیٹ کا سائز اور GaN پاور ڈیوائسز کی پیشن گوئی

2. GaN کی ساخت اور خصوصیات

Gallium Nitride (GaN) ایک براہ راست بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹر ہے جس کا بینڈ گیپ تقریباً 3.26 eV ہے اس کے ورٹزائٹ ڈھانچے میں کمرے کے درجہ حرارت پر۔ GaN بنیادی طور پر تین کرسٹل لائن ڈھانچے میں موجود ہے: wurtzite، zincblende، اور rock-salt۔ Wurtzite ڈھانچہ ان میں سب سے زیادہ مستحکم ہے۔شکل 2 GaN کی ہیکساگونل ورٹزائٹ ڈھانچہ دکھاتا ہے۔. Wurtzite ڈھانچے میں، GaN کا تعلق ہیکساگونل کلوز پیکڈ کنفیگریشن سے ہے۔ ہر یونٹ سیل میں 12 ایٹم ہوتے ہیں جن میں 6 نائٹروجن (N) ایٹم اور 6 گیلیم (Ga) ایٹم شامل ہیں۔ ہر Ga (N) ایٹم 4 قریب ترین N (Ga) ایٹموں سے جڑا ہوا ہے، جو ایک ABABAB… پیٹرن[2] میں [0001] سمت کے ساتھ ایک اسٹیکنگ ترتیب بناتا ہے۔

شکل 2: GaN یونٹ سیل کا Wurtzite ڈھانچہ

3. GaN Epitaxy کے لیے کامن سبسٹریٹس

پہلی نظر میں، GaN سبسٹریٹس پر homoepitaxy GaN epitaxy کے لیے بہترین انتخاب معلوم ہوتا ہے۔ تاہم، GaN کی اعلی بانڈ توانائی کی وجہ سے، اس کے پگھلنے کے مقام (2500°C) پر، متعلقہ سڑنے کا دباؤ تقریباً 4.5 GPa ہے۔ اس دباؤ کے نیچے، GaN نہیں پگھلتا بلکہ براہ راست گل جاتا ہے۔ اس سے سبسٹریٹ کی تیاری کی روایتی تکنیکیں، جیسے Czochralski طریقہ، GaN سنگل کرسٹل سبسٹریٹس کی تیاری کے لیے غیر موزوں ہے۔ نتیجتاً، GaN سبسٹریٹس کو بڑے پیمانے پر پیدا کرنا مشکل اور مہنگا ہے۔ لہذا، عام طور پر استعمال ہونے والے ذیلی ذخیرے GaN ایپیٹیکسی میں شامل ہیں Si، SiC، اور نیلم[3]۔

شکل 3: GaN اور کامن سبسٹریٹ میٹریلز کے پیرامیٹرز

(1) نیلم پر GaN Epitaxy

نیلم کیمیائی طور پر مستحکم، سستا ہے، اور بڑے پیمانے پر پیداوار میں اس کی پختگی کی اعلیٰ ڈگری ہے، جو اسے سیمی کنڈکٹر ڈیوائس انجینئرنگ میں سب سے قدیم اور سب سے زیادہ استعمال ہونے والے سبسٹریٹ مواد میں سے ایک بناتی ہے۔ GaN epitaxy کے ایک عام ذیلی ذخیرے کے طور پر، نیلم ذیلی ذخیرے کو درج ذیل کلیدی مسائل کو حل کرنے کی ضرورت ہے:

✔ اعلی جالی کی مماثلت: نیلم (Al2O3) اور GaN کے درمیان جالیوں کی مماثلت اہم ہے (تقریباً 15%)، جس کی وجہ سے ایپیٹیکسیل پرت اور سبسٹریٹ کے درمیان انٹرفیس میں زیادہ خرابی کی کثافت ہوتی ہے۔ اس منفی اثر کو کم کرنے کے لیے، epitaxial عمل شروع ہونے سے پہلے سبسٹریٹ کو پیچیدہ پری پروسیسنگ سے گزرنا چاہیے۔ اس میں آلودگیوں کو دور کرنے اور چمکانے کے بقایا نقصانات کو دور کرنے کے لیے مکمل صفائی، قدموں اور قدموں کی سطح کے ڈھانچے کی تشکیل، ایپیٹیکسیل پرت کی گیلا ہونے والی خصوصیات کو تبدیل کرنے کے لیے سطح کی نائٹرائڈیشن، اور آخر میں ایک پتلی AlN بفر پرت (عام طور پر 10-100 nm موٹی) کو جمع کرنا شامل ہے۔ آخری اپیٹیکسیل ترقی کے لئے تیار کرنے کے لئے درجہ حرارت اینیلنگ. ان اقدامات کے باوجود، سیفائر سبسٹریٹس پر اگائی جانے والی GaN ایپیٹیکسیل فلموں میں سندچیوتی کثافت زیادہ رہتی ہے (~10^10 cm^-2) سلیکون یا GaAs (0 سے 102-104 cm^-2 کی سندچیوتی کثافت) پر ہوموپیٹاکسی کے مقابلے میں۔ زیادہ خرابی کی کثافت کیریئر کی نقل و حرکت کو کم کرتی ہے، اقلیتی کیریئر کی زندگیوں کو کم کرتی ہے، اور تھرمل چالکتا کو کم کرتی ہے، یہ سب ڈیوائس کی کارکردگی کو خراب کرتے ہیں[4]۔

✔ تھرمل ایکسپینشن کوفیشینٹ کی مماثلت: نیلم میں GaN سے زیادہ تھرمل ایکسپینشن گتانک ہوتا ہے، جس کے نتیجے میں ایپیٹیکسیل پرت کے اندر دوباکشیل کمپریسیو تناؤ پیدا ہوتا ہے کیونکہ یہ جمع ہونے والے درجہ حرارت سے کمرے کے درجہ حرارت تک ٹھنڈا ہوتا ہے۔ موٹی ایپیٹیکسیل فلموں کے لیے، یہ تناؤ فلم یا یہاں تک کہ سبسٹریٹ کریکنگ کا باعث بن سکتا ہے۔

✔ خراب تھرمل چالکتا: دیگر ذیلی ذخیروں کے مقابلے میں، نیلم میں کم تھرمل چالکتا ہے (~0.25 Wcm^-1K^-1 100°C پر)، جو گرمی کی کھپت کے لیے نقصان دہ ہے۔

✔ کم برقی چالکتا: نیلم کی خراب برقی چالکتا اس کے دوسرے سیمی کنڈکٹر آلات کے ساتھ انضمام اور استعمال میں رکاوٹ ہے۔

نیلم پر اگنے والی GaN epitaxial تہوں میں زیادہ خرابی کی کثافت کے باوجود، GaN-based blue-green LEDs میں اس کی آپٹیکل اور الیکٹرانک کارکردگی نمایاں طور پر کم ہوتی دکھائی نہیں دیتی۔ لہذا، نیلم کے ذیلی ذخیرے GaN پر مبنی LEDs کے لیے عام رہتے ہیں۔ تاہم، جیسے جیسے لیزر اور دیگر اعلی کثافت والے بجلی کے آلات جیسے مزید GaN آلات تیار ہوتے ہیں، نیلم کے ذیلی ذخائر کی موروثی حدود تیزی سے ظاہر ہوتی جاتی ہیں۔

(2) GaN Epitaxy on SiC

نیلم کے مقابلے میں، SiC سبسٹریٹس (4H- اور 6H-polytypes) میں GaN epitaxial تہوں (3.1% [0001] سمت کے ساتھ)، اعلی تھرمل چالکتا (تقریباً 3.8 Wcm^-1K^-1) کے ساتھ ایک چھوٹی جالی کی مماثلت ہے، اور برقی چالکتا جو بیک سائیڈ برقی رابطوں کی اجازت دیتی ہے، آلے کے ڈھانچے کو آسان بناتی ہے۔ یہ فوائد SiC سبسٹریٹس پر GaN ایپیٹیکسی کو تلاش کرنے کے لیے محققین کی بڑھتی ہوئی تعداد کو اپنی طرف متوجہ کرتے ہیں۔ تاہم، SiC سبسٹریٹس پر GaN epitaxial تہوں کی براہ راست نمو کو بھی کئی چیلنجوں کا سامنا ہے:

✔ سطح کا کھردرا پن: SiC سبسٹریٹس کی سطح کی کھردری پن نیلم کے سبسٹریٹس سے کہیں زیادہ ہوتی ہے (0.1 nm RMS نیلم کے لیے، 1 nm RMS SiC کے لیے)۔ SiC کی اعلی سختی اور ناقص مشینی صلاحیت اس کھردری اور بقایا چمکانے والے نقصان میں حصہ ڈالتی ہے، جو GaN ایپیٹیکسیل تہوں میں نقائص کے ذرائع ہیں۔

✔ ہائی تھریڈنگ ڈس لوکیشن ڈینسٹی: SiC سبسٹریٹس میں ہائی تھریڈنگ ڈس لوکیشن کثافت (103-104 cm^-2) ہوتی ہے، جو GaN ایپیٹیکسیل پرت میں پھیل سکتی ہے اور ڈیوائس کی کارکردگی کو کم کر سکتی ہے۔

✔ اسٹیکنگ فالٹس: سبسٹریٹ کی سطح پر جوہری ترتیب GaN ایپیٹیکسیل تہوں میں اسٹیکنگ فالٹس (BSFs) کو آمادہ کر سکتا ہے۔ ایس آئی سی سبسٹریٹ پر متعدد ممکنہ ایٹم انتظامات GaN پرت میں غیر یکساں ابتدائی ایٹم اسٹیکنگ سیکونسز کا باعث بنتے ہیں، جس سے اسٹیکنگ فالٹس کے امکانات بڑھ جاتے ہیں۔ سی محور کے ساتھ BSFs بلٹ ان الیکٹرک فیلڈز متعارف کراتے ہیں، جس سے آلات میں کیریئر کی علیحدگی اور رساو کے مسائل پیدا ہوتے ہیں۔

✔ تھرمل ایکسپینشن کوفیشینٹ کی مماثلت: SiC کا تھرمل ایکسپینشن گتانک AlN اور GaN سے چھوٹا ہے، جس کی وجہ سے کولنگ کے دوران اپیٹیکسیل پرت اور سبسٹریٹ کے درمیان تھرمل تناؤ جمع ہوتا ہے۔ والٹیرائٹ اور برانڈ کی تحقیق سے پتہ چلتا ہے کہ اس مسئلے کو ایک پتلی، مربوط طور پر تناؤ والی AlN نیوکلیشن پرت پر GaN ایپیٹیکسیل پرت کو بڑھا کر کم کیا جا سکتا ہے۔

✔ گا ایٹموں کا خراب گیلا ہونا: Ga ایٹموں کے گیلے ہونے کی وجہ سے SiC سطحوں پر GaN کی براہ راست نمو مشکل ہے۔ GaN ایک 3D جزیرہ موڈ میں بڑھتا ہے، بفر تہوں کو متعارف کرانا ایپیٹیکسیل مواد کے معیار کو بہتر بنانے کا ایک عام حل ہے۔ AlN یا AlxGa1-xN بفر تہوں کو متعارف کرانے سے SiC سطح پر گیلے ہونے کو بہتر بنایا جا سکتا ہے، GaN ایپیٹیکسیل پرت کی 2D نمو کو فروغ دیا جا سکتا ہے اور تناؤ کو ماڈیول کرنے اور سبسٹریٹ کے نقائص کو GaN تہہ میں پھیلنے سے روکنے کے لیے کام کیا جا سکتا ہے۔

✔ زیادہ لاگت اور محدود سپلائی: SiC سبسٹریٹ کی تیاری کی ٹیکنالوجی ناپختہ ہے، جس کی وجہ سے سبسٹریٹ کی زیادہ لاگت آتی ہے اور چند دکانداروں کی طرف سے محدود سپلائی ہوتی ہے۔

Torres et al کی تحقیق۔ اس بات کی نشاندہی کرتا ہے کہ اعلی درجہ حرارت (1600 ° C) پر H2 کے ساتھ پری اینچنگ SiC سبسٹریٹس زیادہ منظم قدمی ڈھانچے بناتا ہے، جس کے نتیجے میں اعلیٰ معیار کی AlN ایپیٹیکسیل فلمیں ان کے مقابلے میں بنتی ہیں جو براہ راست غیر علاج شدہ ذیلی جگہوں پر اگائی جاتی ہیں۔ Xie اور ان کی ٹیم نے یہ بھی ظاہر کیا کہ SiC سبسٹریٹس کی اینچنگ پریٹریٹمنٹ GN epitaxial تہوں کی سطحی شکل اور کرسٹل کوالٹی کو نمایاں طور پر بہتر بناتی ہے۔ سمتھ وغیرہ۔ پتہ چلا کہ سبسٹریٹ/بفر لیئر اور بفر لیئر/ایپیٹیکسیئل لیئر انٹرفیس سے تھریڈنگ ڈس لوکیشنز سبسٹریٹ فلیٹنس سے متعلق ہیں[5]۔

شکل 4: مختلف سطح کے علاج کے تحت 6H-SiC سبسٹریٹس کے چہرے (0001) پر اگنے والی GaN ایپیٹیکسیل پرتوں کی TEM مورفولوجی: (a) کیمیائی صفائی؛ (b) کیمیائی صفائی + ہائیڈروجن پلازما علاج؛ © کیمیکل کلیننگ + ہائیڈروجن پلازما ٹریٹمنٹ + 1300°C ہائیڈروجن تھرمل ٹریٹمنٹ 30 منٹ تک

(3) GaN Epitaxy on Si

SiC اور سیفائر سبسٹریٹس کے مقابلے میں، سلکان سبسٹریٹس پختہ تیاری کے عمل، مستحکم بڑے سائز کے سبسٹریٹ کی فراہمی، لاگت کی تاثیر، اور بہترین تھرمل اور برقی چالکتا پر فخر کرتے ہیں۔ مزید برآں، پختہ سلکان الیکٹرانک ڈیوائس ٹیکنالوجی سلکان الیکٹرانک آلات کے ساتھ آپٹو الیکٹرونک GaN آلات کے کامل انضمام کی صلاحیت پیش کرتی ہے، جس سے سلکان پر GaN ایپیٹیکسی انتہائی پرکشش ہے۔ تاہم، Si سبسٹریٹس اور GaN مواد کے درمیان نمایاں جالی مستقل مماثلت کئی چیلنجز پیش کرتی ہے۔

✔ انٹرفیس انرجی کے مسائل: جب GaN کو Si سبسٹریٹس پر اگایا جاتا ہے، تو Si کی سطح سب سے پہلے ایک بے ساختہ SiNx تہہ بناتی ہے، جو کہ اعلی کثافت GaN نیوکلیشن کے لیے نقصان دہ ہے۔ مزید برآں، Si سطحیں ابتدائی طور پر Ga کے ساتھ رد عمل ظاہر کرتی ہیں، جس سے سطح کی سنکنرن ہوتی ہے، اور اعلی درجہ حرارت پر، Si سطح کی سڑن GaN epitaxial تہہ میں پھیل سکتی ہے، جس سے سیاہ سلیکون دھبے بن سکتے ہیں۔

✔ جالیوں کی مماثلت: GaN اور Si کے درمیان بڑے جالیوں کی مستقل مماثلت (~17%) کے نتیجے میں اعلی کثافت والی تھریڈنگ کی نقل مکانی ہوتی ہے، جس سے ایپیٹیکسیل پرت کے معیار کو نمایاں طور پر کم کیا جاتا ہے۔

✔ تھرمل ایکسپینشن گتانک کی مماثلت: GaN میں Si (GaN ~5.6×10^-6 K^-1، Si ~2.6×10^-6 K^-1) سے بڑا تھرمل ایکسپینشن گتانک ہے، جس سے GaN میں دراڑیں پڑ سکتی ہیں۔ epitaxial پرت epitaxial ترقی کے درجہ حرارت سے کمرے کے درجہ حرارت تک کولنگ کے دوران۔

✔ اعلی درجہ حرارت کے رد عمل: Si اعلی درجہ حرارت پر NH3 کے ساتھ رد عمل ظاہر کرتا ہے، پولی کرسٹل لائن SiNx بناتا ہے۔ AlN ترجیحی طور پر پولی کرسٹل لائن SiNx پر نیوکلیئٹ نہیں کر سکتا، جس کی وجہ سے بہت زیادہ خرابی کی کثافت کے ساتھ GaN کی بہت زیادہ خرابی پیدا ہوتی ہے، جس سے سنگل کرسٹل GaN ایپیٹیکسیل تہوں کو بنانا مشکل ہو جاتا ہے[6]۔

بڑے جالیوں کی مماثلت کو دور کرنے کے لیے، محققین نے کوشش کی ہے کہ AlAs، GaAs، AlN، GaN، ZnO، اور SiC جیسے مواد کو Si سبسٹریٹس پر بفر لیئرز کے طور پر متعارف کرایا جائے۔ پولی کرسٹل لائن SiNx کی تشکیل کو روکنے اور GaN/AlN/Si (111) کے کرسٹل معیار پر اس کے منفی اثرات کو کم کرنے کے لیے، TMAL کو عام طور پر AlN بفر پرت کی اپیٹیکسیل ترقی سے پہلے متعارف کرایا جاتا ہے تاکہ NH3 کو بے نقاب Si سطح کے ساتھ رد عمل ظاہر کرنے سے روکا جا سکے۔ مزید برآں، epitaxial تہہ کے معیار کو بہتر بنانے کے لیے نمونہ دار سبسٹریٹس جیسی تکنیکوں کا استعمال کیا جاتا ہے۔ یہ پیشرفت ایپیٹیکسیل انٹرفیس پر SiNx کی تشکیل کو دبانے میں مدد کرتی ہے، GaN epitaxial تہہ کی 2D ترقی کو فروغ دیتی ہے، اور ترقی کے معیار کو بڑھاتی ہے۔ AlN بفر تہوں کو متعارف کرانے سے تھرمل ایکسپینشن گتانکوں میں فرق کی وجہ سے تناؤ کے تناؤ کی تلافی ہوتی ہے، جس سے سلیکون سبسٹریٹس پر GaN تہہ میں دراڑیں پڑنے سے بچتا ہے۔ کرسٹ کی تحقیق AlN بفر پرت کی موٹائی اور کم تناؤ کے درمیان ایک مثبت ارتباط کی نشاندہی کرتی ہے، جس سے سیلیکون سبسٹریٹس پر 6 μm سے زیادہ موٹی ایپیٹیکسیل تہوں کو بغیر کسی شگاف کے، مناسب نمو کی اسکیموں کے ذریعے ترقی کی اجازت ملتی ہے۔

وسیع تحقیقی کوششوں کی بدولت، سلیکون سبسٹریٹس پر اگنے والی GaN ایپیٹیکسیل تہوں کے معیار میں نمایاں بہتری آئی ہے۔ فیلڈ ایفیکٹ ٹرانزسٹرز، Schottky بیریئر الٹرا وائلٹ ڈیٹیکٹر، بلیو گرین ایل ای ڈی، اور الٹرا وائلٹ لیزرز سبھی نے اہم پیش رفت کی ہے۔

آخر میں، عام GaN epitaxial substrates تمام heteroepitaxial ہیں، جن کو جالیوں کی مماثلت اور تھرمل ایکسپینشن گتانک کے فرق کی مختلف ڈگریوں کا سامنا ہے۔ Homoepitaxial GaN سبسٹریٹس ناپختہ ٹکنالوجی، اعلی پیداواری لاگت، چھوٹے سبسٹریٹ سائز، اور سب سے بہترین معیار کے ذریعے محدود ہیں، جس سے نئے GaN ایپیٹیکسیل سبسٹریٹس کی ترقی اور صنعت کی مزید ترقی کے لیے epitaxial معیار کی بہتری کے اہم عوامل ہیں۔

4. GaN Epitaxy کے لیے عام طریقے

(1) MOCVD (دھاتی-نامیاتی کیمیائی بخارات جمع)

جبکہ GaN سبسٹریٹس پر homoepitaxy GaN epitaxy کے لیے بہترین انتخاب معلوم ہوتا ہے، Metal-organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) اہم فوائد پیش کرتا ہے۔ trimethylgallium اور امونیا کو پیشگی کے طور پر اور ہائیڈروجن کو کیریئر گیس کے طور پر استعمال کرتے ہوئے، MOCVD عام طور پر 1000-1100 ° C کے ارد گرد ترقی کے درجہ حرارت پر کام کرتا ہے۔ MOCVD کی شرح نمو کئی مائکرو میٹر فی گھنٹہ کی حد میں ہے۔ یہ طریقہ جوہری طور پر تیز انٹرفیس تیار کر سکتا ہے، جو اسے بڑھتے ہوئے ہیٹروجنکشنز، کوانٹم ویلز اور سپر لیٹیسس کے لیے مثالی بناتا ہے۔ اس کی نسبتاً زیادہ ترقی کی رفتار، بہترین یکسانیت، اور بڑے رقبے اور ملٹی ویفر نمو کے لیے موزوں ہونا اسے صنعتی پیداوار کے لیے ایک معیاری طریقہ بناتا ہے۔

(2) MBE (مالیکیولر بیم ایپیٹیکسی)

مالیکیولر بیم ایپیٹیکسی (ایم بی ای) میں، گیلیم کے لیے عنصری ذرائع استعمال کیے جاتے ہیں، اور فعال نائٹروجن نائٹروجن گیس سے آر ایف پلازما کے ذریعے پیدا ہوتی ہے۔ MOCVD کے مقابلے میں، MBE نمایاں طور پر کم درجہ حرارت پر کام کرتا ہے، تقریباً 350-400°C۔ یہ کم درجہ حرارت کچھ آلودگی کے مسائل سے بچ سکتا ہے جو اعلی درجہ حرارت والے ماحول میں پیدا ہو سکتے ہیں۔ ایم بی ای سسٹم انتہائی اعلی ویکیوم حالات میں کام کرتے ہیں، جس سے اندرونِ حالت نگرانی کی مزید تکنیکوں کے انضمام کی اجازت ملتی ہے۔ تاہم، MBE کی شرح نمو اور پیداواری صلاحیت MOCVD سے مماثل نہیں ہوسکتی ہے، جو اسے تحقیقی ایپلی کیشنز کے لیے زیادہ موزوں بناتی ہے[7]۔

شکل 5: (a) Eiko-MBE کی اسکیمیٹک (b) MBE مین ری ایکشن چیمبر کی اسکیمیٹک

(3) HVPE (Hydride Vapor Phase Epitaxy)

Hydride Vapor Phase Epitaxy (HVPE) GaCl3 اور NH3 کو پیشگی کے طور پر استعمال کرتا ہے۔ Detchprohm et al. نیلم کے ذیلی ذخیروں پر کئی سو مائکرو میٹر موٹی GaN ایپیٹیکسیل تہوں کو اگانے کے لیے یہ طریقہ استعمال کیا۔ ان کے تجربات میں، سیفائر سبسٹریٹ اور ایپیٹیکسیل پرت کے درمیان ایک ZnO بفر پرت اگائی گئی تھی، جس سے ایپیٹیکسیل پرت کو سبسٹریٹ کی سطح سے چھلکا ہوا تھا۔ MOCVD اور MBE کے مقابلے میں، HVPE کا بنیادی فائدہ اس کی اعلی شرح نمو ہے، جو اسے موٹی تہوں اور بلک مواد کی تیاری کے لیے موزوں بناتا ہے۔ تاہم، جب epitaxial تہہ کی موٹائی 20μm سے زیادہ ہو جاتی ہے، تو HVPE کے ذریعے اگائی گئی پرتیں پھٹنے کا شکار ہوتی ہیں۔

اکیرا یو ایس یو آئی نے ایچ وی پی ای طریقہ پر مبنی نمونہ دار سبسٹریٹ ٹیکنالوجی متعارف کرائی۔ ابتدائی طور پر، ایک پتلی GaN epitaxial تہہ، 1-1.5μm موٹی، MOCVD کا استعمال کرتے ہوئے نیلم سبسٹریٹ پر اگائی گئی تھی۔ یہ پرت 20nm موٹی کم درجہ حرارت کی GaN بفر پرت اور ایک اعلی درجہ حرارت GaN پرت پر مشتمل ہے۔ اس کے بعد، 430 ° C پر، SiO2 کی ایک پرت ایپیٹیکسیل پرت کی سطح پر جمع کی گئی، اور فوٹو لیتھوگرافی کے ذریعے SiO2 فلم پر کھڑکی کی پٹیاں بنائی گئیں۔ پٹی کا فاصلہ 7μm تھا، ماسک کی چوڑائی 1μm سے 4μm تک تھی۔ اس ترمیم نے انہیں 2 انچ قطر کے نیلم سبسٹریٹس پر GaN ایپیٹیکسیل پرتیں تیار کرنے کے قابل بنایا، جو کہ کریک فری اور آئینے سے ہموار رہیں یہاں تک کہ جب موٹائی دسیوں یا سینکڑوں مائکرو میٹر تک بڑھ جائے۔ خرابی کی کثافت روایتی HVPE طریقہ کے 109-1010 cm^-2 سے کم کر کے تقریباً 6×10^7 cm^-2 کر دی گئی۔ انہوں نے یہ بھی نوٹ کیا کہ نمونے کی سطح اس وقت کھردری ہو گئی جب شرح نمو 75μm/h[8] سے تجاوز کر گئی۔ 

                                                                                                                   

                                                                                                                                     شکل 6: پیٹرن والے سبسٹریٹ کی اسکیمیٹک

5۔ خلاصہ اور آؤٹ لک

مارکیٹ کی بے پناہ مانگ بلاشبہ GaN سے متعلقہ صنعتوں اور ٹیکنالوجیز میں نمایاں پیش رفت کرے گی۔ جیسے جیسے GaN کے لیے صنعتی سلسلہ پختہ اور بہتر ہوتا جائے گا، GaN ایپیٹیکسی میں موجودہ چیلنجز کو بالآخر کم کیا جائے گا یا ان پر قابو پالیا جائے گا۔ مستقبل کی پیشرفت ممکنہ طور پر نئی ایپیٹیکسیل تکنیک اور اعلی سبسٹریٹ آپشنز متعارف کرائے گی۔ یہ پیشرفت مختلف ایپلیکیشن منظرناموں کی خصوصیات کی بنیاد پر موزوں ترین ایپیٹیکسیل ٹیکنالوجی اور سبسٹریٹ کے انتخاب کو قابل بنائے گی، جس کے نتیجے میں انتہائی مسابقتی، حسب ضرورت مصنوعات کی پیداوار ہوگی۔**

حوالہ جات:

[1] "توجہ" سیمی کنڈکٹر میٹریل-گیلیم نائٹرائڈ (baidu.com)

[2] تانگ لنجیانگ، وان چینگن، ژانگ منگھوا، لی ینگ، وسیع بینڈ گیپ سیمی کنڈکٹر مواد کی تحقیقی حیثیت SiC اور GaN، فوجی اور سویلین دوہری استعمال کی ٹیکنالوجی اور مصنوعات، مارچ 2020، شمارہ 437، 21-28۔

[3] وانگ ہوان، تیان یے، سلکان سبسٹریٹ پر گیلیم نائٹرائڈ کے بڑے مماثل تناؤ پر قابو پانے کے طریقہ کار پر تحقیق، سائنس اور ٹیکنالوجی کی اختراع اور اطلاق، شمارہ 3، 2023

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

P.Ruterana, Philippe Vermaut, G.Nouet, A.Salvador, H.Morkoc, MBE کے ذریعے 6H-SiC کی (0001)Si سطح پر 2H-GaN نمو میں سطح کا علاج اور تہہ کی ساخت، MRS انٹرنیٹ J. نائٹرائڈ سیمی سیکنڈ۔ Res.2(1997)42۔

[6] M.A. Sanchez-Garcia, F.B. Naranjo, J.L.Pau, A.Jimenez, E.Calleja, E.Munoz, GaN/AlGaN سنگل ہیٹروجنکشن لائٹ ایمیٹنگ ڈائیوڈس میں الٹرا وائلٹ الیکٹرولومینیسینس جو Si(111) پر اگائے گئے، جرنل آف اپلائیڈ فزکس 87,1569(2000)۔

[7]سنکیانگ وانگ، اکی ہیکو یوشیکاوا، مالیکیولر بیم ایپیٹیکسی کی ترقی GaN، AlN اور InN، کرسٹل گروتھ میں پیش رفت اور مواد کی خصوصیات 48/49 (2004) 42-103۔

[8]Akira Usui，Haruo Sunakawa，Akira Sakai and A. atsushi Yamaguchi, Thick GaN epitaxial growth with low dislocation density by hydride vapor step epitaxy, Jpn۔ J. Appl طبیعیات والیوم 36 (1997) صفحہ 899-902۔