GaN-आधारित कमी-तापमान एपिटॅक्सी तंत्रज्ञान

1. GaN-आधारित सामग्रीचे महत्त्व

ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणे, पॉवर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे आणि रेडिओ फ्रिक्वेन्सी मायक्रोवेव्ह उपकरणे तयार करण्यासाठी GaN-आधारित सेमीकंडक्टर सामग्रीचा वापर त्यांच्या उत्कृष्ट गुणधर्मांमुळे होतो जसे की विस्तृत बँडगॅप वैशिष्ट्ये, उच्च ब्रेकडाउन फील्ड सामर्थ्य आणि उच्च थर्मल चालकता. सेमीकंडक्टर लाइटिंग, सॉलिड-स्टेट अल्ट्राव्हायोलेट लाइट सोर्स, सोलर फोटोव्होल्टेइक, लेसर डिस्प्ले, लवचिक डिस्प्ले स्क्रीन, मोबाइल कम्युनिकेशन्स, पॉवर सप्लाय, नवीन एनर्जी व्हेईकल, स्मार्ट ग्रिड इत्यादी उद्योगांमध्ये ही उपकरणे मोठ्या प्रमाणावर वापरली गेली आहेत आणि तंत्रज्ञान आणि बाजार अधिक परिपक्व होत आहे.

पारंपारिक एपिटॅक्सी तंत्रज्ञानाच्या मर्यादा

GaN-आधारित सामग्रीसाठी पारंपारिक एपिटॅक्सियल वाढ तंत्रज्ञान जसे कीMOCVDआणिMBEसामान्यत: उच्च तापमान परिस्थिती आवश्यक असते, जी काच आणि प्लास्टिक सारख्या आकारहीन सब्सट्रेट्सना लागू होत नाही कारण ही सामग्री उच्च वाढ तापमान सहन करू शकत नाही. उदाहरणार्थ, सामान्यतः वापरल्या जाणाऱ्या फ्लोट ग्लास 600°C पेक्षा जास्त परिस्थितीत मऊ होतील. कमी-तापमानाची मागणीएपिटॅक्सी तंत्रज्ञान: कमी किमतीच्या आणि लवचिक ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक (इलेक्ट्रॉनिक) उपकरणांच्या वाढत्या मागणीसह, कमी तापमानात प्रतिक्रिया पूर्ववर्ती क्रॅक करण्यासाठी बाह्य विद्युत क्षेत्र ऊर्जा वापरणाऱ्या एपिटॅक्सियल उपकरणांची मागणी आहे. हे तंत्रज्ञान कमी तापमानात, आकारहीन सब्सट्रेट्सच्या वैशिष्ट्यांशी जुळवून घेत आणि कमी किमतीची आणि लवचिक (ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक) उपकरणे तयार करण्याची शक्यता प्रदान करते.

2. GaN-आधारित सामग्रीची क्रिस्टल रचना

क्रिस्टल रचना प्रकार

GaN-आधारित सामग्रीमध्ये प्रामुख्याने GaN, InN, AlN आणि त्यांच्या टर्नरी आणि क्वाटरनरी सॉलिड सोल्यूशन्सचा समावेश होतो, वुर्टझाइट, स्फॅलेराइट आणि रॉक सॉल्टच्या तीन स्फटिक रचनांसह, ज्यामध्ये व्युर्टझाइट रचना सर्वात स्थिर असते. स्फॅलेराइट स्ट्रक्चर हा एक मेटास्टेबल टप्पा आहे, ज्याचे उच्च तापमानात वुर्टझाइट स्ट्रक्चरमध्ये रूपांतर होऊ शकते आणि कमी तापमानात स्टॅकिंग फॉल्ट्सच्या स्वरूपात व्हर्टझाइट स्ट्रक्चरमध्ये अस्तित्वात असू शकते. रॉक सॉल्ट स्ट्रक्चर हा GaN चा उच्च-दाब टप्पा आहे आणि केवळ अत्यंत उच्च दाबाच्या परिस्थितीत दिसू शकतो.

क्रिस्टल विमाने आणि क्रिस्टल गुणवत्ता वैशिष्ट्यीकरण

सामान्य क्रिस्टल प्लेनमध्ये ध्रुवीय सी-प्लेन, सेमी-पोलर एस-प्लेन, आर-प्लेन, एन-प्लेन आणि नॉन-पोलर ए-प्लेन आणि एम-प्लेन यांचा समावेश होतो. सामान्यतः, नीलम आणि Si सबस्ट्रेट्सवरील एपिटॅक्सीद्वारे प्राप्त केलेले GaN-आधारित पातळ चित्रपट सी-प्लेन क्रिस्टल ओरिएंटेशन असतात.

3. Epitaxy तंत्रज्ञान आवश्यकता आणि अंमलबजावणी उपाय

तांत्रिक बदलाची गरज

माहितीकरण आणि बुद्धिमत्तेच्या विकासासह, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणे आणि इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांची मागणी कमी किमतीची आणि लवचिक असते. या गरजा पूर्ण करण्यासाठी, GaN-आधारित सामग्रीचे विद्यमान एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञान बदलणे आवश्यक आहे, विशेषत: आकारहीन सब्सट्रेट्सच्या वैशिष्ट्यांशी जुळवून घेण्यासाठी कमी तापमानात चालवता येणारे एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञान विकसित करणे आवश्यक आहे.

कमी-तापमान एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञानाचा विकास

च्या तत्त्वांवर आधारित कमी-तापमान एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञानभौतिक बाष्प साठा (पीव्हीडी)आणिरासायनिक बाष्प साठा (CVD), रिॲक्टिव्ह मॅग्नेट्रॉन स्पटरिंग, प्लाझ्मा-असिस्टेड MBE (PA-MBE), स्पंदित लेसर डिपॉझिशन (PLD), स्पंदित स्पटरिंग डिपॉझिशन (PSD), लेसर-असिस्टेड MBE (LMBE), रिमोट प्लाझ्मा CVD (RPCVD), स्थलांतर वर्धित CVD (आफ्टरग्लो) यासह MEA-CVD), रिमोट प्लाझ्मा वर्धित MOCVD (RPEMOCVD), क्रियाकलाप वर्धित MOCVD (REMOCVD), इलेक्ट्रॉन सायक्लोट्रॉन रेझोनान्स प्लाझ्मा वर्धित MOCVD (ECR-PEMOCVD) आणि प्रेरकपणे जोडलेले प्लाझ्मा MOCVD (ICP-MOCVD), इ.

4. पीव्हीडी तत्त्वावर आधारित लो-तापमान एपिटॅक्सी तंत्रज्ञान

तंत्रज्ञानाचे प्रकार

रिॲक्टिव्ह मॅग्नेट्रॉन स्पटरिंग, प्लाझ्मा-असिस्टेड MBE (PA-MBE), स्पंदित लेसर डिपॉझिशन (PLD), स्पंदित स्पटरिंग डिपॉझिशन (PSD) आणि लेसर-असिस्टेड MBE (LMBE) यांचा समावेश आहे.

तांत्रिक वैशिष्ट्ये

हे तंत्रज्ञान कमी तापमानात प्रतिक्रिया स्त्रोताचे आयनीकरण करण्यासाठी बाह्य फील्ड कपलिंग वापरून ऊर्जा प्रदान करतात, ज्यामुळे त्याचे क्रॅकिंग तापमान कमी होते आणि GaN-आधारित सामग्रीची कमी-तापमान एपिटॅक्सियल वाढ साध्य होते. उदाहरणार्थ, रिऍक्टिव्ह मॅग्नेट्रॉन स्पटरिंग तंत्रज्ञान स्पटरिंग प्रक्रियेदरम्यान चुंबकीय क्षेत्राचा परिचय करून देते ज्यामुळे इलेक्ट्रॉनची गतिज ऊर्जा वाढते आणि लक्ष्य स्पटरिंग वाढविण्यासाठी N2 आणि Ar सह टक्कर होण्याची शक्यता वाढते. त्याच वेळी, ते लक्ष्यापेक्षा उच्च-घनता प्लाझ्मा देखील मर्यादित करू शकते आणि सब्सट्रेटवर आयनचा भडिमार कमी करू शकते.

आव्हाने

जरी या तंत्रज्ञानाच्या विकासामुळे कमी किमतीची आणि लवचिक ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणे तयार करणे शक्य झाले असले तरी, त्यांना वाढीचा दर्जा, उपकरणांची जटिलता आणि किमतीच्या बाबतीत आव्हानांचा सामना करावा लागतो. उदाहरणार्थ, PVD तंत्रज्ञानासाठी सामान्यत: उच्च व्हॅक्यूम पदवी आवश्यक असते, जी पूर्व-प्रतिक्रिया प्रभावीपणे दडपून टाकू शकते आणि काही इन-सीटू मॉनिटरिंग उपकरणे सादर करू शकतात ज्यांना उच्च व्हॅक्यूम (जसे की RHEED, Langmuir प्रोब इ.) अंतर्गत कार्य करणे आवश्यक आहे, परंतु यामुळे अडचण वाढते. मोठ्या क्षेत्राचे एकसमान डिपॉझिशन, आणि उच्च व्हॅक्यूमचे ऑपरेशन आणि देखभाल खर्च जास्त आहे.

5. सीव्हीडी तत्त्वावर आधारित कमी-तापमान एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञान

तंत्रज्ञानाचे प्रकार

रिमोट प्लाझ्मा CVD (RPCVD), स्थलांतर वर्धित आफ्टरग्लो CVD (MEA-CVD), रिमोट प्लाझ्मा वर्धित MOCVD (RPEMOCVD), क्रियाकलाप वर्धित MOCVD (REMOCVD), इलेक्ट्रॉन सायक्लोट्रॉन रेझोनान्स प्लाझ्मा वर्धित प्लाझ्मा-एमओसीपीईसीव्हीडी (एमओसीपीईसीव्हीडी) आणि एमओसीपीईसीव्हीडी (एमओसीपीव्हीडी) मधील जोडणी समाविष्ट आहे. ICP-MOCVD).

तांत्रिक फायदे

हे तंत्रज्ञान भिन्न प्लाझ्मा स्रोत आणि प्रतिक्रिया यंत्रणा वापरून कमी तापमानात III-नायट्राइड सेमीकंडक्टर सामग्री जसे की GaN आणि InN ची वाढ साध्य करतात, जे मोठ्या-क्षेत्रात एकसमान ठेवण्यासाठी आणि खर्च कमी करण्यासाठी अनुकूल आहे. उदाहरणार्थ, रिमोट प्लाझ्मा CVD (RPCVD) तंत्रज्ञान प्लाझ्मा जनरेटर म्हणून ECR स्त्रोत वापरते, जे कमी-दाब प्लाझ्मा जनरेटर आहे जे उच्च-घनता प्लाझ्मा तयार करू शकते. त्याच वेळी, प्लाझ्मा ल्युमिनेसेन्स स्पेक्ट्रोस्कोपी (OES) तंत्रज्ञानाद्वारे, N2+ शी संबंधित 391 nm स्पेक्ट्रम हे सब्सट्रेटच्या वर जवळजवळ आढळून येत नाही, ज्यामुळे उच्च-ऊर्जा आयनद्वारे नमुना पृष्ठभागावरील भडिमार कमी होतो.

क्रिस्टल गुणवत्ता सुधारा

उच्च-ऊर्जा चार्ज केलेले कण प्रभावीपणे फिल्टर करून एपिटॅक्सियल लेयरची क्रिस्टल गुणवत्ता सुधारली जाते. उदाहरणार्थ, MEA-CVD तंत्रज्ञान RPCVD च्या ECR प्लाझ्मा स्त्रोताला पुनर्स्थित करण्यासाठी HCP स्त्रोत वापरते, ज्यामुळे ते उच्च-घनता प्लाझ्मा तयार करण्यासाठी अधिक योग्य बनते. एचसीपी स्त्रोताचा फायदा असा आहे की क्वार्ट्ज डायलेक्ट्रिक विंडोमुळे ऑक्सिजन दूषित होत नाही आणि कॅपेसिटिव्ह कपलिंग (सीसीपी) प्लाझ्मा स्त्रोतापेक्षा त्याची प्लाझ्मा घनता जास्त आहे.

6. सारांश आणि आउटलुक

कमी-तापमान एपिटॅक्सी तंत्रज्ञानाची सद्य स्थिती

साहित्य संशोधन आणि विश्लेषणाद्वारे, कमी-तापमान एपिटॅक्सी तंत्रज्ञानाची सद्य स्थिती दर्शविली जाते, ज्यामध्ये तांत्रिक वैशिष्ट्ये, उपकरणांची रचना, कामाची परिस्थिती आणि प्रायोगिक परिणाम यांचा समावेश आहे. ही तंत्रज्ञाने बाह्य फील्ड कपलिंगद्वारे ऊर्जा प्रदान करतात, वाढीचे तापमान प्रभावीपणे कमी करतात, आकारहीन सब्सट्रेट्सच्या वैशिष्ट्यांशी जुळवून घेतात आणि कमी किमतीची आणि लवचिक (ऑप्टो) इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे तयार करण्याची शक्यता प्रदान करतात.

भविष्यातील संशोधन दिशा

कमी-तापमान एपिटॅक्सी तंत्रज्ञानामध्ये मोठ्या प्रमाणात अनुप्रयोगाची शक्यता आहे, परंतु ते अद्याप अन्वेषणाच्या टप्प्यात आहे. अभियांत्रिकी अनुप्रयोगांमधील समस्या सोडवण्यासाठी उपकरणे आणि प्रक्रिया या दोन्ही पैलूंमधून सखोल संशोधन आवश्यक आहे. उदाहरणार्थ, प्लाझ्मामधील आयन फिल्टरिंग समस्येचा विचार करताना उच्च घनता प्लाझ्मा कसा मिळवायचा याचा पुढील अभ्यास करणे आवश्यक आहे; कमी तापमानात पोकळीतील पूर्व-प्रतिक्रिया प्रभावीपणे दाबण्यासाठी गॅस होमोजेनायझेशन उपकरणाची रचना कशी करावी; स्पार्किंग किंवा इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक फील्ड विशिष्ट पोकळीच्या दाबाने प्लाझ्मावर परिणाम होऊ नये म्हणून कमी-तापमानाच्या एपिटॅक्सियल उपकरणांचे हीटर कसे डिझाइन करावे.

अपेक्षित योगदान

हे क्षेत्र संभाव्य विकासाची दिशा बनेल आणि पुढच्या पिढीच्या ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणांच्या विकासात महत्त्वाचे योगदान देईल अशी अपेक्षा आहे. संशोधकांच्या उत्कट लक्ष आणि जोमाने प्रोत्साहनाने, हे क्षेत्र भविष्यात संभाव्य विकासाच्या दिशेने वाढेल आणि पुढील पिढीच्या (ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक) उपकरणांच्या विकासासाठी महत्त्वपूर्ण योगदान देईल.