তৃতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টরগুলির পরিচিতি: GaN এবং সম্পর্কিত এপিটাক্সিয়াল প্রযুক্তি

1. তৃতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর

(1) প্রথম প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর

প্রথম প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর প্রযুক্তি সিলিকন (Si) এবং জার্মেনিয়াম (Ge) এর মতো উপকরণের উপর ভিত্তি করে তৈরি। এই উপকরণগুলি ট্রানজিস্টর এবং ইন্টিগ্রেটেড সার্কিট (IC) প্রযুক্তির ভিত্তি স্থাপন করেছিল, যা 20 শতকের ইলেকট্রনিক্স শিল্পের ভিত্তি স্থাপন করেছিল।

(2) দ্বিতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর
দ্বিতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর উপাদানগুলির মধ্যে প্রাথমিকভাবে গ্যালিয়াম আর্সেনাইড (GaAs), ইন্ডিয়াম ফসফাইড (InP), গ্যালিয়াম ফসফাইড (GaP), ইন্ডিয়াম আর্সেনাইড (InAs), অ্যালুমিনিয়াম আর্সেনাইড (AlAs) এবং তাদের ত্রিভুজ যৌগ অন্তর্ভুক্ত। এই উপকরণগুলি অপটোইলেক্ট্রনিক তথ্য শিল্পের মেরুদণ্ড গঠন করে, যা আলো, প্রদর্শন, লেজার, ফটোভোলটাইক এবং অন্যান্য সম্পর্কিত শিল্পের বিকাশের দিকে পরিচালিত করেছে। তারা সমসাময়িক তথ্য প্রযুক্তি এবং অপটোইলেক্ট্রনিক প্রদর্শন শিল্পে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়।

(3) তৃতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর
তৃতীয় প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টরগুলির প্রতিনিধিত্বকারী উপকরণগুলির মধ্যে রয়েছে গ্যালিয়াম নাইট্রাইড (GaN) এবং সিলিকন কার্বাইড (SiC)। তাদের প্রশস্ত ব্যান্ডগ্যাপ, উচ্চ ইলেক্ট্রন স্যাচুরেশন ড্রিফ্ট বেগ, উচ্চ তাপ পরিবাহিতা এবং বড় ভাঙ্গন বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের কারণে, এই উপকরণগুলি উচ্চ শক্তি ঘনত্ব, উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সি এবং কম-ক্ষতি ইলেকট্রনিক ডিভাইসগুলির জন্য আদর্শ। SiC পাওয়ার ডিভাইসগুলির উচ্চ শক্তির ঘনত্ব, কম শক্তি খরচ এবং ছোট আকার রয়েছে, যা এগুলিকে বৈদ্যুতিক যানবাহন, ফটোভোলটাইক, রেল পরিবহন এবং বড় ডেটা সেক্টরে অ্যাপ্লিকেশনের জন্য উপযুক্ত করে তোলে। GaN RF ডিভাইসগুলিতে উচ্চ ফ্রিকোয়েন্সি, উচ্চ শক্তি, প্রশস্ত ব্যান্ডউইথ, কম শক্তি খরচ এবং ছোট আকারের বৈশিষ্ট্য রয়েছে, যা 5G যোগাযোগ, ইন্টারনেট অফ থিংস (IoT) এবং সামরিক রাডার অ্যাপ্লিকেশনগুলির জন্য সুবিধাজনক। উপরন্তু, GaN-ভিত্তিক পাওয়ার ডিভাইসগুলি এখন কম-ভোল্টেজ অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়। উদীয়মান গ্যালিয়াম অক্সাইড (Ga2O3) উপকরণগুলি বিদ্যমান SiC এবং GaN প্রযুক্তির পরিপূরক হওয়ার সম্ভাবনা দেখায়, বিশেষত কম-ফ্রিকোয়েন্সি, উচ্চ-ভোল্টেজ অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে।

দ্বিতীয়-প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর উপকরণের তুলনায়, তৃতীয়-প্রজন্মের উপকরণগুলি বিস্তৃত ব্যান্ডগ্যাপ ধারণ করে (সাধারণ Si-এর ব্যান্ডগ্যাপ প্রায় 1.1 eV, GaA-এর প্রায় 1.42 eV, যখন GaN 2.3 eV-এর বেশি), শক্তিশালী বিকিরণ প্রতিরোধ ক্ষমতা, উচ্চতর বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের ব্রেকডাউন এবং ভাল কর্মক্ষমতা উচ্চ-তাপমাত্রা সহনশীলতা। এই বৈশিষ্ট্যগুলি তৃতীয়-প্রজন্মের সেমিকন্ডাক্টর উপাদানগুলিকে বিকিরণ-প্রতিরোধী, উচ্চ-ফ্রিকোয়েন্সি, উচ্চ-শক্তি এবং উচ্চ-একীকরণ ঘনত্বের ইলেকট্রনিক ডিভাইসগুলির জন্য বিশেষভাবে উপযুক্ত করে তোলে। তারা মাইক্রোওয়েভ আরএফ ডিভাইস, এলইডি, লেজার এবং পাওয়ার ডিভাইসে উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি করছে এবং মোবাইল যোগাযোগ, স্মার্ট গ্রিড, রেল পরিবহন, বৈদ্যুতিক যান, ভোক্তা ইলেকট্রনিক্স, এবং অতিবেগুনি এবং নীল-সবুজ আলো ডিভাইসে প্রতিশ্রুতিশীল সম্ভাবনা দেখায়[1]।

চিত্র 1: বাজারের আকার এবং GaN পাওয়ার ডিভাইসের পূর্বাভাস

2. GaN এর গঠন ও বৈশিষ্ট্য

গ্যালিয়াম নাইট্রাইড (GaN) হল একটি ডাইরেক্ট ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর যার ব্যান্ডগ্যাপ প্রায় 3.26 eV এর উর্টজাইট গঠনে ঘরের তাপমাত্রায়। GaN প্রাথমিকভাবে তিনটি স্ফটিক কাঠামোর মধ্যে বিদ্যমান: wurtzite, zincblende এবং রক-লবণ। এর মধ্যে Wurtzite গঠন সবচেয়ে স্থিতিশীল।চিত্র 2 GaN-এর ষড়ভুজ ওর্টজাইট গঠন প্রদর্শন করে. Wurtzite কাঠামোতে, GaN হেক্সাগোনাল ক্লোজ-প্যাকড কনফিগারেশনের অন্তর্গত। প্রতিটি একক কোষে 6টি নাইট্রোজেন (N) পরমাণু এবং 6টি গ্যালিয়াম (Ga) পরমাণু সহ 12টি পরমাণু থাকে। প্রতিটি Ga (N) পরমাণু 4টি নিকটতম N (Ga) পরমাণুর সাথে আবদ্ধ থাকে, যা একটি ABABAB… প্যাটার্নে [0001] দিক বরাবর একটি স্ট্যাকিং ক্রম গঠন করে।

চিত্র 2: GaN ইউনিট কোষের Wurtzite গঠন

3. GaN Epitaxy-এর জন্য সাধারণ সাবস্ট্রেট

প্রথম নজরে, GaN সাবস্ট্রেটে হোমোপিটাক্সিকে GaN এপিটাক্সির জন্য সর্বোত্তম পছন্দ বলে মনে হচ্ছে। যাইহোক, GaN এর উচ্চ বন্ড শক্তির কারণে, এর গলনাঙ্কে (2500°C), সংশ্লিষ্ট পচনচাপ প্রায় 4.5 GPa। এই চাপের নিচে, GaN গলে না কিন্তু সরাসরি পচে যায়। এটি ঐতিহ্যবাহী সাবস্ট্রেট তৈরির কৌশল, যেমন Czochralski পদ্ধতি, GaN একক ক্রিস্টাল সাবস্ট্রেট তৈরির জন্য অনুপযুক্ত করে তোলে। ফলস্বরূপ, GaN সাবস্ট্রেটগুলি ভর-উৎপাদন করা কঠিন এবং ব্যয়বহুল। অতএব, GaN এপিটাক্সির জন্য সাধারণত ব্যবহৃত সাবস্ট্রেটগুলির মধ্যে রয়েছে Si, SiC এবং নীলকান্তমণি[3]।

চিত্র 3: GaN এবং সাধারণ সাবস্ট্রেট উপাদানের পরামিতি

(1) স্যাফায়ারের উপর GaN Epitaxy

নীলকান্তমণি রাসায়নিকভাবে স্থিতিশীল, সস্তা, এবং ভর উৎপাদনে এর পরিপক্কতার উচ্চ ডিগ্রী রয়েছে, যা এটিকে সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইস ইঞ্জিনিয়ারিং-এর প্রাচীনতম এবং সর্বাধিক ব্যবহৃত সাবস্ট্রেট উপকরণগুলির মধ্যে একটি করে তুলেছে। GaN এপিটাক্সির একটি সাধারণ স্তর হিসাবে, নীলকান্তমণি সাবস্ট্রেটগুলিকে নিম্নলিখিত মূল সমস্যাগুলির সমাধান করতে হবে:

✔ উচ্চ জালির অমিল: নীলকান্তমণি (Al2O3) এবং GaN এর মধ্যে জালির অমিল উল্লেখযোগ্য (প্রায় 15%), যা এপিটাক্সিয়াল স্তর এবং সাবস্ট্রেটের মধ্যে ইন্টারফেসে উচ্চ ত্রুটির ঘনত্বের দিকে পরিচালিত করে। এই প্রতিকূল প্রভাব প্রশমিত করার জন্য, এপিটাক্সিয়াল প্রক্রিয়া শুরু হওয়ার আগে স্তরটিকে জটিল প্রাক-প্রক্রিয়াকরণের মধ্য দিয়ে যেতে হবে। এর মধ্যে রয়েছে দূষিত পদার্থ অপসারণের জন্য পুঙ্খানুপুঙ্খভাবে পরিষ্কার করা এবং অবশিষ্ট পলিশিং ক্ষতি, ধাপ এবং ধাপে পৃষ্ঠের কাঠামো তৈরি করা, এপিটাক্সিয়াল স্তরের ভেজা বৈশিষ্ট্যগুলিকে পরিবর্তন করার জন্য পৃষ্ঠের নাইট্রিডেশন এবং অবশেষে একটি পাতলা AlN বাফার স্তর (সাধারণত 10-100 nm পুরু) জমা করা অন্তর্ভুক্ত। - চূড়ান্ত এপিটাক্সিয়াল বৃদ্ধির জন্য প্রস্তুত করার জন্য তাপমাত্রা অ্যানিলিং। এই ব্যবস্থা থাকা সত্ত্বেও, সিলিকন বা GaAs (0 থেকে 102-104 cm^-2 এর স্থানচ্যুতি ঘনত্ব) এর তুলনায় নীলকান্তমণি স্তরে উত্থিত GaN এপিটাক্সিয়াল ফিল্মের স্থানচ্যুতি ঘনত্ব উচ্চ (~10^10 cm^-2) থাকে। উচ্চ ত্রুটির ঘনত্ব ক্যারিয়ারের গতিশীলতা হ্রাস করে, সংখ্যালঘু বাহকের জীবনকাল সংক্ষিপ্ত করে এবং তাপ পরিবাহিতা হ্রাস করে, যার সবগুলিই ডিভাইসের কার্যকারিতাকে ক্ষতিগ্রস্ত করে[4]।

✔ তাপীয় সম্প্রসারণ গুণাঙ্কের অমিল: নীলকান্তরে GaN-এর তুলনায় একটি বৃহত্তর তাপীয় প্রসারণ গুণাঙ্ক রয়েছে, যার ফলে এপিটাক্সিয়াল স্তরের মধ্যে দ্বি-অক্ষীয় সংকোচনমূলক চাপ সৃষ্টি হয় কারণ এটি জমা তাপমাত্রা থেকে ঘরের তাপমাত্রায় ঠান্ডা হয়। ঘন এপিটাক্সিয়াল ফিল্মের জন্য, এই চাপ ফিল্ম বা এমনকি স্তর ক্র্যাকিং হতে পারে।

✔ দুর্বল তাপ পরিবাহিতা: অন্যান্য সাবস্ট্রেটের তুলনায়, নীলকান্তমণির তাপ পরিবাহিতা কম (100°C তাপমাত্রায় ~0.25 Wcm^-1K^-1), যা তাপ অপচয়ের জন্য ক্ষতিকর।

✔ নিম্ন বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা: নীলকান্তমণির দুর্বল বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা অন্যান্য সেমিকন্ডাক্টর ডিভাইসের সাথে এর একীকরণ এবং প্রয়োগকে বাধা দেয়।

নীলকান্তমণির উপর জন্মানো GaN এপিটাক্সিয়াল স্তরগুলিতে উচ্চ ত্রুটির ঘনত্ব থাকা সত্ত্বেও, GaN-ভিত্তিক নীল-সবুজ LED তে এর অপটিক্যাল এবং ইলেকট্রনিক কার্যকারিতা উল্লেখযোগ্যভাবে হ্রাস পায় না। অতএব, নীলকান্তমণি সাবস্ট্রেটগুলি GaN-ভিত্তিক এলইডিগুলির জন্য সাধারণ থাকে৷ যাইহোক, যত বেশি GaN ডিভাইস যেমন লেজার এবং অন্যান্য উচ্চ-ঘনত্বের শক্তি ডিভাইসের বিকাশ ঘটছে, নীলকান্তমণির অন্তর্নিহিত সীমাবদ্ধতাগুলি ক্রমশ স্পষ্ট হয়ে উঠছে।

(2) GaN Epitaxy on SiC

নীলকান্তমণির তুলনায়, SiC সাবস্ট্রেটের (4H- এবং 6H-পলিটাইপ) GaN এপিটাক্সিয়াল স্তরগুলির সাথে একটি ছোট জালির অমিল রয়েছে (3.1% [0001] দিক বরাবর), উচ্চ তাপ পরিবাহিতা (প্রায় 3.8 Wcm^-1K^-1), এবং বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা যা পিছনের দিকে বৈদ্যুতিক যোগাযোগের জন্য অনুমতি দেয়, ডিভাইসের কাঠামোকে সরল করে। এই সুবিধাগুলি SiC সাবস্ট্রেটগুলিতে GaN এপিটাক্সি অন্বেষণ করার জন্য ক্রমবর্ধমান সংখ্যক গবেষকদের আকর্ষণ করে। যাইহোক, SiC সাবস্ট্রেটগুলিতে GaN এপিটাক্সিয়াল স্তরগুলির সরাসরি বৃদ্ধিও বেশ কয়েকটি চ্যালেঞ্জের মুখোমুখি হয়:

✔ পৃষ্ঠের রুক্ষতা: SiC সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠের রুক্ষতা নীলকান্তমণির তুলনায় অনেক বেশি থাকে (স্যাফায়ারের জন্য 0.1 nm RMS, SiC-এর জন্য 1 nm RMS)। SiC-এর উচ্চ কঠোরতা এবং দুর্বল যন্ত্রাদি এই রুক্ষতা এবং অবশিষ্ট পলিশিং ক্ষতিতে অবদান রাখে, যা GaN এপিটাক্সিয়াল স্তরগুলির ত্রুটির উত্স।

✔ উচ্চ থ্রেডিং ডিসলোকেশন ডেনসিটি: SiC সাবস্ট্রেটের উচ্চ থ্রেডিং ডিসলোকেশন ডেনসিটি (103-104 cm^-2), যা GaN এপিটাক্সিয়াল লেয়ারের মধ্যে প্রচার করতে পারে এবং ডিভাইসের কার্যক্ষমতা হ্রাস করতে পারে।

✔ স্ট্যাকিং ফল্ট: সাবস্ট্রেট পৃষ্ঠের পারমাণবিক বিন্যাস GaN এপিটাক্সিয়াল স্তরগুলিতে স্ট্যাকিং ফল্ট (BSFs) প্ররোচিত করতে পারে। SiC সাবস্ট্রেটের একাধিক সম্ভাব্য পারমাণবিক বিন্যাস GaN স্তরে নন-ইনিফর্ম প্রারম্ভিক পারমাণবিক স্ট্যাকিং সিকোয়েন্সের দিকে পরিচালিত করে, স্ট্যাকিং ফল্টের সম্ভাবনা বাড়িয়ে দেয়। সি-অক্ষ বরাবর বিএসএফগুলি অন্তর্নির্মিত বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রগুলি প্রবর্তন করে, যার ফলে বাহক পৃথকীকরণ এবং ডিভাইসগুলিতে ফুটো সমস্যা হয়।

✔ তাপীয় সম্প্রসারণ সহগ অমিল: SiC-এর তাপীয় প্রসারণ গুণাঙ্ক AlN এবং GaN-এর তুলনায় ছোট, যা শীতল হওয়ার সময় এপিটাক্সিয়াল স্তর এবং স্তরের মধ্যে তাপীয় চাপ জমার দিকে পরিচালিত করে। Waltereit এবং ব্র্যান্ডের গবেষণা পরামর্শ দেয় যে এই সমস্যাটি একটি পাতলা, সুসঙ্গতভাবে স্ট্রেনযুক্ত AlN নিউক্লিয়েশন স্তরে GaN এপিটাক্সিয়াল স্তর বৃদ্ধি করে প্রশমিত করা যেতে পারে।

✔ গা পরমাণুর দুর্বল ভেজা: Ga পরমাণুর দুর্বল আর্দ্রতার কারণে SiC পৃষ্ঠে GaN এর সরাসরি বৃদ্ধি কঠিন। GaN একটি 3D দ্বীপ মোডে বাড়তে থাকে, বাফার স্তরগুলি প্রবর্তন করা এপিটাক্সিয়াল উপকরণের গুণমান উন্নত করার একটি সাধারণ সমাধান। AlN বা AlxGa1-xN বাফার স্তরগুলি প্রবর্তন করা SiC পৃষ্ঠের ভিজানো উন্নত করতে পারে, GaN এপিটাক্সিয়াল স্তরের 2D বৃদ্ধিকে উন্নীত করতে পারে এবং স্ট্রেসকে সংশোধন করতে এবং সাবস্ট্রেটের ত্রুটিগুলিকে GaN স্তরে প্রচার করা থেকে ব্লক করতে কাজ করে।

✔ উচ্চ মূল্য এবং সীমিত সরবরাহ: SiC সাবস্ট্রেট তৈরির প্রযুক্তি অপরিপক্ক, যার ফলে উচ্চ স্তরের খরচ হয় এবং কিছু বিক্রেতাদের কাছ থেকে সরবরাহ সীমিত হয়।

টরেস এট আল দ্বারা গবেষণা. ইঙ্গিত দেয় যে উচ্চ তাপমাত্রায় (1600°C) H2 সহ প্রাক-এচিং SiC সাবস্ট্রেটগুলি আরও সুশৃঙ্খল ধাপের কাঠামো তৈরি করে, যার ফলে উচ্চ মানের AlN এপিটাক্সিয়াল ফিল্মগুলি সরাসরি অপরিশোধিত সাবস্ট্রেটগুলিতে উত্থিত হয়। Xie এবং তার দল আরও দেখিয়েছে যে SiC সাবস্ট্রেটের এচিং প্রিট্রিটমেন্ট GN এপিটাক্সিয়াল স্তরগুলির পৃষ্ঠের আকারবিদ্যা এবং স্ফটিক গুণমানকে উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত করে। স্মিথ এট আল। পাওয়া গেছে যে সাবস্ট্রেট/বাফার লেয়ার এবং বাফার লেয়ার/এপিটাক্সিয়াল লেয়ার ইন্টারফেস থেকে থ্রেডিং ডিসলোকেশনগুলি সাবস্ট্রেট সমতলতার সাথে সম্পর্কিত[5]।

চিত্র 4: বিভিন্ন সারফেস ট্রিটমেন্টের অধীনে 6H-SiC সাবস্ট্রেটের মুখে (0001) উত্থিত GaN এপিটাক্সিয়াল স্তরগুলির TEM রূপবিদ্যা: (a) রাসায়নিক পরিষ্কার করা; (b) রাসায়নিক পরিষ্কার + হাইড্রোজেন প্লাজমা চিকিত্সা; © কেমিক্যাল ক্লিনিং + হাইড্রোজেন প্লাজমা ট্রিটমেন্ট + 1300°C হাইড্রোজেন থার্মাল ট্রিটমেন্ট 30 মিনিটের জন্য

(3) GaN Epitaxy on Si

SiC এবং নীলকান্তমণি সাবস্ট্রেটের তুলনায়, সিলিকন সাবস্ট্রেটগুলি পরিপক্ক প্রস্তুতি প্রক্রিয়া, স্থিতিশীল বড় আকারের সাবস্ট্রেট সরবরাহ, খরচ-কার্যকারিতা এবং চমৎকার তাপ ও ​​বৈদ্যুতিক পরিবাহিতা নিয়ে গর্ব করে। অতিরিক্তভাবে, পরিপক্ক সিলিকন ইলেকট্রনিক ডিভাইস প্রযুক্তি সিলিকন ইলেকট্রনিক ডিভাইসের সাথে অপ্টোইলেক্ট্রনিক GaN ডিভাইসের নিখুঁত একীকরণের সম্ভাবনা অফার করে, যা সিলিকনে GaN এপিটাক্সিকে অত্যন্ত আকর্ষণীয় করে তোলে। যাইহোক, Si সাবস্ট্রেট এবং GaN উপকরণগুলির মধ্যে উল্লেখযোগ্য জালির ধ্রুবক অমিল বেশ কয়েকটি চ্যালেঞ্জ উপস্থাপন করে।

✔ ইন্টারফেস এনার্জি ইস্যু: যখন GaN Si সাবস্ট্রেটে জন্মায়, তখন Si পৃষ্ঠটি প্রথমে একটি নিরাকার SiNx স্তর তৈরি করে, যা উচ্চ-ঘনত্বের GaN নিউক্লিয়েশনের জন্য ক্ষতিকর। অতিরিক্তভাবে, Si পৃষ্ঠতলগুলি প্রাথমিকভাবে Ga-এর সাথে প্রতিক্রিয়া করে, যার ফলে পৃষ্ঠের ক্ষয় হয় এবং উচ্চ তাপমাত্রায়, Si পৃষ্ঠের পচন GaN এপিটাক্সিয়াল স্তরে ছড়িয়ে পড়তে পারে, কালো সিলিকন দাগ তৈরি করে।

✔ জালির অমিল: GaN এবং Si-এর মধ্যে বড় জালির ধ্রুবক অমিল (~17%) উচ্চ-ঘনত্বের থ্রেডিং স্থানচ্যুতি ঘটায়, যা উল্লেখযোগ্যভাবে এপিটাক্সিয়াল স্তরের গুণমানকে হ্রাস করে।

✔ তাপ সম্প্রসারণ সহগ অমিল: GaN-এর Si (GaN ~5.6×10^-6 K^-1, Si ~2.6×10^-6 K^-1) এর চেয়ে বড় তাপীয় প্রসারণ সহগ রয়েছে, যা GaN-এ ফাটল সৃষ্টি করতে পারে এপিটাক্সিয়াল বৃদ্ধির তাপমাত্রা থেকে ঘরের তাপমাত্রায় শীতল হওয়ার সময় এপিটাক্সিয়াল স্তর।

✔ উচ্চ-তাপমাত্রার প্রতিক্রিয়া: Si উচ্চ তাপমাত্রায় NH3 এর সাথে বিক্রিয়া করে, পলিক্রিস্টালাইন SiNx গঠন করে। পলিক্রিস্টালাইন SiNx-এ AlN অগ্রাধিকারমূলকভাবে নিউক্লিয়েট করতে পারে না, যা অত্যন্ত উচ্চ ত্রুটির ঘনত্বের সাথে অত্যন্ত বিক্ষিপ্ত GaN বৃদ্ধির দিকে পরিচালিত করে, এটি একক-ক্রিস্টাল GaN এপিটাক্সিয়াল স্তর গঠন করাকে চ্যালেঞ্জ করে তোলে[6]।

বৃহৎ জালির অমিলকে মোকাবেলা করার জন্য, গবেষকরা Si সাবস্ট্রেটে বাফার স্তর হিসাবে AlAs, GaAs, AlN, GaN, ZnO এবং SiC এর মতো উপকরণগুলি প্রবর্তন করার চেষ্টা করেছেন। পলিক্রিস্টালাইন SiNx গঠন রোধ করতে এবং GaN/AlN/Si (111) এর স্ফটিক মানের উপর এর প্রতিকূল প্রভাব কমাতে, TML সাধারণত AlN বাফার স্তরের এপিটাক্সিয়াল বৃদ্ধির আগে প্রবর্তন করা হয় যাতে NH3 কে উন্মুক্ত Si পৃষ্ঠের সাথে বিক্রিয়া করা থেকে বিরত রাখা হয়। উপরন্তু, প্যাটার্নযুক্ত সাবস্ট্রেটের মতো কৌশলগুলি এপিটাক্সিয়াল স্তরের গুণমান উন্নত করতে ব্যবহার করা হয়। এই উন্নয়নগুলি এপিটাক্সিয়াল ইন্টারফেসে SiNx গঠনকে দমন করতে, GaN এপিটাক্সিয়াল স্তরের 2D বৃদ্ধিকে উন্নীত করতে এবং বৃদ্ধির গুণমান উন্নত করতে সহায়তা করে। AlN বাফার স্তরগুলি প্রবর্তন তাপ সম্প্রসারণ সহগগুলির পার্থক্যের কারণে সৃষ্ট প্রসার্য চাপের জন্য ক্ষতিপূরণ দেয়, সিলিকন স্তরগুলিতে GaN স্তরে ফাটল রোধ করে। ক্রোস্টের গবেষণা AlN বাফার স্তরের পুরুত্ব এবং হ্রাসকৃত স্ট্রেনের মধ্যে একটি ইতিবাচক সম্পর্ক নির্দেশ করে, যা উপযুক্ত বৃদ্ধির স্কিমগুলির মাধ্যমে ক্র্যাক না করে সিলিকন সাবস্ট্রেটগুলিতে 6 μm পুরু এপিটাক্সিয়াল স্তরগুলির বৃদ্ধির অনুমতি দেয়।

ব্যাপক গবেষণা প্রচেষ্টার জন্য ধন্যবাদ, সিলিকন সাবস্ট্রেটে উত্থিত GaN এপিটাক্সিয়াল স্তরগুলির গুণমান উল্লেখযোগ্যভাবে উন্নত হয়েছে। ফিল্ড-ইফেক্ট ট্রানজিস্টর, স্কোটকি ব্যারিয়ার আল্ট্রাভায়োলেট ডিটেক্টর, নীল-সবুজ এলইডি এবং অতিবেগুনী লেজারগুলি উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি করেছে।

উপসংহারে, সাধারণ GaN এপিটাক্সিয়াল সাবস্ট্রেটগুলি সমস্ত হেটেরোপিট্যাক্সিয়াল, বিভিন্ন মাত্রার জালির অমিল এবং তাপ সম্প্রসারণ সহগ পার্থক্যের সম্মুখীন হয়। Homoepitaxial GaN সাবস্ট্রেটগুলি অপরিপক্ক প্রযুক্তি, উচ্চ উৎপাদন খরচ, ছোট সাবস্ট্রেটের আকার এবং সাবঅপ্টিমাল মানের দ্বারা সীমিত, যা নতুন GaN এপিটাক্সিয়াল সাবস্ট্রেটের বিকাশ এবং শিল্পের আরও অগ্রগতির জন্য এপিটাক্সিয়াল গুণমানের উন্নতির জন্য গুরুত্বপূর্ণ কারণগুলি তৈরি করে।

4. GaN এপিটাক্সির জন্য সাধারণ পদ্ধতি

(1) MOCVD (ধাতু-জৈব রাসায়নিক বাষ্প জমা)

যদিও GaN সাবস্ট্রেটে হোমোপিটাক্সিকে GaN এপিটাক্সির জন্য সর্বোত্তম পছন্দ বলে মনে হচ্ছে, মেটাল-অর্গানিক কেমিক্যাল বাষ্প জমা (MOCVD) উল্লেখযোগ্য সুবিধা প্রদান করে। ট্রাইমিথাইলগ্যালিয়াম এবং অ্যামোনিয়াকে অগ্রদূত হিসাবে এবং হাইড্রোজেনকে বাহক গ্যাস হিসাবে ব্যবহার করে, MOCVD সাধারণত 1000-1100 ডিগ্রি সেলসিয়াস বৃদ্ধির তাপমাত্রায় কাজ করে। MOCVD-এর বৃদ্ধির হার ঘণ্টায় কয়েক মাইক্রোমিটারের মধ্যে। এই পদ্ধতিটি পারমাণবিকভাবে তীক্ষ্ণ ইন্টারফেস তৈরি করতে পারে, এটি ক্রমবর্ধমান হেটারোজাংশন, কোয়ান্টাম ওয়েল এবং সুপারল্যাটিসের জন্য আদর্শ করে তোলে। এটির তুলনামূলকভাবে উচ্চ বৃদ্ধির গতি, চমৎকার অভিন্নতা এবং বৃহৎ এলাকা এবং মাল্টি-ওয়েফার বৃদ্ধির জন্য উপযুক্ততা এটিকে শিল্প উৎপাদনের জন্য একটি আদর্শ পদ্ধতিতে পরিণত করে।

(2) MBE (মলিকুলার বিম এপিটাক্সি)

মলিকুলার বিম এপিটাক্সি (এমবিই) তে, মৌলিক উত্সগুলি গ্যালিয়ামের জন্য ব্যবহৃত হয় এবং নাইট্রোজেন গ্যাস থেকে আরএফ প্লাজমার মাধ্যমে সক্রিয় নাইট্রোজেন তৈরি হয়। MOCVD-এর তুলনায়, MBE উল্লেখযোগ্যভাবে কম বৃদ্ধির তাপমাত্রায় কাজ করে, প্রায় 350-400°C। এই নিম্ন তাপমাত্রা উচ্চ-তাপমাত্রার পরিবেশে উদ্ভূত কিছু দূষণ সমস্যা এড়াতে পারে। MBE সিস্টেমগুলি আল্ট্রা-হাই ভ্যাকুয়াম অবস্থার অধীনে কাজ করে, যা আরও ইন-সিটু পর্যবেক্ষণ কৌশলগুলির একীকরণের অনুমতি দেয়। যাইহোক, MBE এর বৃদ্ধির হার এবং উৎপাদন ক্ষমতা MOCVD এর সাথে মেলে না, এটি গবেষণা অ্যাপ্লিকেশনের জন্য আরও উপযুক্ত করে তোলে[7]।

চিত্র 5: (a) Eiko-MBE এর পরিকল্পিত (b) MBE প্রধান প্রতিক্রিয়া চেম্বারের পরিকল্পিত

(3) HVPE (হাইড্রাইড ভ্যাপার ফেজ এপিটাক্সি)

হাইড্রাইড ভ্যাপার ফেজ এপিটাক্সি (HVPE) GaCl3 এবং NH3 কে পূর্বসূরি হিসেবে ব্যবহার করে। Detchprohm et al. নীলকান্তমণির উপর কয়েকশ মাইক্রোমিটার পুরু GaN এপিটাক্সিয়াল স্তর বাড়াতে এই পদ্ধতিটি ব্যবহার করা হয়েছে। তাদের পরীক্ষা-নিরীক্ষায়, নীলকান্তমণি এবং এপিটাক্সিয়াল স্তরের মধ্যে একটি ZnO বাফার স্তর উত্থিত হয়েছিল, যার ফলে এপিটাক্সিয়াল স্তরটিকে সাবস্ট্রেট পৃষ্ঠ থেকে খোসা ছাড়িয়ে যেতে পারে। MOCVD এবং MBE-এর তুলনায়, HVPE-এর প্রাথমিক সুবিধা হল এর উচ্চ বৃদ্ধির হার, এটিকে পুরু স্তর এবং বাল্ক উপকরণ তৈরির জন্য উপযুক্ত করে তোলে। যাইহোক, যখন এপিটাক্সিয়াল স্তরের পুরুত্ব 20μm অতিক্রম করে, তখন HVPE দ্বারা উত্থিত স্তরগুলি ক্র্যাকিং প্রবণ হয়।

আকিরা ইউএসইউআই এইচভিপিই পদ্ধতির উপর ভিত্তি করে প্যাটার্নযুক্ত সাবস্ট্রেট প্রযুক্তি চালু করেছে। প্রাথমিকভাবে, একটি পাতলা GaN এপিটাক্সিয়াল স্তর, 1-1.5μm পুরু, একটি নীলকান্তমণি স্তরে MOCVD ব্যবহার করে জন্মানো হয়েছিল। এই স্তরটি একটি 20nm পুরু নিম্ন-তাপমাত্রার GaN বাফার স্তর এবং একটি উচ্চ-তাপমাত্রার GaN স্তর নিয়ে গঠিত। পরবর্তীকালে, 430 ডিগ্রি সেলসিয়াসে, এপিটাক্সিয়াল স্তরের পৃষ্ঠে SiO2 এর একটি স্তর জমা হয়েছিল এবং ফটোলিথোগ্রাফির মাধ্যমে SiO2 ফিল্মে উইন্ডো স্ট্রাইপ তৈরি করা হয়েছিল। স্ট্রাইপ ব্যবধান ছিল 7μm, মুখোশের প্রস্থ 1μm থেকে 4μm পর্যন্ত। এই পরিবর্তনটি তাদের 2-ইঞ্চি ব্যাসের নীলকান্তমণি স্তরগুলিতে GaN এপিটাক্সিয়াল স্তরগুলি তৈরি করতে সক্ষম করে, যা ক্র্যাক-মুক্ত এবং আয়না-মসৃণ থাকে এমনকি যখন পুরুত্ব দশ বা এমনকি শত শত মাইক্রোমিটার পর্যন্ত বৃদ্ধি পায়। ত্রুটির ঘনত্ব ঐতিহ্যগত HVPE পদ্ধতির 109-1010 cm^-2 থেকে কমিয়ে প্রায় 6×10^7 cm^-2 করা হয়েছে। তারা আরও উল্লেখ করেছে যে বৃদ্ধির হার 75μm/ঘ[8] ছাড়িয়ে গেলে নমুনা পৃষ্ঠ রুক্ষ হয়ে যায়। 

                                                                                                                   

                                                                                                                                     চিত্র 6: প্যাটার্নযুক্ত সাবস্ট্রেটের পরিকল্পিত

5. সারাংশ এবং আউটলুক

বিপুল বাজার চাহিদা নিঃসন্দেহে GaN-সম্পর্কিত শিল্প ও প্রযুক্তিতে উল্লেখযোগ্য অগ্রগতি চালাবে। GaN-এর জন্য শিল্প শৃঙ্খল পরিপক্ক এবং উন্নত হওয়ার সাথে সাথে, GaN এপিটাক্সিতে বর্তমান চ্যালেঞ্জগুলি শেষ পর্যন্ত প্রশমিত হবে বা কাটিয়ে উঠবে। ভবিষ্যতের উন্নয়নগুলি সম্ভবত নতুন এপিটাক্সিয়াল কৌশল এবং উচ্চতর স্তরের বিকল্পগুলি প্রবর্তন করবে। এই অগ্রগতি বিভিন্ন অ্যাপ্লিকেশন পরিস্থিতির বৈশিষ্ট্যের উপর ভিত্তি করে সবচেয়ে উপযুক্ত এপিটাক্সিয়াল প্রযুক্তি এবং সাবস্ট্রেট নির্বাচন করতে সক্ষম করবে, যা অত্যন্ত প্রতিযোগিতামূলক, কাস্টমাইজড পণ্য উৎপাদনের দিকে পরিচালিত করবে।**

তথ্যসূত্র:

[১] "মনোযোগ" সেমিকন্ডাক্টর ম্যাটেরিয়াল-গ্যালিয়াম নাইট্রাইড (baidu.com)

[২] তাং লিনজিয়াং, ওয়ান চেংগান, ঝাং মিংহুয়া, লি ইং, প্রশস্ত ব্যান্ডগ্যাপ সেমিকন্ডাক্টর উপকরণ SiC এবং GaN, সামরিক এবং বেসামরিক দ্বৈত-ব্যবহার প্রযুক্তি এবং পণ্যের গবেষণার অবস্থা, মার্চ 2020, ইস্যু 437, 21-28।

[৩] ওয়াং হুয়ান, তিয়ান ইয়ে, সিলিকন সাবস্ট্রেটের উপর গ্যালিয়াম নাইট্রাইডের বড় অমিল স্ট্রেস নিয়ন্ত্রণ পদ্ধতি নিয়ে গবেষণা, বিজ্ঞান ও প্রযুক্তি উদ্ভাবন এবং প্রয়োগ, ইস্যু 3, 2023

[৪]এল.লিউ, জে.এইচ.এডগার, গ্যালিয়াম নাইট্রাইড এপিটাক্সির জন্য সাবস্ট্রেটস, ম্যাটেরিয়ালস সায়েন্স অ্যান্ড ইঞ্জিনিয়ারিং আর, 37(2002) 61-127।

[৫] P.Ruterana, Philippe Vermaut, G.Nouet, A.Salvador, H.Morkoc, MBE, MRS ইন্টারনেট জে দ্বারা 6H-SiC-এর (0001)Si পৃষ্ঠে 2H-GaN বৃদ্ধিতে সারফেস ট্রিটমেন্ট এবং লেয়ার স্ট্রাকচার। নাইট্রাইড সেমিকন্ড। Res.2(1997)42।

[৬]এমএ সানচেজ-গার্সিয়া, এফ.বি. Naranjo, J.L.Pau, A.Jimenez, E.Calleja, E.Munoz, GaN/AlGaN সিঙ্গেল-হেটারোজাংশন লাইট-এমিটিং ডায়োডে উত্থিত আল্ট্রাভায়োলেট ইলেক্ট্রোলুমিনেসেন্স, Si(111), জার্নাল অফ অ্যাপ্লাইড ফিজিক্স 87,1569(2000)৷

[৭] জিনকিয়াং ওয়াং, আকিহিকো ইয়োশিকাওয়া, GaN, AlN এবং InN-এর আণবিক রশ্মির এপিটাক্সি বৃদ্ধি, ক্রিস্টাল বৃদ্ধিতে অগ্রগতি এবং উপাদানের বৈশিষ্ট্য 48/49 (2004) 42-103।

[৮]আকিরা উসুই，হারুও সুনাকাওয়া，আকিরা সাকাই এবং এ. আতসুশি ইয়ামাগুচি, হাইড্রাইড বাষ্প ফেজ এপিটাক্সি, জেপিএন দ্বারা কম স্থানচ্যুতি ঘনত্বের সাথে ঘন GaN এপিটাক্সিয়াল বৃদ্ধি। জে অ্যাপল ফিজ। ভলিউম 36 (1997) pp.899-902।