GaN-आधारित निम्न-तापमान एपिटैक्सी तकनीक

1. GaN-आधारित सामग्रियों का महत्व

व्यापक बैंडगैप विशेषताओं, उच्च ब्रेकडाउन फ़ील्ड ताकत और उच्च तापीय चालकता जैसे उत्कृष्ट गुणों के कारण GaN-आधारित अर्धचालक सामग्रियों का व्यापक रूप से ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों, पावर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और रेडियो फ्रीक्वेंसी माइक्रोवेव उपकरणों की तैयारी में उपयोग किया जाता है। इन उपकरणों का व्यापक रूप से अर्धचालक प्रकाश व्यवस्था, ठोस-अवस्था पराबैंगनी प्रकाश स्रोत, सौर फोटोवोल्टिक्स, लेजर डिस्प्ले, लचीली डिस्प्ले स्क्रीन, मोबाइल संचार, बिजली आपूर्ति, नई ऊर्जा वाहन, स्मार्ट ग्रिड इत्यादि जैसे उद्योगों में उपयोग किया गया है, और प्रौद्योगिकी और बाजार अधिक परिपक्व हो रहे हैं.

पारंपरिक एपिटेक्सी प्रौद्योगिकी की सीमाएँ

GaN-आधारित सामग्रियों के लिए पारंपरिक एपिटैक्सियल विकास प्रौद्योगिकियांएमओसीवीडीऔरएमबीईआमतौर पर उच्च तापमान की स्थिति की आवश्यकता होती है, जो कांच और प्लास्टिक जैसे अनाकार सब्सट्रेट्स पर लागू नहीं होती है क्योंकि ये सामग्रियां उच्च विकास तापमान का सामना नहीं कर सकती हैं। उदाहरण के लिए, आमतौर पर इस्तेमाल किया जाने वाला फ्लोट ग्लास 600°C से अधिक की स्थिति में नरम हो जाएगा। कम तापमान की मांगएपिटैक्सी तकनीक: कम लागत और लचीले ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक (इलेक्ट्रॉनिक) उपकरणों की बढ़ती मांग के साथ, एपिटैक्सियल उपकरणों की मांग है जो कम तापमान पर प्रतिक्रिया अग्रदूतों को क्रैक करने के लिए बाहरी विद्युत क्षेत्र ऊर्जा का उपयोग करते हैं। इस तकनीक को कम तापमान पर किया जा सकता है, अनाकार सब्सट्रेट्स की विशेषताओं को अनुकूलित किया जा सकता है, और कम लागत और लचीले (ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक) उपकरणों को तैयार करने की संभावना प्रदान की जा सकती है।

2. GaN-आधारित सामग्रियों की क्रिस्टल संरचना

क्रिस्टल संरचना प्रकार

GaN-आधारित सामग्रियों में मुख्य रूप से GaN, InN, AlN और उनके टर्नरी और चतुर्धातुक ठोस समाधान शामिल हैं, जिसमें वर्टज़ाइट, स्पैलेराइट और सेंधा नमक की तीन क्रिस्टल संरचनाएं हैं, जिनमें से वर्टज़ाइट संरचना सबसे स्थिर है। स्पैलराइट संरचना एक मेटास्टेबल चरण है, जिसे उच्च तापमान पर वर्टजाइट संरचना में परिवर्तित किया जा सकता है, और कम तापमान पर स्टैकिंग दोष के रूप में वर्टजाइट संरचना में मौजूद हो सकता है। सेंधा नमक संरचना GaN का उच्च दबाव चरण है और केवल अत्यधिक उच्च दबाव की स्थिति में ही प्रकट हो सकती है।

क्रिस्टल तलों की विशेषता और क्रिस्टल गुणवत्ता

सामान्य क्रिस्टल विमानों में ध्रुवीय सी-प्लेन, अर्ध-ध्रुवीय एस-प्लेन, आर-प्लेन, एन-प्लेन और गैर-ध्रुवीय ए-प्लेन और एम-प्लेन शामिल हैं। आमतौर पर, नीलमणि और सी सबस्ट्रेट्स पर एपिटेक्सी द्वारा प्राप्त GaN-आधारित पतली फिल्में सी-प्लेन क्रिस्टल ओरिएंटेशन होती हैं।

3. एपिटैक्सी प्रौद्योगिकी आवश्यकताएँ और कार्यान्वयन समाधान

तकनीकी परिवर्तन की आवश्यकता

सूचनाकरण और बुद्धिमत्ता के विकास के साथ, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की मांग कम लागत वाली और लचीली होती जा रही है। इन जरूरतों को पूरा करने के लिए, GaN-आधारित सामग्रियों की मौजूदा एपिटैक्सियल तकनीक को बदलना आवश्यक है, विशेष रूप से एपिटैक्सियल तकनीक विकसित करना जिसे अनाकार सब्सट्रेट्स की विशेषताओं के अनुकूल कम तापमान पर किया जा सकता है।

निम्न-तापमान एपिटैक्सियल प्रौद्योगिकी का विकास

निम्न-तापमान एपिटैक्सियल तकनीक के सिद्धांतों पर आधारित हैभौतिक वाष्प जमाव (पीवीडी)औररासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी), जिसमें प्रतिक्रियाशील मैग्नेट्रोन स्पटरिंग, प्लाज्मा-असिस्टेड एमबीई (पीए-एमबीई), स्पंदित लेजर जमाव (पीएलडी), स्पंदित स्पटरिंग डिपोजिशन (पीएसडी), लेजर-असिस्टेड एमबीई (एलएमबीई), रिमोट प्लाज्मा सीवीडी (आरपीसीवीडी), माइग्रेशन एन्हांस्ड आफ्टरग्लो सीवीडी ( एमईए-सीवीडी), रिमोट प्लाज्मा एन्हांस्ड एमओसीवीडी (आरपीईएमओसीवीडी), एक्टिविटी एन्हांस्ड एमओसीवीडी (आरईएमओसीवीडी), इलेक्ट्रॉन साइक्लोट्रॉन अनुनाद प्लाज्मा एन्हांस्ड एमओसीवीडी (ईसीआर-पीईएमओसीवीडी) और इंडक्टिवली कपल्ड प्लाज्मा एमओसीवीडी (आईसीपी-एमओसीवीडी), आदि।

4. पीवीडी सिद्धांत पर आधारित कम तापमान वाली एपिटैक्सी तकनीक

प्रौद्योगिकी के प्रकार

जिसमें प्रतिक्रियाशील मैग्नेट्रोन स्पटरिंग, प्लाज्मा-असिस्टेड एमबीई (पीए-एमबीई), स्पंदित लेजर डिपोजिशन (पीएलडी), स्पंदित स्पटरिंग डिपोजिशन (पीएसडी) और लेजर-असिस्टेड एमबीई (एलएमबीई) शामिल हैं।

तकनीकी सुविधाओं

ये प्रौद्योगिकियां कम तापमान पर प्रतिक्रिया स्रोत को आयनित करने के लिए बाहरी क्षेत्र युग्मन का उपयोग करके ऊर्जा प्रदान करती हैं, जिससे इसके क्रैकिंग तापमान को कम किया जा सकता है और GaN-आधारित सामग्रियों की निम्न-तापमान एपिटैक्सियल वृद्धि प्राप्त की जा सकती है। उदाहरण के लिए, प्रतिक्रियाशील मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग तकनीक इलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा को बढ़ाने और लक्ष्य स्पटरिंग को बढ़ाने के लिए एन 2 और एआर के साथ टकराव की संभावना को बढ़ाने के लिए स्पटरिंग प्रक्रिया के दौरान एक चुंबकीय क्षेत्र का परिचय देती है। साथ ही, यह उच्च घनत्व वाले प्लाज्मा को लक्ष्य से ऊपर भी सीमित कर सकता है और सब्सट्रेट पर आयनों की बमबारी को कम कर सकता है।

चुनौतियां

हालाँकि इन प्रौद्योगिकियों के विकास ने कम लागत और लचीले ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को तैयार करना संभव बना दिया है, लेकिन उन्हें विकास की गुणवत्ता, उपकरण जटिलता और लागत के मामले में चुनौतियों का भी सामना करना पड़ता है। उदाहरण के लिए, पीवीडी तकनीक को आमतौर पर उच्च वैक्यूम डिग्री की आवश्यकता होती है, जो पूर्व-प्रतिक्रिया को प्रभावी ढंग से दबा सकती है और कुछ इन-सीटू निगरानी उपकरण पेश कर सकती है जिन्हें उच्च वैक्यूम (जैसे आरएचईईडी, लैंगमुइर जांच इत्यादि) के तहत काम करना चाहिए, लेकिन इससे कठिनाई बढ़ जाती है बड़े क्षेत्र में समान जमाव, और उच्च वैक्यूम के संचालन और रखरखाव की लागत अधिक है।

5. सीवीडी सिद्धांत पर आधारित कम तापमान वाली एपिटैक्सियल तकनीक

प्रौद्योगिकी के प्रकार

जिसमें रिमोट प्लाज्मा सीवीडी (आरपीसीवीडी), माइग्रेशन एन्हांस्ड आफ्टरग्लो सीवीडी (एमईए-सीवीडी), रिमोट प्लाज्मा एन्हांस्ड एमओसीवीडी (आरपीईएमओसीवीडी), एक्टिविटी एन्हांस्ड एमओसीवीडी (आरईएमओसीवीडी), इलेक्ट्रॉन साइक्लोट्रॉन रेजोनेंस प्लाज्मा एन्हांस्ड एमओसीवीडी (ईसीआर-पीईएमओसीवीडी) और इंडक्टिवली कपल्ड प्लाज्मा एमओसीवीडी ( आईसीपी-एमओसीवीडी)।

तकनीकी लाभ

ये प्रौद्योगिकियाँ विभिन्न प्लाज्मा स्रोतों और प्रतिक्रिया तंत्रों का उपयोग करके कम तापमान पर GaN और InN जैसे III-नाइट्राइड सेमीकंडक्टर सामग्रियों का विकास प्राप्त करती हैं, जो बड़े क्षेत्र में समान जमाव और लागत में कमी के लिए अनुकूल है। उदाहरण के लिए, रिमोट प्लाज्मा सीवीडी (आरपीसीवीडी) तकनीक प्लाज्मा जनरेटर के रूप में ईसीआर स्रोत का उपयोग करती है, जो एक कम दबाव वाला प्लाज्मा जनरेटर है जो उच्च घनत्व वाला प्लाज्मा उत्पन्न कर सकता है। साथ ही, प्लाज्मा ल्यूमिनसेंस स्पेक्ट्रोस्कोपी (ओईएस) तकनीक के माध्यम से, एन2+ से जुड़ा 391 एनएम स्पेक्ट्रम सब्सट्रेट के ऊपर लगभग पता नहीं चल पाता है, जिससे उच्च-ऊर्जा आयनों द्वारा नमूना सतह पर बमबारी कम हो जाती है।

क्रिस्टल गुणवत्ता में सुधार करें

उच्च-ऊर्जा आवेशित कणों को प्रभावी ढंग से फ़िल्टर करके एपिटैक्सियल परत की क्रिस्टल गुणवत्ता में सुधार किया जाता है। उदाहरण के लिए, एमईए-सीवीडी तकनीक आरपीसीवीडी के ईसीआर प्लाज्मा स्रोत को बदलने के लिए एचसीपी स्रोत का उपयोग करती है, जो इसे उच्च-घनत्व प्लाज्मा उत्पन्न करने के लिए अधिक उपयुक्त बनाती है। एचसीपी स्रोत का लाभ यह है कि क्वार्ट्ज ढांकता हुआ खिड़की के कारण कोई ऑक्सीजन संदूषण नहीं होता है, और इसमें कैपेसिटिव कपलिंग (सीसीपी) प्लाज्मा स्रोत की तुलना में अधिक प्लाज्मा घनत्व होता है।

6. सारांश और आउटलुक

निम्न-तापमान एपिटेक्सी प्रौद्योगिकी की वर्तमान स्थिति

साहित्य अनुसंधान और विश्लेषण के माध्यम से, तकनीकी विशेषताओं, उपकरण संरचना, काम करने की स्थिति और प्रयोगात्मक परिणामों सहित कम तापमान वाली एपिटेक्सी तकनीक की वर्तमान स्थिति को रेखांकित किया गया है। ये प्रौद्योगिकियां बाहरी क्षेत्र युग्मन के माध्यम से ऊर्जा प्रदान करती हैं, विकास तापमान को प्रभावी ढंग से कम करती हैं, अनाकार सब्सट्रेट्स की विशेषताओं के अनुकूल होती हैं, और कम लागत और लचीले (ऑप्टो) इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को तैयार करने की संभावना प्रदान करती हैं।

भविष्य के शोध निर्देश

कम तापमान वाली एपिटैक्सी तकनीक में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं हैं, लेकिन यह अभी भी खोजपूर्ण चरण में है। इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में समस्याओं को हल करने के लिए उपकरण और प्रक्रिया दोनों पहलुओं से गहन शोध की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, प्लाज्मा में आयन फ़िल्टरिंग समस्या पर विचार करते समय उच्च घनत्व वाला प्लाज्मा कैसे प्राप्त किया जाए, इसका आगे अध्ययन करना आवश्यक है; कम तापमान पर गुहा में पूर्व-प्रतिक्रिया को प्रभावी ढंग से दबाने के लिए गैस समरूपीकरण उपकरण की संरचना को कैसे डिज़ाइन किया जाए; एक विशिष्ट गुहा दबाव पर प्लाज्मा को प्रभावित करने वाली स्पार्किंग या विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों से बचने के लिए कम तापमान वाले एपिटैक्सियल उपकरण के हीटर को कैसे डिज़ाइन किया जाए।

अपेक्षित योगदान

उम्मीद है कि यह क्षेत्र एक संभावित विकास दिशा बन जाएगा और अगली पीढ़ी के ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के विकास में महत्वपूर्ण योगदान देगा। शोधकर्ताओं के गहन ध्यान और जोरदार प्रचार के साथ, यह क्षेत्र भविष्य में एक संभावित विकास दिशा में विकसित होगा और अगली पीढ़ी (ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक) उपकरणों के विकास में महत्वपूर्ण योगदान देगा।