Tehnologia de epitaxie la temperaturi joase bazate pe GAN

1. Importanța materialelor pe bază de GaN

Materialele semiconductoare bazate pe GAN sunt utilizate pe scară largă la prepararea dispozitivelor optoelectronice, a dispozitivelor electronice electronice și a dispozitivelor cu microunde cu frecvență radio, datorită proprietăților lor excelente, cum ar fi caracteristicile largi de bandă, rezistența la defalcare ridicată și conductivitatea termică ridicată. Aceste dispozitive au fost utilizate pe scară largă în industrii, cum ar fi iluminatul cu semiconductor, surse de lumină ultraviolete în stare solidă, fotovoltaice solare, afișare laser, ecrane de afișare flexibile, comunicații mobile, surse de alimentare, vehicule energetice noi, rețele inteligente, etc., iar tehnologia și piața devin mai mature.

Limitări ale tehnologiei tradiționale de epitaxie

Tehnologii tradiționale de creștere epitaxială pentru materiale pe bază de GaN, cum ar fiMOCVDşiMBEDe obicei, necesită condiții de temperatură ridicată, care nu se aplică substraturilor amorfe, cum ar fi sticla și materialele plastice, deoarece aceste materiale nu pot rezista la temperaturi mai mari de creștere. De exemplu, sticla plutitoare folosită frecvent se va înmuia în condiții care depășesc 600 ° C. Cerere de temperatură scăzutăTehnologia epitaxiei: Odată cu creșterea cererii de dispozitive optoelectronice (electronice) cu costuri reduse și flexibile, există o cerere de echipamente epitaxiale care utilizează energie externă de câmp electric pentru a crăpa precursorii de reacție la temperaturi scăzute. Această tehnologie poate fi realizată la temperaturi scăzute, adaptându-se la caracteristicile substraturilor amorfe și oferind posibilitatea de a pregăti dispozitive cu costuri reduse și flexibile (optoelectronice).

2. Structura cristalină a materialelor pe bază de GaN

Tip de structură de cristal

Materialele pe bază de GaN includ în principal Gan, Inn, ALN și soluțiile lor solide ternare și cuaternare, cu trei structuri cristaline de wurtzite, sphalerită și sare de rocă, printre care structura wurtzit este cea mai stabilă. Structura sphalerită este o fază metastabilă, care poate fi transformată în structura wurtzite la temperaturi ridicate și poate exista în structura wurtzite sub formă de defecțiuni de stivuire la temperaturi mai scăzute. Structura sării de rocă este faza de înaltă presiune a GaN și poate apărea doar în condiții de presiune extrem de ridicate.

Caracterizarea planurilor de cristal și a calității cristalelor

Planurile de cristal obișnuite includ planul c polar, planul S semi-polar, planul R, planul N și planul A non-polar și planul M. De obicei, filmele subțiri pe bază de GaN obținute prin epitaxie pe substraturile Sapphire și SI sunt orientări de cristal C-plan.

3. Cerințe de tehnologie epitaxie și soluții de implementare

Necesitatea schimbării tehnologice

Odată cu dezvoltarea informatizării și informațiilor, cererea de dispozitive optoelectronice și dispozitive electronice tinde să fie low-cost și flexibilă. Pentru a răspunde acestor nevoi, este necesar să se schimbe tehnologia epitaxială existentă a materialelor bazate pe GAN, în special pentru a dezvolta o tehnologie epitaxială care poate fi efectuată la temperaturi scăzute pentru a se adapta caracteristicilor substraturilor amorfe.

Dezvoltarea tehnologiei epitaxiale la temperaturi scăzute

Tehnologie epitaxială la temperatură scăzută bazată pe principiileDepunerea fizică de vapori (PVD)şiDepunerea de vapori chimici (CVD), including reactive magnetron sputtering, plasma-assisted MBE (PA-MBE), pulsed laser deposition (PLD), pulsed sputtering deposition (PSD), laser-assisted MBE (LMBE), remote plasma CVD (RPCVD), migration enhanced afterglow CVD (MEA-CVD), remote plasma enhanced MOCVD (RPEMOCVD), Activitate îmbunătățită MOCVD (RemocVD), Electron Cyclotron Resonance Plasma MOCVD îmbunătățită (ECR-PEMOCVD) și MOCVD cu plasmă cuplat inductiv (ICP-MOCVD), etc.

4. Tehnologia epitaxiei la temperaturi joase bazate pe principiul PVD

Tipuri de tehnologie

Inclusiv sputtering reactiv cu magnetron, MBE asistat cu plasmă (PA-MBE), depunere cu laser pulsat (PLD), depunere pulsată de sputtering (PSD) și MBE asistată laser (LMBE).

Caracteristici tehnice

Aceste tehnologii oferă energie prin utilizarea cuplării externe a câmpului pentru a ioniza sursa de reacție la temperaturi scăzute, reducând astfel temperatura de fisurare și obținând o creștere epitaxială la temperaturi scăzute a materialelor pe bază de GaN. De exemplu, tehnologia reactivă de sputtering cu magnetron introduce un câmp magnetic în timpul procesului de sputtering pentru a crește energia cinetică a electronilor și a crește probabilitatea de coliziune cu N2 și AR pentru a spori sputteringul țintă. În același timp, poate limita, de asemenea, plasma de înaltă densitate deasupra țintei și poate reduce bombardarea ionilor pe substrat.

Provocări

Deși dezvoltarea acestor tehnologii a făcut posibilă pregătirea unor dispozitive optoelectronice cu costuri reduse și flexibile, acestea se confruntă, de asemenea, cu provocări în ceea ce privește calitatea creșterii, complexitatea și costurile echipamentelor. De exemplu, tehnologia PVD necesită, de obicei, un grad de vid ridicat, care poate suprima în mod eficient reacția pre-reacției și introduce unele echipamente de monitorizare in situ care trebuie să funcționeze sub vid ridicat (cum ar fi Rheed, sonda Langmuir etc.), dar crește dificultatea depunerii uniforme cu o suprafață mare, iar costurile de întreținere a vacului ridicat sunt ridicate.

5. Tehnologia epitaxială la temperaturi joase bazate pe principiul CVD

Tipuri de tehnologie

Inclusiv CVD cu plasmă la distanță (RPCVD), CVD-ul AfterGlow îmbunătățit de migrație (MEA-CVD), MOCVD îmbunătățit cu plasmă la distanță (RPEMOCVD), activitate îmbunătățită MOCVD (RemocVD), electron Cyclotron Resonance MOCVD îmbunătățită cu plasma MOCVD (EcR-PEMOCVD).

Avantaje tehnice

Aceste tehnologii obțin creșterea materialelor semiconductoare III-NITRIDE, cum ar fi GAN și INN, la temperaturi mai scăzute, folosind diferite surse plasmatice și mecanisme de reacție, care este favorabilă depunerii uniforme și reducerii costurilor. De exemplu, tehnologia CVD cu plasmă la distanță (RPCVD) folosește o sursă ECR ca generator de plasmă, care este un generator de plasmă de joasă presiune care poate genera plasmă de înaltă densitate. În același timp, prin tehnologia spectroscopiei de luminiscență plasmatică (OES), spectrul de 391 nm asociat cu N2+ este aproape nedetectabil deasupra substratului, reducând astfel bombardamentul suprafeței eșantionului prin ioni cu energie mare.

Îmbunătățiți calitatea cristalului

Calitatea cristalului a stratului epitaxial este îmbunătățită prin filtrarea eficientă a particulelor încărcate cu energie mare. De exemplu, Tehnologia MEA-CVD folosește o sursă HCP pentru a înlocui sursa plasmatică ECR a RPCVD, ceea ce o face mai potrivită pentru generarea de plasmă de înaltă densitate. Avantajul sursei HCP este că nu există o contaminare cu oxigen cauzată de fereastra dielectrică a cuarțului și are o densitate plasmatică mai mare decât sursa de plasmă de cuplare capacitivă (CCP).

6. Rezumat și perspective

Starea actuală a tehnologiei de epitaxie la temperaturi joase

Prin cercetarea și analiza literaturii, este prezentat starea actuală a tehnologiei de epitaxie la temperaturi scăzute, inclusiv caracteristici tehnice, structura echipamentelor, condițiile de lucru și rezultatele experimentale. Aceste tehnologii oferă energie prin cuplarea câmpului extern, reduc efectiv temperatura de creștere, se adaptează la caracteristicile substraturilor amorfe și oferă posibilitatea de a pregăti dispozitive electronice cu costuri reduse și flexibile (OPTO).

Direcții viitoare de cercetare

Tehnologia de epitaxie la temperaturi scăzute are perspective largi de aplicare, dar este încă în stadiul exploratoriu. Necesită cercetări aprofundate atât din partea echipamentelor, cât și a aspectelor procesului pentru a rezolva problemele în aplicațiile de inginerie. De exemplu, este necesar să studiem în continuare modul de obținere a unei plasme cu densitate mai mare, luând în considerare problema de filtrare a ionilor în plasmă; modul de proiectare a structurii dispozitivului de omogenizare a gazelor pentru a suprima eficient pre-reacția în cavitate la temperaturi scăzute; Cum se proiectează încălzitorul echipamentului epitaxial la temperaturi joase pentru a evita câmpurile de scânteie sau electromagnetice care afectează plasma la o presiune specifică a cavității.

Contribuția preconizată

Este de așteptat ca acest domeniu să devină o direcție potențială de dezvoltare și să aducă contribuții importante la dezvoltarea următoarei generații de dispozitive optoelectronice. Cu atenția intensă și promovarea viguroasă a cercetătorilor, acest domeniu va transforma într -o direcție potențială de dezvoltare în viitor și va aduce contribuții importante la dezvoltarea următoarei generații de dispozitive (optoelectronice).