Tehnologie de epitaxie la temperatură joasă pe bază de GaN

1. Importanța materialelor pe bază de GaN

Materialele semiconductoare pe bază de GaN sunt utilizate pe scară largă în pregătirea dispozitivelor optoelectronice, a dispozitivelor electronice de putere și a dispozitivelor cu microunde cu frecvență radio datorită proprietăților lor excelente, cum ar fi caracteristicile de bandgap largi, puterea mare a câmpului de defalcare și conductivitate termică ridicată. Aceste dispozitive au fost utilizate pe scară largă în industrii precum iluminatul cu semiconductori, sursele de lumină ultravioletă în stare solidă, solar fotovoltaic, afișajul cu laser, ecranele de afișare flexibile, comunicațiile mobile, sursele de alimentare, vehiculele cu energie nouă, rețelele inteligente etc., precum și tehnologia și piata devin mai mature.

Limitările 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 sunt aplicabile substraturilor amorfe, cum ar fi sticla și materialele plastice, deoarece aceste materiale nu pot rezista la temperaturi mai mari de creștere. De exemplu, sticla float folosită în mod obișnuit se va înmuia în condiții care depășesc 600°C. Cererea de temperatură scăzutătehnologia epitaxiei: Odată cu creșterea cererii pentru dispozitive optoelectronice (electronice) flexibile și ieftine, există o cerere pentru echipamente epitaxiale care utilizează energia externă a câmpului electric pentru a sparge 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 (optoelectronice) flexibile și ieftine.

2. Structura cristalină a materialelor pe bază de GaN

Tipul structurii cristaline

Materialele pe bază de GaN includ în principal GaN, InN, AlN și soluțiile lor solide ternare și cuaternare, cu trei structuri cristaline de wurtzit, sfalerit și sare gemă, dintre care structura wurtzită este cea mai stabilă. Structura sfalerită este o fază metastabilă, care poate fi transformată în structura wurtzită la temperatură ridicată și poate exista în structura wurtzită sub formă de defecte de stivuire la temperaturi mai scăzute. Structura sării geme este faza de înaltă presiune a GaN și poate apărea numai în condiții de presiune extrem de ridicată.

Caracterizarea planurilor cristaline și calitatea cristalului

Planurile cristaline comune includ planul c polar, planul s semipolar, planul r, planul n și planul a și planul m nepolar. De obicei, filmele subțiri pe bază de GaN obținute prin epitaxie pe substraturi de safir și Si sunt orientări de cristal în plan c.

3. Cerințe de tehnologie epitaxie și soluții de implementare

Necesitatea schimbării tehnologice

Odată cu dezvoltarea informatizării și a inteligenței, cererea de dispozitive optoelectronice și dispozitive electronice tinde să fie ieftină și flexibilă. Pentru a satisface aceste nevoi, este necesar să se schimbe tehnologia epitaxială existentă a materialelor pe bază de GaN, în special să se dezvolte tehnologia epitaxială care poate fi realizată la temperaturi scăzute pentru a se adapta la caracteristicile substraturilor amorfe.

Dezvoltarea tehnologiei epitaxiale la temperatură scăzută

Tehnologia epitaxială la temperatură joasă bazată pe principiiledepuneri fizice de vapori (PVD)şidepuneri chimice de vapori (CVD), inclusiv pulverizarea cu magnetron reactiv, MBE asistată cu plasmă (PA-MBE), depunere cu laser în impulsuri (PLD), depunere prin pulverizare pulverizată (PSD), MBE asistată cu laser (LMBE), CVD cu plasmă la distanță (RPCVD), CVD cu luminozitate îmbunătățită cu migrare ( MEA-CVD), MOCVD îmbunătățit cu plasmă la distanță (RPEMOCVD), MOCVD îmbunătățit cu activitate (REMOCVD), MOCVD îmbunătățit cu plasmă prin rezonanță cu ciclotron electronic (ECR-PEMOCVD) și MOCVD cu plasmă cuplată inductiv (ICP-MOCVD) etc.

4. Tehnologie de epitaxie la temperatură joasă bazată pe principiul PVD

Tipuri de tehnologie

Inclusiv pulverizarea cu magnetron reactiv, MBE asistată cu plasmă (PA-MBE), depunerea cu laser în impulsuri (PLD), depunerea prin pulverizare pulverizată (PSD) și MBE asistată cu laser (LMBE).

Caracteristici tehnice

Aceste tehnologii furnizează energie prin utilizarea cuplajului de câmp extern pentru a ioniza sursa de reacție la temperatură scăzută, reducând astfel temperatura de cracare a acesteia și realizând creșterea epitaxială la temperatură joasă a materialelor pe bază de GaN. De exemplu, tehnologia de pulverizare cu magnetron reactiv introduce un câmp magnetic în timpul procesului de pulverizare pentru a crește energia cinetică a electronilor și pentru a crește probabilitatea de coliziune cu N2 și Ar pentru a îmbunătăți pulverizarea țintei. În același timp, poate, de asemenea, să limiteze plasma de înaltă densitate deasupra țintei și să reducă bombardarea ionilor pe substrat.

Provocări

Deși dezvoltarea acestor tehnologii a făcut posibilă pregătirea dispozitivelor optoelectronice cu costuri reduse și flexibile, acestea se confruntă și cu provocări în ceea ce privește calitatea creșterii, complexitatea echipamentelor și costul. De exemplu, tehnologia PVD necesită de obicei un grad ridicat de vid, care poate suprima eficient prereacția și poate introduce unele echipamente de monitorizare in situ care trebuie să funcționeze sub vid înalt (cum ar fi RHEED, sonda Langmuir etc.), dar crește dificultatea de depunere uniformă pe suprafețe mari, iar costul de funcționare și întreținere al vidului înalt este ridicat.

5. Tehnologie epitaxială la temperatură joasă bazată pe principiul CVD

Tipuri de tehnologie

Inclusiv CVD cu plasmă la distanță (RPCVD), CVD cu luminozitate ulterioară îmbunătățită cu migrare (MEA-CVD), MOCVD cu plasmă îmbunătățită la distanță (RPEMOCVD), MOCVD cu plasmă îmbunătățită cu activitate (REMOCVD), MOCVD cu plasmă îmbunătățită prin rezonanță cu ciclotron electronic (ECR-PEMOCVD) și MOCVD cu plasmă cuplată inductiv ( ICP-MOCVD).

Avantaje tehnice

Aceste tehnologii realizează creșterea materialelor semiconductoare cu nitrură III, cum ar fi GaN și InN, la temperaturi mai scăzute, prin utilizarea diferitelor surse de plasmă și mecanisme de reacție, ceea ce conduce la depunerea uniformă pe suprafețe mari și la reducerea costurilor. De exemplu, tehnologia CVD cu plasmă la distanță (RPCVD) utilizează 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 cu luminiscență cu plasmă (OES), spectrul de 391 nm asociat cu N2+ este aproape nedetectabil deasupra substratului, reducând astfel bombardarea suprafeței probei de către ioni de înaltă energie.

Îmbunătățiți calitatea cristalului

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

6. Rezumat și Outlook

Starea actuală a tehnologiei de epitaxie la temperatură scăzută

Prin cercetarea și analiza literaturii de specialitate, este subliniat starea actuală a tehnologiei epitaxiei la temperatură scăzută, inclusiv caracteristicile tehnice, structura echipamentului, condițiile de lucru și rezultatele experimentale. Aceste tehnologii furnizează energie prin cuplarea câmpului extern, reduc în mod eficient temperatura de creștere, se adaptează la caracteristicile substraturilor amorfe și oferă posibilitatea de a pregăti dispozitive electronice (opto) flexibile și ieftine.

Direcții viitoare de cercetare

Tehnologia epitaxiei la temperatură joasă are perspective largi de aplicare, dar este încă în stadiul de explorare. Este nevoie de cercetare aprofundată atât din partea echipamentelor, cât și a aspectelor de proces pentru a rezolva problemele din aplicațiile de inginerie. De exemplu, este necesar să se studieze în continuare modul de a obține o plasmă cu densitate mai mare, luând în considerare problema de filtrare a ionilor în plasmă; cum să proiectați structura dispozitivului de omogenizare a gazului pentru a suprima eficient prereacția din cavitate la temperaturi scăzute; cum să proiectați încălzitorul echipamentului epitaxial de temperatură scăzută pentru a evita scânteile sau câmpurile electromagnetice care afectează plasma la o anumită presiune a cavității.

Contribuție așteptată

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