Technologie nízkoteplotní epitaxe na bázi GaN

1. Význam materiálů na bázi GaN

Polovodičové materiály na bázi GaN jsou široce používány při přípravě optoelektronických zařízení, výkonových elektronických zařízení a radiofrekvenčních mikrovlnných zařízení díky svým vynikajícím vlastnostem, jako jsou charakteristiky širokého pásma, vysoká intenzita průrazného pole a vysoká tepelná vodivost. Tato zařízení byla široce používána v průmyslových odvětvích, jako je polovodičové osvětlení, polovodičové zdroje ultrafialového světla, solární fotovoltaika, laserový displej, flexibilní obrazovky, mobilní komunikace, napájecí zdroje, nová energetická vozidla, chytré sítě atd., a technologie a trh je stále vyspělejší.

Omezení tradiční technologie epitaxe

Tradiční technologie epitaxního růstu pro materiály na bázi GaN jako napřMOCVDaMBEobvykle vyžadují podmínky vysoké teploty, které nejsou použitelné pro amorfní substráty, jako je sklo a plasty, protože tyto materiály nemohou odolat vyšším teplotám růstu. Například běžně používané plavené sklo změkne za podmínek přesahujících 600 °C. Poptávka po nízkých teplotáchtechnologie epitaxe: S rostoucí poptávkou po levných a flexibilních optoelektronických (elektronických) zařízeních existuje poptávka po epitaxním zařízení, které využívá energii vnějšího elektrického pole k praskání prekurzorů reakcí při nízkých teplotách. Tuto technologii lze provádět při nízkých teplotách, přizpůsobit se vlastnostem amorfních substrátů a poskytnout možnost přípravy levných a flexibilních (optoelektronických) zařízení.

2. Krystalová struktura materiálů na bázi GaN

Typ krystalové struktury

Materiály na bázi GaN zahrnují především GaN, InN, AlN a jejich ternární a kvartérní pevné roztoky se třemi krystalovými strukturami wurtzit, sfalerit a kamenná sůl, mezi nimiž je wurtzitová struktura nejstabilnější. Sfaleritová struktura je metastabilní fáze, která se může při vysoké teplotě přeměnit na wurtzitovou strukturu a při nižších teplotách může existovat ve wurtzitové struktuře ve formě vrstevných zlomů. Struktura kamenné soli je vysokotlakou fází GaN a může se objevit pouze za podmínek extrémně vysokého tlaku.

Charakterizace krystalových rovin a kvality krystalu

Mezi běžné krystalové roviny patří polární rovina c, semipolární rovina s, rovina r, rovina n a nepolární rovina a a rovina m. Obvykle jsou tenké filmy na bázi GaN získané epitaxí na safírových a Si substrátech s orientací krystalů v rovině c.

3. Požadavky na technologii epitaxe a implementační řešení

Nutnost technologických změn

S rozvojem informatizace a inteligence má poptávka po optoelektronických zařízeních a elektronických zařízeních tendenci být nízkonákladová a flexibilní. Aby byly tyto potřeby splněny, je nutné změnit stávající epitaxní technologii materiálů na bázi GaN, zejména vyvinout epitaxní technologii, kterou lze provádět při nízkých teplotách, aby se přizpůsobila charakteristikám amorfních substrátů.

Vývoj technologie nízkoteplotní epitaxe

Nízkoteplotní epitaxní technologie založená na principechfyzikální depozice par (PVD)achemická depozice par (CVD), včetně reaktivního magnetronového naprašování, plazmou podporovaného MBE (PA-MBE), pulzního laserového nanášení (PLD), pulzního naprašování (PSD), laserem podporovaného MBE (LMBE), vzdáleného plazmového CVD (RPCVD), migračního dosvitu CVD ( MEA-CVD), MOCVD se zesílenou plazmou (RPEMOCVD), MOCVD se zvýšenou aktivitou (REMOCVD), MOCVD se zesílenou elektronovou cyklotronovou rezonancí plazmou (ECR-PEMOCVD) a MOCVD s indukčně vázanou plazmou (ICP-MOCVD) atd.

4. Technologie nízkoteplotní epitaxe na principu PVD

Typy technologií

Včetně reaktivního magnetronového naprašování, plazmou podporovaného MBE (PA-MBE), pulzního laserového nanášení (PLD), pulzního naprašování (PSD) a laserem podporovaného MBE (LMBE).

Technické vlastnosti

Tyto technologie poskytují energii pomocí vnějšího pole pro ionizaci zdroje reakce při nízké teplotě, čímž se sníží jeho teplota praskání a dosáhne se nízkoteplotního epitaxního růstu materiálů na bázi GaN. Například technologie reaktivního magnetronového naprašování zavádí magnetické pole během procesu naprašování, aby se zvýšila kinetická energie elektronů a zvýšila se pravděpodobnost srážky s N2 a Ar, aby se zlepšilo rozprašování cíle. Současně může také omezit plazma s vysokou hustotou nad cílem a snížit bombardování iontů na substrátu.

Výzvy

Přestože vývoj těchto technologií umožnil připravit levná a flexibilní optoelektronická zařízení, čelí také výzvám z hlediska kvality růstu, složitosti zařízení a nákladů. Například technologie PVD obvykle vyžaduje vysoký stupeň vakua, který může účinně potlačit předreakci a zavést některá monitorovací zařízení in-situ, která musí pracovat ve vysokém vakuu (jako je RHEED, Langmuirova sonda atd.), ale zvyšuje obtížnost velkoplošného rovnoměrného nanášení a náklady na provoz a údržbu vysokého vakua jsou vysoké.

5. Nízkoteplotní epitaxní technologie založená na principu CVD

Typy technologií

Včetně vzdáleného plazmového CVD (RPCVD), migračního vylepšeného dosvitu CVD (MEA-CVD), vzdáleného plazma vylepšeného MOCVD (RPEMOCVD), aktivity vylepšeného MOCVD (REMOCVD), elektronovou cyklotronovou rezonanční plazmou vylepšeného MOCVD (ECR-PEMOCVD) a indukčně vázaného plazmového MOCVD ( ICP-MOCVD).

Technické výhody

Tyto technologie dosahují růstu III-nitridových polovodičových materiálů, jako jsou GaN a InN, při nižších teplotách použitím různých zdrojů plazmatu a reakčních mechanismů, což vede k rovnoměrnému ukládání na velké ploše a ke snížení nákladů. Například technologie vzdáleného plazmového CVD (RPCVD) využívá jako plazmový generátor zdroj ECR, což je nízkotlaký plazmový generátor, který dokáže generovat plazma s vysokou hustotou. Současně je prostřednictvím technologie plasmatické luminiscenční spektroskopie (OES) 391 nm spektrum spojené s N2+ nad substrátem téměř nedetekovatelné, čímž se snižuje ostřelování povrchu vzorku vysokoenergetickými ionty.

Zlepšete kvalitu krystalů

Krystalická kvalita epitaxní vrstvy je zlepšena účinnou filtrací vysokoenergetických nabitých částic. Například technologie MEA-CVD používá zdroj HCP k nahrazení zdroje ECR plazmy RPCVD, takže je vhodnější pro generování plazmy s vysokou hustotou. Výhodou zdroje HCP je, že nedochází ke kontaminaci kyslíkem způsobeným křemenným dielektrickým oknem a má vyšší hustotu plazmatu než zdroj plazmatu s kapacitní vazbou (CCP).

6. Shrnutí a výhled

Současný stav technologie nízkoteplotní epitaxe

Prostřednictvím literární rešerše a analýzy je nastíněn současný stav technologie nízkoteplotní epitaxe, včetně technických charakteristik, struktury zařízení, pracovních podmínek a experimentálních výsledků. Tyto technologie poskytují energii prostřednictvím externího pole, účinně snižují teplotu růstu, přizpůsobují se vlastnostem amorfních substrátů a poskytují možnost přípravy levných a flexibilních (opto) elektronických zařízení.

Budoucí směry výzkumu

Technologie nízkoteplotní epitaxe má široké vyhlídky na uplatnění, ale je stále ve fázi průzkumu. K řešení problémů v inženýrských aplikacích vyžaduje hloubkový výzkum jak z hlediska zařízení, tak z hlediska procesu. Například je nutné dále studovat, jak získat plazma s vyšší hustotou, přičemž je třeba vzít v úvahu problém filtrace iontů v plazmatu; jak navrhnout konstrukci zařízení pro homogenizaci plynu pro účinné potlačení předreakce v dutině při nízkých teplotách; jak navrhnout ohřívač nízkoteplotního epitaxního zařízení, aby se zabránilo jiskření nebo elektromagnetickým polím ovlivňujícím plazmu při specifickém tlaku v dutině.

Očekávaný příspěvek

Očekává se, že se tento obor stane potenciálním směrem vývoje a významně přispěje k vývoji další generace optoelektronických zařízení. S velkou pozorností a energickou podporou výzkumných pracovníků se tato oblast v budoucnu rozroste do potenciálního směru rozvoje a významně přispěje k vývoji další generace (optoelektronických) zařízení.