Technológia nízkoteplotnej epitaxie na báze GaN

1. Význam materiálov na báze GaN

Polovodičové materiály na báze GaN sú široko používané pri príprave optoelektronických zariadení, výkonových elektronických zariadení a rádiofrekvenčných mikrovlnných zariadení vďaka svojim vynikajúcim vlastnostiam, ako sú charakteristiky so širokým pásmom, vysoká intenzita prierazného poľa a vysoká tepelná vodivosť. Tieto zariadenia sa široko používajú v odvetviach, ako je polovodičové osvetlenie, polovodičové zdroje ultrafialového svetla, solárna fotovoltaika, laserový displej, flexibilné obrazovky, mobilná komunikácia, napájacie zdroje, nové energetické vozidlá, inteligentné siete atď. trh sa stávajú vyspelejšími.

Obmedzenia tradičnej technológie epitaxie

Tradičné technológie epitaxného rastu pre materiály na báze GaN ako naprMOCVDaMBEzvyčajne vyžadujú vysoké teplotné podmienky, ktoré nie sú použiteľné na amorfné substráty, ako je sklo a plasty, pretože tieto materiály nedokážu odolať vyšším teplotám rastu. Napríklad bežne používané plavené sklo zmäkne pri podmienkach vyšších ako 600 °C. Dopyt po nízkej teploteepitaxná technológia: So zvyšujúcim sa dopytom po lacných a flexibilných optoelektronických (elektronických) zariadeniach existuje dopyt po epitaxných zariadeniach, ktoré využívajú energiu vonkajšieho elektrického poľa na praskanie prekurzorov reakcií pri nízkych teplotách. Táto technológia sa môže vykonávať pri nízkych teplotách, prispôsobuje sa charakteristikám amorfných substrátov a poskytuje možnosť prípravy lacných a flexibilných (optoelektronických) zariadení.

2. Kryštalická štruktúra materiálov na báze GaN

Typ kryštálovej štruktúry

Materiály na báze GaN zahŕňajú najmä GaN, InN, AlN a ich ternárne a kvartérne tuhé roztoky s tromi kryštálovými štruktúrami wurtzitu, sfaleritu a kamennej soli, medzi ktorými je wurtzitová štruktúra najstabilnejšia. Štruktúra sfaleritu je metastabilná fáza, ktorá sa môže pri vysokej teplote premeniť na štruktúru wurtzitu a pri nižších teplotách môže existovať vo wurtzitovej štruktúre vo forme hromádkových porúch. Štruktúra kamennej soli je vysokotlakovou fázou GaN a môže sa objaviť iba v podmienkach extrémne vysokého tlaku.

Charakterizácia kryštálových rovín a kvality kryštálov

Bežné kryštálové roviny zahŕňajú polárnu c-rovinu, semipolárnu s-rovinu, r-rovinu, n-rovinu a nepolárnu a-rovinu a m-rovinu. Tenké filmy na báze GaN získané epitaxiou na zafírových a Si substrátoch sú zvyčajne orientácie kryštálov v rovine c.

3. Požiadavky na technológiu epitaxie a implementačné riešenia

Nevyhnutnosť technologických zmien

S rozvojom informatizácie a inteligencie má dopyt po optoelektronických zariadeniach a elektronických zariadeniach tendenciu byť lacný a flexibilný. Aby sa splnili tieto potreby, je potrebné zmeniť existujúcu epitaxnú technológiu materiálov na báze GaN, najmä vyvinúť epitaxnú technológiu, ktorú je možné vykonávať pri nízkych teplotách, aby sa prispôsobili charakteristikám amorfných substrátov.

Vývoj nízkoteplotnej epitaxnej technológie

Nízkoteplotná epitaxná technológia založená na princípoch ofyzikálne vylučovanie pár (PVD)achemická depozícia z pár (CVD)vrátane reaktívneho magnetrónového naprašovania, plazmou podporovaného MBE (PA-MBE), pulzného laserového nanášania (PLD), pulzného naprašovania (PSD), laserom podporovaného MBE (LMBE), vzdialeného plazmového CVD (RPCVD), migračného dosvitu CVD ( MEA-CVD), vzdialená MOCVD zosilnená plazmou (RPEMOCVD), MOCVD so zvýšenou aktivitou (REMOCVD), MOCVD zosilnená elektrónovou cyklotrónovou rezonanciou plazmy (ECR-PEMOCVD) a MOCVD s indukčne viazanou plazmou (ICP-MOCVD) atď.

4. Technológia nízkoteplotnej epitaxie založená na princípe PVD

Typy technológií

Vrátane reaktívneho magnetrónového naprašovania, plazmou podporovaného MBE (PA-MBE), pulzného laserového nanášania (PLD), pulzného naprašovania (PSD) a laserom podporovaného MBE (LMBE).

Technické vlastnosti

Tieto technológie poskytujú energiu pomocou externého prepojenia poľa na ionizáciu zdroja reakcie pri nízkej teplote, čím sa znižuje jeho teplota praskania a dosahuje sa nízkoteplotný epitaxný rast materiálov na báze GaN. Napríklad technológia reaktívneho magnetrónového naprašovania zavádza magnetické pole počas procesu naprašovania na zvýšenie kinetickej energie elektrónov a zvýšenie pravdepodobnosti kolízie s N2 a Ar na zlepšenie rozprašovania cieľa. Súčasne môže tiež obmedziť plazmu s vysokou hustotou nad cieľom a znížiť bombardovanie iónov na substrát.

Výzvy

Hoci vývoj týchto technológií umožnil pripraviť lacné a flexibilné optoelektronické zariadenia, čelia aj výzvam z hľadiska kvality rastu, zložitosti zariadení a nákladov. Napríklad technológia PVD zvyčajne vyžaduje vysoký stupeň vákua, ktorý môže účinne potlačiť predreakciu a zaviesť niektoré monitorovacie zariadenia in-situ, ktoré musia pracovať vo vysokom vákuu (napríklad RHEED, Langmuirova sonda atď.), ale zvyšuje náročnosť veľkoplošného rovnomerného nanášania a prevádzkové náklady a náklady na údržbu vysokého vákua sú vysoké.

5. Nízkoteplotná epitaxná technológia založená na princípe CVD

Typy technológií

Vrátane vzdialeného plazmového CVD (RPCVD), migračného vylepšeného dosvitu CVD (MEA-CVD), vzdialeného plazmového vylepšeného MOCVD (RPEMOCVD), aktivity vylepšeného MOCVD (REMOCVD), elektrónovej cyklotrónovej rezonančnej plazmy zosilneného MOCVD (ECR-PEMOCVD) a indukčne viazanej plazmy MOCVD ( ICP-MOCVD).

Technické výhody

Tieto technológie dosahujú rast III-nitridových polovodičových materiálov, ako sú GaN a InN, pri nižších teplotách pomocou rôznych zdrojov plazmy a reakčných mechanizmov, čo vedie k rovnomernému ukladaniu na veľkej ploche a zníženiu nákladov. Napríklad technológia vzdialeného plazmového CVD (RPCVD) využíva zdroj ECR ako plazmový generátor, čo je nízkotlakový plazmový generátor, ktorý dokáže generovať plazmu s vysokou hustotou. Súčasne prostredníctvom technológie plazmovej luminiscenčnej spektroskopie (OES) je 391 nm spektrum spojené s N2+ nad substrátom takmer nedetegovateľné, čím sa znižuje bombardovanie povrchu vzorky vysokoenergetickými iónmi.

Zlepšite kvalitu krištáľu

Kvalita kryštálov epitaxnej vrstvy sa zlepšuje účinným filtrovaním vysokoenergetických nabitých častíc. Napríklad technológia MEA-CVD využíva zdroj HCP na nahradenie zdroja ECR plazmy RPCVD, vďaka čomu je vhodnejší na generovanie plazmy s vysokou hustotou. Výhodou zdroja HCP je, že nedochádza k žiadnej kontaminácii kyslíkom spôsobenej kremenným dielektrickým oknom a má vyššiu hustotu plazmy ako zdroj plazmy s kapacitnou väzbou (CCP).

6. Zhrnutie a výhľad

Súčasný stav technológie nízkoteplotnej epitaxie

Prostredníctvom výskumu a analýzy literatúry je načrtnutý súčasný stav technológie nízkoteplotnej epitaxie, vrátane technických charakteristík, štruktúry zariadenia, pracovných podmienok a experimentálnych výsledkov. Tieto technológie poskytujú energiu prostredníctvom externej väzby poľa, účinne znižujú teplotu rastu, prispôsobujú sa charakteristikám amorfných substrátov a poskytujú možnosť prípravy lacných a flexibilných (opto) elektronických zariadení.

Budúce smery výskumu

Technológia nízkoteplotnej epitaxie má široké možnosti použitia, ale stále je v štádiu prieskumu. Na vyriešenie problémov v inžinierskych aplikáciách si vyžaduje hĺbkový výskum z hľadiska zariadení aj procesov. Napríklad je potrebné ďalej študovať, ako získať plazmu s vyššou hustotou, pričom sa berie do úvahy problém filtrovania iónov v plazme; ako navrhnúť štruktúru zariadenia na homogenizáciu plynu, aby sa účinne potlačila predreakcia v dutine pri nízkych teplotách; ako navrhnúť ohrievač nízkoteplotného epitaxného zariadenia, aby sa predišlo iskreniu alebo elektromagnetickým poliam ovplyvňujúcim plazmu pri špecifickom tlaku v dutine.

Očakávaný príspevok

Očakáva sa, že táto oblasť sa stane potenciálnym smerom rozvoja a významne prispeje k vývoju ďalšej generácie optoelektronických zariadení. S intenzívnou pozornosťou a intenzívnou podporou výskumníkov sa táto oblasť v budúcnosti rozrastie do potenciálneho smeru rozvoja a významne prispeje k vývoju ďalšej generácie (optoelektronických) zariadení.