Technologia epitaksji niskotemperaturowej na bazie GaN

1. Znaczenie materiałów na bazie GaN

Materiały półprzewodnikowe na bazie GaN są szeroko stosowane do wytwarzania urządzeń optoelektronicznych, urządzeń energoelektronicznych i urządzeń mikrofalowych o częstotliwości radiowej ze względu na ich doskonałe właściwości, takie jak charakterystyka szerokiego pasma wzbronionego, wysokie natężenie pola przebicia i wysoka przewodność cieplna. Urządzenia te są szeroko stosowane w takich branżach, jak oświetlenie półprzewodnikowe, półprzewodnikowe źródła światła ultrafioletowego, fotowoltaika słoneczna, wyświetlacze laserowe, elastyczne ekrany wyświetlaczy, komunikacja mobilna, zasilacze, pojazdy nowej energii, inteligentne sieci itp., a także technologia i rynek staje się coraz bardziej dojrzały.

Ograniczenia tradycyjnej technologii epitaksji

Tradycyjne technologie wzrostu epitaksjalnego dla materiałów na bazie GaN, takich jakMOCVDIMBEzwykle wymagają warunków wysokotemperaturowych, które nie mają zastosowania w przypadku podłoży amorficznych, takich jak szkło i tworzywa sztuczne, ponieważ materiały te nie wytrzymują wyższych temperatur wzrostu. Na przykład powszechnie stosowane szkło float mięknie w temperaturze przekraczającej 600°C. Zapotrzebowanie na niską temperaturętechnologia epitaksji: Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na tanie i elastyczne urządzenia optoelektroniczne (elektroniczne), istnieje zapotrzebowanie na sprzęt epitaksjalny, który wykorzystuje energię zewnętrznego pola elektrycznego do pękania prekursorów reakcji w niskich temperaturach. Technologia ta może być realizowana w niskich temperaturach, dostosowując się do właściwości substratów amorficznych i dając możliwość wytwarzania tanich i elastycznych (optoelektronicznych) urządzeń.

2. Struktura krystaliczna materiałów na bazie GaN

Typ struktury kryształu

Materiały na bazie GaN obejmują głównie GaN, InN, AlN oraz ich trój- i czwartorzędowe roztwory stałe, z trzema strukturami krystalicznymi wurcytu, sfalerytu i soli kamiennej, spośród których struktura wurcytu jest najbardziej stabilna. Struktura sfalerytu jest fazą metastabilną, która w wysokiej temperaturze może przekształcić się w strukturę wurcytu, a w niższych temperaturach może występować w strukturze wurcytu w postaci uskoków spiętrzających. Struktura soli kamiennej jest fazą wysokociśnieniową GaN i może pojawić się jedynie w warunkach ekstremalnie wysokiego ciśnienia.

Charakterystyka płaszczyzn kryształów i ich jakości

Typowe płaszczyzny kryształów obejmują polarną płaszczyznę c, półpolarną płaszczyznę s, płaszczyznę r, płaszczyznę n oraz niepolarną płaszczyznę a i m. Zwykle cienkie warstwy na bazie GaN otrzymywane metodą epitaksji na podłożach szafirowych i krzemowych mają orientację kryształów w płaszczyźnie c.

3. Wymagania technologii epitaksji i rozwiązania wdrożeniowe

Konieczność zmian technologicznych

Wraz z rozwojem informatyzacji i inteligencji popyt na urządzenia optoelektroniczne i urządzenia elektroniczne staje się tani i elastyczny. Aby sprostać tym potrzebom, konieczna jest zmiana dotychczasowej technologii epitaksjalnej materiałów na bazie GaN, w szczególności opracowanie technologii epitaksjalnej, którą można prowadzić w niskich temperaturach w celu dostosowania do właściwości podłoży amorficznych.

Rozwój technologii epitaksjalnej niskotemperaturowej

Technologia epitaksjalna niskotemperaturowa oparta na zasadachfizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD)Ichemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD), w tym reaktywne rozpylanie magnetronowe, MBE wspomagane plazmą (PA-MBE), osadzanie za pomocą impulsowego lasera (PLD), osadzanie metodą rozpylania pulsacyjnego (PSD), MBE wspomagane laserem (LMBE), zdalna plazmowa CVD (RPCVD), CVD z poświatą wzmocnioną migracją ( MEA-CVD), MOCVD wzmocniony plazmą zdalnie (RPEMOCVD), MOCVD wzmocniony aktywnością (REMOCVD), MOCVD wzmocniony plazmą elektronowo-cyklotronową (ECR-PEMOCVD) i MOCVD plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP-MOCVD) itp.

4. Technologia epitaksji niskotemperaturowej oparta na zasadzie PVD

Rodzaje technologii

Obejmuje to reaktywne rozpylanie magnetronowe, MBE wspomagane plazmą (PA-MBE), osadzanie laserem pulsacyjnym (PLD), osadzanie metodą rozpylania pulsacyjnego (PSD) i MBE wspomagane laserem (LMBE).

Cechy techniczne

Technologie te zapewniają energię poprzez wykorzystanie sprzężenia pola zewnętrznego do jonizacji źródła reakcji w niskiej temperaturze, zmniejszając w ten sposób temperaturę jego pękania i osiągając niskotemperaturowy wzrost epitaksjalny materiałów na bazie GaN. Na przykład technologia reaktywnego rozpylania magnetronowego wprowadza pole magnetyczne podczas procesu rozpylania, aby zwiększyć energię kinetyczną elektronów i zwiększyć prawdopodobieństwo zderzenia z N2 i Ar, aby usprawnić rozpylanie docelowe. Jednocześnie może również ograniczyć plazmę o dużej gęstości nad celem i zmniejszyć bombardowanie podłoża jonami.

Wyzwania

Chociaż rozwój tych technologii umożliwił przygotowanie tanich i elastycznych urządzeń optoelektronicznych, stoją one również przed wyzwaniami w zakresie jakości wzrostu, złożoności sprzętu i kosztów. Na przykład technologia PVD zwykle wymaga wysokiego stopnia próżni, który może skutecznie stłumić reakcję wstępną i wprowadzić sprzęt monitorujący na miejscu, który musi pracować w wysokiej próżni (taki jak RHEED, sonda Langmuira itp.), ale zwiększa to trudność równomiernego osadzania na dużej powierzchni, a koszty obsługi i konserwacji wysokiej próżni są wysokie.

5. Technologia epitaksjalna niskotemperaturowa oparta na zasadzie CVD

Rodzaje technologii

Obejmuje zdalne CVD plazmowe (RPCVD), CVD poświatowe wzmocnione migracją (MEA-CVD), MOCVD wzmocnione plazmą (RPEMOCVD), MOCVD wzmocnione aktywnością (REMOCVD), MOCVD wzmocnione plazmą elektronowego rezonansu cyklotronowego (ECR-PEMOCVD) i MOCVD plazmowe sprzężone indukcyjnie ( ICP-MOCVD).

Zalety techniczne

Technologie te umożliwiają wzrost materiałów półprzewodnikowych z azotku III, takich jak GaN i InN, w niższych temperaturach dzięki zastosowaniu różnych źródeł plazmy i mechanizmów reakcji, co sprzyja równomiernemu osadzaniu na dużej powierzchni i redukcji kosztów. Na przykład technologia zdalnej plazmy CVD (RPCVD) wykorzystuje źródło ECR jako generator plazmy, czyli niskociśnieniowy generator plazmy, który może generować plazmę o dużej gęstości. Jednocześnie dzięki technologii plazmowej spektroskopii luminescencyjnej (OES) widmo 391 nm związane z N2+ jest prawie niewykrywalne nad podłożem, co ogranicza bombardowanie powierzchni próbki jonami o wysokiej energii.

Popraw jakość kryształów

Jakość kryształów warstwy epitaksjalnej poprawia się poprzez skuteczne filtrowanie naładowanych cząstek o wysokiej energii. Na przykład technologia MEA-CVD wykorzystuje źródło HCP w celu zastąpienia źródła plazmy ECR w RPCVD, dzięki czemu jest ono bardziej odpowiednie do wytwarzania plazmy o dużej gęstości. Zaletą źródła HCP jest to, że kwarcowe okno dielektryczne nie powoduje zanieczyszczenia tlenem i ma wyższą gęstość plazmy niż źródło plazmy ze sprzężeniem pojemnościowym (CCP).

6. Podsumowanie i perspektywy

Aktualny stan technologii epitaksji niskotemperaturowej

Poprzez badania i analizy literatury nakreślono aktualny stan technologii epitaksji niskotemperaturowej, w tym charakterystykę techniczną, konstrukcję sprzętu, warunki pracy i wyniki eksperymentów. Technologie te dostarczają energię poprzez sprzężenie pola zewnętrznego, skutecznie obniżają temperaturę wzrostu, dostosowują się do właściwości substratów amorficznych i dają możliwość przygotowania tanich i elastycznych (opto) urządzeń elektronicznych.

Przyszłe kierunki badań

Technologia epitaksji niskotemperaturowej ma szerokie perspektywy zastosowania, jednak wciąż znajduje się w fazie eksploracyjnej. Rozwiązywanie problemów w zastosowaniach inżynieryjnych wymaga dogłębnych badań zarówno pod kątem sprzętu, jak i aspektów procesowych. Na przykład konieczne są dalsze badania nad sposobem uzyskania plazmy o większej gęstości, biorąc pod uwagę problem filtrowania jonów w plazmie; jak zaprojektować konstrukcję urządzenia do homogenizacji gazu, aby skutecznie tłumić reakcję wstępną we wnęce w niskich temperaturach; jak zaprojektować grzejnik niskotemperaturowego sprzętu epitaksjalnego, aby uniknąć iskrzenia lub pól elektromagnetycznych wpływających na plazmę przy określonym ciśnieniu we wnęce.

Oczekiwany wkład

Oczekuje się, że dziedzina ta stanie się potencjalnym kierunkiem rozwoju i wniesie istotny wkład w rozwój kolejnej generacji urządzeń optoelektronicznych. Dzięki żywemu zainteresowaniu i energicznej promocji badaczy dziedzina ta stanie się w przyszłości potencjalnym kierunkiem rozwoju i wniesie istotny wkład w rozwój urządzeń (optoelektronicznych) nowej generacji.