GaN alapú alacsony hőmérsékletű epitaxiás technológia

1. A GaN alapú anyagok jelentősége

A GaN alapú félvezető anyagokat széles körben használják optoelektronikai eszközök, teljesítményelektronikai eszközök és rádiófrekvenciás mikrohullámú készülékek előállítására, köszönhetően kiváló tulajdonságaiknak, mint például a széles sávszélesség, a nagy áttörési térerősség és a magas hővezető képesség. Ezeket az eszközöket széles körben használják olyan iparágakban, mint a félvezető világítás, szilárdtest ultraibolya fényforrások, napelemes napelemek, lézeres kijelzők, rugalmas kijelzők, mobilkommunikáció, tápegységek, új energetikai járművek, intelligens hálózatok stb., valamint a technológia és a piac egyre érettebb.

A hagyományos epitaxiás technológia korlátai

Hagyományos epitaxiális növekedési technológiák a GaN alapú anyagokhoz, mint plMOCVDésMBEáltalában magas hőmérsékleti feltételeket igényelnek, amelyek nem alkalmazhatók amorf szubsztrátumokra, például üvegre és műanyagokra, mivel ezek az anyagok nem viselik el a magasabb növekedési hőmérsékletet. Például az általánosan használt floatüveg 600°C feletti hőmérsékleten meglágyul. Alacsony hőmérséklet iránti igényepitaxiás technológia: Az alacsony költségű és rugalmas optoelektronikai (elektronikus) eszközök iránti növekvő kereslet miatt igény mutatkozik olyan epitaxiális berendezések iránt, amelyek külső elektromos térenergiát használnak a reakció prekurzorainak alacsony hőmérsékleten történő feltörésére. Ez a technológia alacsony hőmérsékleten, az amorf szubsztrátumok jellemzőihez alkalmazkodva kivitelezhető, lehetőséget biztosítva olcsó és rugalmas (optoelektronikai) eszközök készítésére.

2. GaN alapú anyagok kristályszerkezete

A kristályszerkezet típusa

A GaN alapú anyagok elsősorban a GaN, InN, AlN és ezek három- és kvaterner szilárd oldatai, amelyek három kristályszerkezetű wurtzit, szfalerit és kősó, amelyek közül a wurtzit szerkezet a legstabilabb. A szfalerit szerkezet egy metastabil fázis, amely magas hőmérsékleten wurtzit szerkezetté alakulhat át, és alacsonyabb hőmérsékleten halmozási hibák formájában létezhet a wurtzit szerkezetben. A kősószerkezet a GaN nagynyomású fázisa, és csak rendkívül magas nyomású körülmények között jelenhet meg.

A kristálysíkok és a kristályminőség jellemzése

A gyakori kristálysíkok közé tartozik a poláris c-sík, félpoláris s-sík, r-sík, n-sík, valamint a nem poláris a- és m-sík. Általában a zafír és Si szubsztrátumokon epitaxiával nyert GaN alapú vékony filmek c-sík kristályorientációjúak.

3. Epitaxia technológiai követelmények és megvalósítási megoldások

Technológiai változás szükségessége

Az informatizálás és az intelligencia fejlődésével az optoelektronikai eszközök és az elektronikai eszközök iránti kereslet alacsony költségű és rugalmassá válik. Ezen igények kielégítése érdekében szükséges a GaN alapú anyagok meglévő epitaxiális technológiájának megváltoztatása, különös tekintettel az alacsony hőmérsékleten kivitelezhető epitaxiális technológia fejlesztésére, amely alkalmazkodik az amorf szubsztrátumok jellemzőihez.

Alacsony hőmérsékletű epitaxiális technológia fejlesztése

elvein alapuló alacsony hőmérsékletű epitaxiális technológiafizikai gőzleválasztás (PVD)éskémiai gőzleválasztás (CVD), beleértve a reaktív magnetronos porlasztást, a plazmával segített MBE-t (PA-MBE), az impulzusos lézeres leválasztást (PLD), az impulzusos porlasztásos leválasztást (PSD), a lézerrel segített MBE-t (LMBE), a távoli plazma-CVD-t (RPCVD), a migrációval javított utófényes CVD-t ( MEA-CVD), távoli plazma fokozott MOCVD (RPEMOCVD), aktivitásnövelt MOCVD (REMOCVD), elektronciklotron rezonancia plazma fokozott MOCVD (ECR-PEMOCVD) és induktív csatolású plazma MOCVD (ICP-MOCVD) stb.

4. PVD elven alapuló alacsony hőmérsékletű epitaxiás technológia

Technológiai típusok

Beleértve a reaktív magnetronos porlasztást, a plazmával segített MBE-t (PA-MBE), az impulzusos lézeres leválasztást (PLD), az impulzusos porlasztásos leválasztást (PSD) és a lézerrel segített MBE-t (LMBE).

Műszaki jellemzők

Ezek a technológiák azáltal biztosítanak energiát, hogy külső tércsatolást használnak a reakcióforrás alacsony hőmérsékleten történő ionizálására, ezáltal csökkentve a repedési hőmérsékletet, és elérve a GaN-alapú anyagok alacsony hőmérsékletű epitaxiális növekedését. Például a reaktív magnetron porlasztási technológia mágneses mezőt vezet be a porlasztási folyamat során, hogy növelje az elektronok kinetikus energiáját, és növelje az N2-vel és Ar-val való ütközés valószínűségét, hogy fokozza a célporlasztást. Ugyanakkor képes a nagy sűrűségű plazmát a célpont fölé korlátozni, és csökkenteni tudja az ionok bombázását a hordozón.

Kihívások

Bár ezeknek a technológiáknak a fejlődése lehetővé tette az olcsó és rugalmas optoelektronikai eszközök készítését, a növekedés minősége, a berendezések összetettsége és költsége terén is kihívásokkal néznek szembe. Például a PVD technológia általában nagy vákuumfokozatot igényel, ami hatékonyan elnyomja az előreakciót, és bevezethet néhány olyan in situ megfigyelő berendezést, amelynek nagy vákuum alatt kell működnie (például RHEED, Langmuir szonda stb.), de ez növeli a nehézséget. nagy felületű egyenletes lerakódás, és a nagy vákuum üzemeltetési és karbantartási költsége magas.

5. Alacsony hőmérsékletű epitaxiális technológia CVD elven

Technológiai típusok

Beleértve a távoli plazma-CVD-t (RPCVD), a migrációval javított utófényes CVD-t (MEA-CVD), a távoli plazmával javított MOCVD-t (RPEMOCVD), az aktivitásnövelt MOCVD-t (REMOCVD), az elektronciklotron-rezonanciával javított plazma-MOCVD-t (ECR-PEMOCVD) és az induktív csatolású plazma MOCVD-t ( ICP-MOCVD).

Technikai előnyök

Ezek a technológiák különböző plazmaforrások és reakciómechanizmusok használatával érik el a III-nitrid félvezető anyagok, például a GaN és az InN növekedését alacsonyabb hőmérsékleten, ami elősegíti a nagy területen egyenletes lerakódást és a költségek csökkentését. Például a távoli plazma-CVD (RPCVD) technológia ECR-forrást használ plazmagenerátorként, amely egy alacsony nyomású plazmagenerátor, amely nagy sűrűségű plazmát képes előállítani. Ugyanakkor a plazma lumineszcencia spektroszkópia (OES) technológiája révén az N2+-hoz kapcsolódó 391 nm-es spektrum a szubsztrát felett szinte kimutathatatlan, ezáltal csökken a minta felületének nagy energiájú ionokkal való bombázása.

Javítsa a kristály minőségét

Az epitaxiális réteg kristályminőségét javítja a nagy energiájú töltött részecskék hatékony szűrése. Például a MEA-CVD technológia HCP-forrást használ az RPCVD ECR plazmaforrásának helyettesítésére, így alkalmasabbá teszi nagy sűrűségű plazma előállítására. A HCP forrás előnye, hogy nincs kvarc dielektromos ablak okozta oxigénszennyeződés, és nagyobb a plazmasűrűsége, mint a kapacitív csatolású (CCP) plazmaforrásé.

6. Összegzés és kitekintés

Az alacsony hőmérsékletű epitaxiás technológia jelenlegi állása

Szakirodalmi kutatások és elemzések révén körvonalazódik az alacsony hőmérsékletű epitaxiás technológia jelenlegi állapota, beleértve a műszaki jellemzőket, a berendezés szerkezetét, a munkakörülményeket és a kísérleti eredményeket. Ezek a technológiák külső tércsatoláson keresztül biztosítják az energiát, hatékonyan csökkentik a növekedési hőmérsékletet, alkalmazkodnak az amorf szubsztrátumok jellemzőihez, és lehetőséget adnak olcsó és rugalmas (opto) elektronikai eszközök készítésére.

A jövő kutatási irányai

Az alacsony hőmérsékletű epitaxiás technológiának széles körű alkalmazási lehetőségei vannak, de még csak a kutatási szakaszban van. A mérnöki alkalmazásokban felmerülő problémák megoldásához mélyreható kutatásra van szükség mind a berendezés, mind a folyamat szempontjából. Például tovább kell vizsgálni, hogyan lehet nagyobb sűrűségű plazmát nyerni, figyelembe véve a plazmában jelentkező ionszűrési problémát; hogyan kell megtervezni a gázhomogenizáló berendezés szerkezetét az üregben zajló előreakció hatékony elnyomására alacsony hőmérsékleten; hogyan kell megtervezni az alacsony hőmérsékletű epitaxiális berendezés fűtőjét úgy, hogy elkerülhető legyen a szikraképződés vagy az elektromágneses mező, amely egy adott üregnyomáson befolyásolja a plazmát.

Várható hozzájárulás

Ez a terület várhatóan potenciális fejlesztési irány lesz, és jelentős mértékben hozzájárul az optoelektronikai eszközök következő generációjának fejlesztéséhez. A kutatók fokozott figyelmével és erőteljes támogatásával ez a terület a jövőben potenciális fejlesztési irányokká nő, és jelentősen hozzájárul az (optoelektronikai) eszközök következő generációjának fejlesztéséhez.