GaN-basert lavtemperatur-epitaksiteknologi

1. Betydningen av GaN-baserte materialer

GaN-baserte halvledermaterialer er mye brukt i fremstillingen av optoelektroniske enheter, kraftelektroniske enheter og radiofrekvensmikrobølgeenheter på grunn av deres utmerkede egenskaper som brede båndgap-egenskaper, høy nedbrytningsfeltstyrke og høy termisk ledningsevne. Disse enhetene har blitt mye brukt i bransjer som halvlederbelysning, solid-state ultrafiolette lyskilder, solcellepaneler, laserdisplay, fleksible skjermer, mobilkommunikasjon, strømforsyninger, nye energikjøretøyer, smarte nett, etc., og teknologien og markedet blir mer modent.

Begrensninger ved tradisjonell epitaksiteknologi

Tradisjonelle epitaksielle vekstteknologier for GaN-baserte materialer som f.eksMOCVDogMBEkrever vanligvis høye temperaturforhold, som ikke er anvendelige for amorfe substrater som glass og plast fordi disse materialene ikke tåler høyere veksttemperaturer. For eksempel vil vanlige floatglass mykne under forhold som overstiger 600°C. Etterspørsel etter lav temperaturepitaksi teknologi: Med den økende etterspørselen etter rimelige og fleksible optoelektroniske (elektroniske) enheter, er det etterspørsel etter epitaksielt utstyr som bruker ekstern elektrisk feltenergi til å knekke reaksjonsforløpere ved lave temperaturer. Denne teknologien kan utføres ved lave temperaturer, tilpasse seg egenskapene til amorfe substrater, og gir muligheten for å lage rimelige og fleksible (optoelektroniske) enheter.

2. Krystallstruktur av GaN-baserte materialer

Krystallstruktur type

GaN-baserte materialer inkluderer hovedsakelig GaN, InN, AlN og deres ternære og kvartære faste løsninger, med tre krystallstrukturer av wurtzite, sphaleritt og steinsalt, blant hvilke wurtzite-strukturen er den mest stabile. Sfalerittstrukturen er en metastabil fase, som kan omdannes til wurtzittstrukturen ved høy temperatur, og kan eksistere i wurtzittstrukturen i form av stablingsfeil ved lavere temperaturer. Bergsaltstrukturen er høytrykksfasen til GaN og kan bare vises under ekstremt høye trykkforhold.

Karakterisering av krystallplan og krystallkvalitet

Vanlige krystallplan inkluderer polart c-plan, semi-polart s-plan, r-plan, n-plan og ikke-polart a-plan og m-plan. Vanligvis er de GaN-baserte tynne filmene oppnådd ved epitaksi på safir- og Si-substrater c-plane krystallorienteringer.

3. Krav til epitaksyteknologi og implementeringsløsninger

Nødvendigheten av teknologiske endringer

Med utviklingen av informatisering og intelligens har etterspørselen etter optoelektroniske enheter og elektroniske enheter en tendens til å være rimelige og fleksible. For å møte disse behovene er det nødvendig å endre den eksisterende epitaksiale teknologien til GaN-baserte materialer, spesielt for å utvikle epitaksial teknologi som kan utføres ved lave temperaturer for å tilpasse seg egenskapene til amorfe substrater.

Utvikling av lavtemperatur epitaksial teknologi

Lavtemperatur epitaksial teknologi basert på prinsippene omfysisk dampavsetning (PVD)ogkjemisk dampavsetning (CVD), inkludert reaktiv magnetronforstøvning, plasmaassistert MBE (PA-MBE), pulsert laseravsetning (PLD), pulsert sputterdeponering (PSD), laserassistert MBE (LMBE), fjernplasma-CVD (RPCVD), migrasjonsforsterket etterglød-CVD ( MEA-CVD), ekstern plasmaforsterket MOCVD (RPEMOCVD), aktivitetsforbedret MOCVD (REMOCVD), elektronsyklotronresonansplasmaforsterket MOCVD (ECR-PEMOCVD) og induktivt koblet plasma MOCVD (ICP-MOCVD), etc.

4. Lavtemperatur-epitaksiteknologi basert på PVD-prinsippet

Teknologityper

Inkludert reaktiv magnetronforstøvning, plasmaassistert MBE (PA-MBE), pulsert laseravsetning (PLD), pulsert sputteringsavsetning (PSD) og laserassistert MBE (LMBE).

Tekniske egenskaper

Disse teknologiene gir energi ved å bruke ekstern feltkobling for å ionisere reaksjonskilden ved lav temperatur, og dermed redusere dens crackingstemperatur og oppnå lavtemperatur epitaksial vekst av GaN-baserte materialer. For eksempel introduserer reaktiv magnetronforstøvningsteknologi et magnetfelt under sputterprosessen for å øke den kinetiske energien til elektroner og øke sannsynligheten for kollisjon med N2 og Ar for å forbedre målforstøvningen. Samtidig kan det også begrense plasma med høy tetthet over målet og redusere bombardementet av ioner på underlaget.

Utfordringer

Selv om utviklingen av disse teknologiene har gjort det mulig å utarbeide rimelige og fleksible optoelektroniske enheter, møter de også utfordringer når det gjelder vekstkvalitet, utstyrskompleksitet og kostnader. For eksempel krever PVD-teknologi vanligvis en høy vakuumgrad, som effektivt kan undertrykke forreaksjon og introdusere noe in-situ overvåkingsutstyr som må fungere under høyvakuum (som RHEED, Langmuir-sonde, etc.), men det øker vanskeligheten av jevn avsetning på stort område, og drifts- og vedlikeholdskostnadene ved høyvakuum er høye.

5. Lavtemperatur epitaksial teknologi basert på CVD-prinsippet

Teknologityper

Inkludert ekstern plasma CVD (RPCVD), migrasjonsforsterket etterglødende CVD (MEA-CVD), ekstern plasmaforsterket MOCVD (RPEMOCVD), aktivitetsforbedret MOCVD (REMOCVD), elektronsyklotronresonans plasmaforsterket MOCVD (ECR-PEMOCVD) og induktivt koblet plasma MOCVD ( ICP-MOCVD).

Tekniske fordeler

Disse teknologiene oppnår veksten av III-nitrid-halvledermaterialer som GaN og InN ved lavere temperaturer ved å bruke forskjellige plasmakilder og reaksjonsmekanismer, noe som bidrar til jevn avsetning i stort område og kostnadsreduksjon. For eksempel bruker ekstern plasma CVD (RPCVD) teknologi en ECR-kilde som plasmagenerator, som er en lavtrykksplasmagenerator som kan generere plasma med høy tetthet. Samtidig, gjennom plasmaluminescensspektroskopi (OES)-teknologien, er 391 nm-spekteret assosiert med N2+ nesten ikke-detekterbart over substratet, og reduserer dermed bombardementet av prøveoverflaten av høyenergi-ioner.

Forbedre krystallkvaliteten

Krystallkvaliteten til det epitaksiale laget forbedres ved å effektivt filtrere ladede partikler med høy energi. For eksempel bruker MEA-CVD-teknologi en HCP-kilde for å erstatte ECR-plasmakilden til RPCVD, noe som gjør den mer egnet for å generere plasma med høy tetthet. Fordelen med HCP-kilden er at det ikke er oksygenforurensning forårsaket av det dielektriske kvartsvinduet, og den har en høyere plasmatetthet enn den kapasitive koblingen (CCP) plasmakilden.

6. Sammendrag og Outlook

Den nåværende statusen til lavtemperatur-epitaksiteknologi

Gjennom litteraturforskning og analyse skisseres den nåværende statusen til lavtemperatur-epitaksiteknologi, inkludert tekniske egenskaper, utstyrsstruktur, arbeidsforhold og eksperimentelle resultater. Disse teknologiene gir energi gjennom ekstern feltkobling, reduserer effektivt veksttemperaturen, tilpasser seg egenskapene til amorfe substrater, og gir mulighet for å lage rimelige og fleksible (opto) elektroniske enheter.

Fremtidige forskningsretninger

Lavtemperatur-epitaksiteknologi har brede anvendelsesmuligheter, men den er fortsatt i det utforskende stadiet. Det krever dyptgående forskning fra både utstyr og prosessaspekter for å løse problemer i ingeniørapplikasjoner. For eksempel er det nødvendig å studere videre hvordan man oppnår et plasma med høyere tetthet mens man vurderer ionefiltreringsproblemet i plasmaet; hvordan utforme strukturen til gasshomogeniseringsanordningen for å effektivt undertrykke forreaksjonen i hulrommet ved lave temperaturer; hvordan utforme varmeren til lavtemperatur-epitaksialutstyret for å unngå gnistdannelse eller elektromagnetiske felt som påvirker plasmaet ved et spesifikt hulromstrykk.

Forventet bidrag

Det forventes at dette feltet vil bli en potensiell utviklingsretning og gi viktige bidrag til utviklingen av neste generasjon optoelektroniske enheter. Med den sterke oppmerksomheten og den kraftige promoteringen av forskere, vil dette feltet vokse til en potensiell utviklingsretning i fremtiden og gi viktige bidrag til utviklingen av neste generasjon (optoelektroniske) enheter.