Tehnologija nizkotemperaturne epitaksije na osnovi GaN

1. Pomen materialov na osnovi GaN

Polprevodniški materiali na osnovi GaN se pogosto uporabljajo pri pripravi optoelektronskih naprav, močnostnih elektronskih naprav in radiofrekvenčnih mikrovalovnih naprav zaradi svojih odličnih lastnosti, kot so značilnosti širokega pasovnega razmika, visoka prebojna poljska jakost in visoka toplotna prevodnost. Te naprave se pogosto uporabljajo v panogah, kot so polprevodniška razsvetljava, polprevodniški viri ultravijolične svetlobe, sončna fotovoltaika, laserski zasloni, prilagodljivi zasloni, mobilne komunikacije, napajalniki, nova energetska vozila, pametna omrežja itd., ter tehnologija in trg postaja vse bolj zrel.

Omejitve tradicionalne tehnologije epitaksije

Tradicionalne tehnologije epitaksialne rasti za materiale na osnovi GaN, kot je nprMOKVBinMBEobičajno zahtevajo visoke temperaturne pogoje, ki niso uporabni za amorfne podlage, kot sta steklo in plastika, ker ti materiali ne prenesejo višjih temperatur rasti. Na primer, običajno uporabljeno float steklo se bo zmehčalo pri pogojih nad 600 °C. Zahteva po nizkih temperaturahtehnologija epitaksije: Z naraščajočim povpraševanjem po poceni in prilagodljivih optoelektronskih (elektronskih) napravah obstaja povpraševanje po epitaksialni opremi, ki uporablja energijo zunanjega električnega polja za razbijanje reakcijskih prekurzorjev pri nizkih temperaturah. To tehnologijo lahko izvajamo pri nizkih temperaturah, prilagajamo se lastnostim amorfnih substratov in zagotavljamo možnost priprave poceni in fleksibilnih (optoelektronskih) naprav.

2. Kristalna struktura materialov na osnovi GaN

Vrsta kristalne strukture

Materiali na osnovi GaN vključujejo predvsem GaN, InN, AlN in njihove ternarne in kvartarne trdne raztopine s tremi kristalnimi strukturami wurtzita, sfalerita in kamene soli, med katerimi je wurtzitna struktura najbolj stabilna. Struktura sfalerita je metastabilna faza, ki se lahko pri visoki temperaturi spremeni v strukturo wurtzita, pri nižjih temperaturah pa lahko obstaja v strukturi wurtzita v obliki napak zlaganja. Struktura kamene soli je visokotlačna faza GaN in se lahko pojavi samo v pogojih izjemno visokega tlaka.

Karakterizacija kristalnih ravnin in kakovost kristalov

Običajne kristalne ravnine vključujejo polarno c-ravnino, polpolarno s-ravnino, r-ravnino, n-ravnino ter nepolarno a-ravnino in m-ravnino. Običajno so tanki filmi na osnovi GaN, pridobljeni z epitaksijo na substratih safirja in Si, kristalno usmerjeni v c-ravnini.

3. Tehnološke zahteve epitaksije in izvedbene rešitve

Nujnost tehnoloških sprememb

Z razvojem informatizacije in inteligence postaja povpraševanje po optoelektronskih napravah in elektronskih napravah nizkocenovno in fleksibilno. Da bi zadostili tem potrebam, je treba spremeniti obstoječo epitaksialno tehnologijo materialov na osnovi GaN, zlasti razviti epitaksialno tehnologijo, ki jo je mogoče izvajati pri nizkih temperaturah, da se prilagodi značilnostim amorfnih substratov.

Razvoj nizkotemperaturne epitaksialne tehnologije

Nizkotemperaturna epitaksialna tehnologija, ki temelji na načelihfizično naparjanje (PVD)inkemično nanašanje iz pare (KVB), vključno z reaktivnim magnetronskim razprševanjem, MBE s pomočjo plazme (PA-MBE), pulznim laserskim nanašanjem (PLD), pulznim nanašanjem z razprševanjem (PSD), lasersko podprtim MBE (LMBE), CVD s plazmo na daljavo (RPCVD), CVD s povišanim sevanjem migracije ( MEA-CVD), MOCVD s povečano plazmo na daljavo (RPEMOCVD), MOCVD s povečano aktivnostjo (REMOCVD), MOCVD z elektronsko ciklotronsko resonanco s plazmo (ECR-PEMOCVD) in MOCVD z induktivno sklopljeno plazmo (ICP-MOCVD) itd.

4. Tehnologija nizkotemperaturne epitaksije, ki temelji na principu PVD

Tehnološke vrste

Vključno z reaktivnim magnetronskim razprševanjem, plazemsko podprtim MBE (PA-MBE), impulznim laserskim nanašanjem (PLD), impulznim razprševanjem (PSD) in lasersko podprtim MBE (LMBE).

Tehnične lastnosti

Te tehnologije zagotavljajo energijo z uporabo sklopitve zunanjega polja za ionizacijo reakcijskega vira pri nizki temperaturi, s čimer se zmanjša njegova temperatura razpokanja in doseže nizkotemperaturna epitaksialna rast materialov na osnovi GaN. Tehnologija reaktivnega magnetronskega razprševanja na primer uvaja magnetno polje med postopkom razprševanja, da poveča kinetično energijo elektronov in poveča verjetnost trčenja z N2 in Ar, da izboljša razprševanje ciljev. Hkrati lahko tudi omeji plazmo visoke gostote nad tarčo in zmanjša obstreljevanje z ioni na podlago.

Izzivi

Čeprav je razvoj teh tehnologij omogočil pripravo poceni in prilagodljivih optoelektronskih naprav, se soočajo tudi z izzivi glede kakovosti rasti, kompleksnosti opreme in stroškov. Tehnologija PVD na primer običajno zahteva visoko stopnjo vakuuma, ki lahko učinkovito zatre predreakcijo in uvede nekaj opreme za spremljanje na kraju samem, ki mora delovati pod visokim vakuumom (kot je RHEED, Langmuirjeva sonda itd.), vendar poveča težavo enakomernega nanašanja velike površine, stroški delovanja in vzdrževanja visokega vakuuma pa so visoki.

5. Nizkotemperaturna epitaksialna tehnologija, ki temelji na principu KVB

Tehnološke vrste

Vključno z daljinsko plazemsko CVD (RPCVD), migracijsko izboljšano naknadno žarečo CVD (MEA-CVD), oddaljeno plazma izboljšano MOCVD (RPEMOCVD), aktivnostno izboljšano MOCVD (REMOCVD), elektronsko ciklotronsko resonančno plazmo izboljšano MOCVD (ECR-PEMOCVD) in induktivno sklopljeno plazmo MOCVD ( ICP-MOCVD).

Tehnične prednosti

Te tehnologije dosegajo rast polprevodniških materialov III-nitridov, kot sta GaN in InN, pri nižjih temperaturah z uporabo različnih virov plazme in reakcijskih mehanizmov, kar vodi k enakomernemu nanašanju velike površine in zmanjšanju stroškov. Na primer, tehnologija CVD z oddaljeno plazmo (RPCVD) uporablja vir ECR kot generator plazme, ki je nizkotlačni generator plazme, ki lahko ustvari plazmo z visoko gostoto. Hkrati je s tehnologijo plazemske luminiscenčne spektroskopije (OES) spekter 391 nm, povezan z N2+, skoraj nezaznaven nad substratom, s čimer se zmanjša bombardiranje površine vzorca z visokoenergijskimi ioni.

Izboljšajte kakovost kristalov

Kakovost kristalov epitaksialne plasti je izboljšana z učinkovitim filtriranjem visokoenergijsko nabitih delcev. Na primer, tehnologija MEA-CVD uporablja vir HCP za zamenjavo ECR plazemskega vira RPCVD, zaradi česar je bolj primeren za ustvarjanje plazme z visoko gostoto. Prednost vira HCP je, da ni onesnaženja s kisikom, ki bi ga povzročilo kvarčno dielektrično okno, in ima večjo gostoto plazme kot vir plazme s kapacitivno sklopko (CCP).

6. Povzetek in obeti

Trenutno stanje tehnologije nizkotemperaturne epitaksije

Z raziskavo in analizo literature je orisan trenutni status tehnologije nizkotemperaturne epitaksije, vključno s tehničnimi lastnostmi, strukturo opreme, delovnimi pogoji in eksperimentalnimi rezultati. Te tehnologije zagotavljajo energijo s sklopitvijo zunanjega polja, učinkovito znižujejo rastno temperaturo, prilagajajo se lastnostim amorfnih substratov in zagotavljajo možnost priprave poceni in fleksibilnih (opto)elektronskih naprav.

Prihodnje raziskovalne smeri

Tehnologija nizkotemperaturne epitaksije ima široke možnosti uporabe, vendar je še vedno v fazi raziskovanja. Za reševanje problemov v inženirskih aplikacijah so potrebne poglobljene raziskave z vidika opreme in procesa. Na primer, treba je nadalje preučiti, kako pridobiti plazmo z višjo gostoto ob upoštevanju problema ionskega filtriranja v plazmi; kako zasnovati strukturo naprave za homogenizacijo plina za učinkovito zatiranje predreakcije v votlini pri nizkih temperaturah; kako zasnovati grelec nizkotemperaturne epitaksialne opreme, da se izognemo iskrenju ali elektromagnetnim poljem, ki vplivajo na plazmo pri določenem tlaku v votlini.

Pričakovan prispevek

Pričakuje se, da bo to področje postalo potencialna razvojna smer in pomembno prispevalo k razvoju naslednje generacije optoelektronskih naprav. Ob veliki pozornosti in močni promociji raziskovalcev bo to področje v prihodnosti preraslo v potencialno razvojno smer in pomembno prispevalo k razvoju naslednje generacije (optoelektronskih) naprav.