GaN-baseret lavtemperatur-epitaksiteknologi

1. Betydningen af ​​GaN-baserede materialer

GaN-baserede halvledermaterialer bruges i vid udstrækning til fremstilling af optoelektroniske enheder, kraftelektroniske enheder og radiofrekvensmikrobølgeenheder på grund af deres fremragende egenskaber såsom bred båndgab karakteristika, høj nedbrydningsfeltstyrke og høj termisk ledningsevne. Disse enheder er blevet brugt i vid udstrækning i industrier såsom halvlederbelysning, solid-state ultraviolette lyskilder, solcelleanlæg, laserdisplay, fleksible skærme, mobilkommunikation, strømforsyninger, nye energikøretøjer, smarte net osv., og teknologien og markedet bliver mere modent.

Begrænsninger af traditionel epitaksiteknologi

Traditionelle epitaksielle vækstteknologier til GaN-baserede materialer som f.eksMOCVDogMBEkræver normalt høje temperaturforhold, som ikke er anvendelige til amorfe substrater såsom glas og plast, fordi disse materialer ikke kan modstå højere væksttemperaturer. For eksempel vil almindeligt anvendte floatglas blødgøres under forhold, der overstiger 600°C. Efterspørgsel efter lav temperaturepitaksi teknologi: Med den stigende efterspørgsel efter billige og fleksible optoelektroniske (elektroniske) enheder, er der en efterspørgsel efter epitaksialt udstyr, der bruger ekstern elektrisk feltenergi til at knække reaktionsforstadier ved lave temperaturer. Denne teknologi kan udføres ved lave temperaturer, tilpasse sig karakteristikaene af amorfe substrater og giver mulighed for at fremstille billige og fleksible (optoelektroniske) enheder.

2. Krystalstruktur af GaN-baserede materialer

Krystal struktur type

GaN-baserede materialer omfatter hovedsageligt GaN, InN, AlN og deres ternære og kvaternære faste opløsninger med tre krystalstrukturer af wurtzite, sphalerit og stensalt, blandt hvilke wurtzite-strukturen er den mest stabile. Sphaleritstrukturen er en metastabil fase, som kan omdannes til wurtzitstrukturen ved høj temperatur, og kan eksistere i wurtzitstrukturen i form af stablingsfejl ved lavere temperaturer. Stensaltstrukturen er højtryksfasen af ​​GaN og kan kun optræde under ekstremt høje trykforhold.

Karakterisering af krystalplaner og krystalkvalitet

Almindelige krystalplaner omfatter polært c-plan, semi-polært s-plan, r-plan, n-plan og ikke-polært a-plan og m-plan. Normalt er de GaN-baserede tynde film opnået ved epitaksi på safir- og Si-substrater c-plan krystalorienteringer.

3. Epitaxy-teknologikrav og implementeringsløsninger

Nødvendigheden af ​​teknologisk forandring

Med udviklingen af ​​informatisering og intelligens har efterspørgslen efter optoelektroniske enheder og elektroniske enheder en tendens til at være billige og fleksible. For at imødekomme disse behov er det nødvendigt at ændre den eksisterende epitaksiale teknologi af GaN-baserede materialer, især for at udvikle epitaksial teknologi, der kan udføres ved lave temperaturer for at tilpasse sig karakteristikaene af amorfe substrater.

Udvikling af lavtemperatur epitaksial teknologi

Lav-temperatur epitaksial teknologi baseret på principperne omfysisk dampaflejring (PVD)ogkemisk dampaflejring (CVD), herunder reaktiv magnetronforstøvning, plasma-assisteret MBE (PA-MBE), pulseret laseraflejring (PLD), pulseret sputter-aflejring (PSD), laserassisteret MBE (LMBE), fjernplasma-CVD (RPCVD), migrationsforstærket efterglød-CVD ( MEA-CVD), fjernplasmaforstærket MOCVD (RPEMOCVD), aktivitetsforøget MOCVD (REMOCVD), elektroncyklotronresonansplasmaforstærket MOCVD (ECR-PEMOCVD) og induktivt koblet plasma-MOCVD (ICP-MOCVD) osv.

4. Lavtemperatur-epitaksiteknologi baseret på PVD-princippet

Teknologityper

Inklusive reaktiv magnetronforstøvning, plasma-assisteret MBE (PA-MBE), pulseret laserdeposition (PLD), pulsed sputtering-deposition (PSD) og laser-assisteret MBE (LMBE).

Tekniske funktioner

Disse teknologier giver energi ved at bruge ekstern feltkobling til at ionisere reaktionskilden ved lav temperatur og derved reducere dens krakningstemperatur og opnå lavtemperatur epitaksial vækst af GaN-baserede materialer. For eksempel introducerer reaktiv magnetronforstøvningsteknologi et magnetfelt under sputteringsprocessen for at øge elektronernes kinetiske energi og øge sandsynligheden for kollision med N2 og Ar for at forbedre målforstøvning. Samtidig kan det også begrænse højdensitetsplasma over målet og reducere bombardementet af ioner på substratet.

Udfordringer

Selvom udviklingen af ​​disse teknologier har gjort det muligt at fremstille billige og fleksible optoelektroniske enheder, står de også over for udfordringer med hensyn til vækstkvalitet, udstyrskompleksitet og omkostninger. For eksempel kræver PVD-teknologi normalt en høj vakuumgrad, som effektivt kan undertrykke forreaktion og introducere noget in-situ overvågningsudstyr, der skal arbejde under højvakuum (såsom RHEED, Langmuir-sonde osv.), men det øger vanskeligheden af ensartet aflejring på stort område, og drifts- og vedligeholdelsesomkostningerne ved højvakuum er høje.

5. Lavtemperatur epitaksial teknologi baseret på CVD princippet

Teknologityper

Inklusive remote plasma CVD (RPCVD), migration enhanced afterglow CVD (MEA-CVD), remote plasma enhanced MOCVD (RPEMOCVD), aktivitetsforstærket MOCVD (REMOCVD), elektron cyclotron resonance plasma enhanced MOCVD (ECR-PEMOCVD) og induktivt koblet plasma MOCVD ( ICP-MOCVD).

Tekniske fordele

Disse teknologier opnår væksten af ​​III-nitrid-halvledermaterialer såsom GaN og InN ved lavere temperaturer ved at bruge forskellige plasmakilder og reaktionsmekanismer, hvilket er befordrende for ensartet afsætning i stort område og omkostningsreduktion. For eksempel bruger fjernplasma CVD (RPCVD) teknologi en ECR-kilde som plasmagenerator, som er en lavtryksplasmagenerator, der kan generere plasma med høj densitet. Samtidig er 391 nm-spektret forbundet med N2+ gennem plasmaluminescensspektroskopi-teknologien (OES) næsten ikke-detekterbart over substratet, hvorved bombardementet af prøveoverfladen af ​​højenergi-ioner reduceres.

Forbedre krystalkvaliteten

Krystalkvaliteten af ​​det epitaksiale lag forbedres ved effektivt at filtrere højenergiladede partikler. For eksempel bruger MEA-CVD-teknologien en HCP-kilde til at erstatte ECR-plasmakilden til RPCVD, hvilket gør den mere egnet til at generere højdensitetsplasma. Fordelen ved HCP-kilden er, at der ikke er nogen iltforurening forårsaget af det dielektriske kvartsvindue, og den har en højere plasmadensitet end den kapacitive kobling (CCP) plasmakilden.

6. Resumé og Outlook

Den nuværende status for lavtemperaturepitaksiteknologi

Gennem litteraturforskning og -analyse skitseres den nuværende status for lavtemperaturepitaksiteknologi, herunder tekniske karakteristika, udstyrsstruktur, arbejdsforhold og eksperimentelle resultater. Disse teknologier giver energi gennem ekstern feltkobling, reducerer effektivt væksttemperaturen, tilpasser sig karakteristikaene for amorfe substrater og giver mulighed for at fremstille billige og fleksible (opto) elektroniske enheder.

Fremtidige forskningsretninger

Lavtemperatur-epitaxiteknologi har brede anvendelsesmuligheder, men den er stadig i den udforskende fase. Det kræver dybdegående forskning fra både udstyrs- og procesaspekterne for at løse problemer i tekniske applikationer. For eksempel er det nødvendigt at undersøge yderligere, hvordan man opnår et plasma med højere densitet, mens man overvejer ionfiltreringsproblemet i plasmaet; hvordan man designer strukturen af ​​gashomogeniseringsanordningen for effektivt at undertrykke forreaktionen i hulrummet ved lave temperaturer; hvordan man designer varmelegemet til lavtemperatur-epitaksialudstyret for at undgå gnistdannelse eller elektromagnetiske felter, der påvirker plasmaet ved et bestemt hulrumstryk.

Forventet bidrag

Det forventes, at dette felt vil blive en potentiel udviklingsretning og give vigtige bidrag til udviklingen af ​​den næste generation af optoelektroniske enheder. Med forskernes skarpe opmærksomhed og kraftige promovering vil dette felt vokse til en potentiel udviklingsretning i fremtiden og yde vigtige bidrag til udviklingen af ​​den næste generation af (optoelektroniske) enheder.