GaN-baserad epitaxiteknik för låg temperatur

1. Vikten av GaN-baserade material

GaN-baserade halvledarmaterial används i stor utsträckning vid framställning av optoelektroniska enheter, kraftelektroniska enheter och radiofrekvensmikrovågsenheter på grund av deras utmärkta egenskaper såsom brett bandgap-egenskaper, hög nedbrytningsfältstyrka och hög värmeledningsförmåga. Dessa enheter har använts i stor utsträckning inom industrier som halvledarbelysning, solid-state ultravioletta ljuskällor, solceller, laserdisplay, flexibla bildskärmar, mobil kommunikation, strömförsörjning, nya energifordon, smarta nät, etc., och tekniken och marknaden blir mognare.

Begränsningar för traditionell epitaxiteknik

Traditionella epitaxiella tillväxtteknologier för GaN-baserade material som t.exMOCVDochMBEkräver vanligtvis höga temperaturförhållanden, som inte är tillämpliga på amorfa substrat som glas och plast eftersom dessa material inte tål högre tillväxttemperaturer. Till exempel kommer vanligt använda floatglas att mjukna under förhållanden som överstiger 600°C. Efterfrågan på låg temperaturepitaxiteknik: Med den ökande efterfrågan på billiga och flexibla optoelektroniska (elektroniska) enheter, finns det en efterfrågan på epitaxiell utrustning som använder extern elektrisk fältenergi för att spricka reaktionsprekursorer vid låga temperaturer. Denna teknik kan utföras vid låga temperaturer, anpassa sig till egenskaperna hos amorfa substrat och ger möjlighet att förbereda billiga och flexibla (optoelektroniska) enheter.

2. Kristallstruktur av GaN-baserade material

Kristallstruktur typ

GaN-baserade material inkluderar huvudsakligen GaN, InN, AlN och deras ternära och kvartära fasta lösningar, med tre kristallstrukturer av wurtzit, sfalerit och bergsalt, bland vilka wurtzitestrukturen är den mest stabila. Sfaleritstrukturen är en metastabil fas, som kan omvandlas till wurtzitestrukturen vid hög temperatur, och kan existera i wurtzitestrukturen i form av staplingsfel vid lägre temperaturer. Stensaltstrukturen är högtrycksfasen av GaN och kan endast uppträda under extremt höga tryckförhållanden.

Karakterisering av kristallplan och kristallkvalitet

Vanliga kristallplan inkluderar polärt c-plan, semi-polärt s-plan, r-plan, n-plan och opolärt a-plan och m-plan. Vanligtvis är de GaN-baserade tunna filmerna som erhålls genom epitaxi på safir- och Si-substrat c-planskristallorientering.

3. Krav på epitaxiteknik och implementeringslösningar

Nödvändigheten av teknisk förändring

Med utvecklingen av informatisering och intelligens tenderar efterfrågan på optoelektroniska enheter och elektroniska enheter att vara låg kostnad och flexibel. För att möta dessa behov är det nödvändigt att ändra den befintliga epitaxialteknologin för GaN-baserade material, särskilt för att utveckla epitaxiell teknologi som kan utföras vid låga temperaturer för att anpassa sig till egenskaperna hos amorfa substrat.

Utveckling av lågtemperatur epitaxial teknologi

Lågtemperatur epitaxial teknik baserad på principerna förfysisk ångavsättning (PVD)ochkemisk ångavsättning (CVD), inklusive reaktiv magnetronförstoftning, plasmaassisterad MBE (PA-MBE), pulsad laserdeposition (PLD), pulsad sputteringdeposition (PSD), laserassisterad MBE (LMBE), fjärrplasma-CVD (RPCVD), migrationsförstärkt efterglöd-CVD ( MEA-CVD), fjärrplasmaförstärkt MOCVD (RPEMOCVD), aktivitetsförstärkt MOCVD (REMOCVD), elektroncyklotronresonansplasmaförstärkt MOCVD (ECR-PEMOCVD) och induktivt kopplad plasma-MOCVD (ICP-MOCVD), etc.

4. Lågtemperatur epitaxiteknik baserad på PVD-principen

Tekniktyper

Inklusive reaktiv magnetronförstoftning, plasmaassisterad MBE (PA-MBE), pulsad laserdeposition (PLD), pulsad sputteringdeposition (PSD) och laserassisterad MBE (LMBE).

Tekniska egenskaper

Dessa teknologier tillhandahåller energi genom att använda extern fältkoppling för att jonisera reaktionskällan vid låg temperatur, och därigenom minska dess sprickningstemperatur och uppnå lågtemperatur epitaxiell tillväxt av GaN-baserade material. Till exempel introducerar reaktiv magnetronförstoftningsteknik ett magnetfält under förstoftningsprocessen för att öka den kinetiska energin hos elektroner och öka sannolikheten för kollision med N2 och Ar för att förbättra målförstoftning. Samtidigt kan det också begränsa högdensitetsplasma ovanför målet och minska bombarderingen av joner på substratet.

Utmaningar

Även om utvecklingen av dessa teknologier har gjort det möjligt att förbereda billiga och flexibla optoelektroniska enheter, står de också inför utmaningar när det gäller tillväxtkvalitet, utrustningskomplexitet och kostnad. Till exempel kräver PVD-teknik vanligtvis en hög vakuumgrad, vilket effektivt kan undertrycka förreaktion och introducera viss in-situ övervakningsutrustning som måste arbeta under högvakuum (som RHEED, Langmuir-sond, etc.), men det ökar svårigheten av likformig deponering på stort område, och drift- och underhållskostnaderna för högvakuum är höga.

5. Lågtemperatur epitaxial teknologi baserad på CVD princip

Tekniktyper

Inklusive fjärrplasma CVD (RPCVD), migrationsförstärkt efterglödande CVD (MEA-CVD), fjärrplasmaförstärkt MOCVD (RPEMOCVD), aktivitetsförstärkt MOCVD (REMOCVD), elektroncyklotronresonansplasmaförstärkt MOCVD (ECR-PEMOCVD) och induktivt kopplad plasma MOCVD ( ICP-MOCVD).

Tekniska fördelar

Dessa teknologier uppnår tillväxten av III-nitrid-halvledarmaterial som GaN och InN vid lägre temperaturer genom att använda olika plasmakällor och reaktionsmekanismer, vilket bidrar till enhetlig avsättning av stora ytor och kostnadsreduktion. Till exempel använder fjärrplasma CVD-teknik (RPCVD) en ECR-källa som plasmagenerator, vilket är en lågtrycksplasmagenerator som kan generera plasma med hög densitet. Samtidigt, genom plasmaluminescensspektroskopi (OES)-tekniken, är 391 nm-spektrumet associerat med N2+ nästan omöjligt att upptäcka ovanför substratet, vilket minskar bombarderingen av provytan av högenergijoner.

Förbättra kristallkvaliteten

Kristallkvaliteten på epitaxialskiktet förbättras genom att effektivt filtrera laddade partiklar med hög energi. Till exempel använder MEA-CVD-tekniken en HCP-källa för att ersätta ECR-plasmakällan för RPCVD, vilket gör den mer lämpad för att generera högdensitetsplasma. Fördelen med HCP-källan är att det inte finns någon syreförorening orsakad av det dielektriska kvartsfönstret, och den har en högre plasmadensitet än plasmakällan med kapacitiv koppling (CCP).

6. Sammanfattning och Outlook

Den nuvarande statusen för lågtemperaturepitaxiteknik

Genom litteraturforskning och analys skisseras den aktuella statusen för lågtemperaturepitaxiteknologi, inklusive tekniska egenskaper, utrustningsstruktur, arbetsförhållanden och experimentella resultat. Dessa teknologier tillhandahåller energi genom extern fältkoppling, reducerar effektivt tillväxttemperaturen, anpassar sig till egenskaperna hos amorfa substrat och ger möjligheten att förbereda billiga och flexibla (opto) elektroniska enheter.

Framtida forskningsriktningar

Lågtemperaturepitaxiteknik har breda tillämpningsmöjligheter, men den är fortfarande i ett utforskande skede. Det kräver djupgående forskning från både utrustnings- och processaspekterna för att lösa problem i tekniska tillämpningar. Till exempel är det nödvändigt att ytterligare studera hur man erhåller en plasma med högre densitet samtidigt som man beaktar jonfiltreringsproblemet i plasman; hur man utformar strukturen hos gashomogeniseringsanordningen för att effektivt undertrycka förreaktionen i kaviteten vid låga temperaturer; hur man designar värmaren för lågtemperatur-epitaxialutrustningen för att undvika gnistor eller elektromagnetiska fält som påverkar plasmat vid ett specifikt kavitetstryck.

Förväntat bidrag

Det förväntas att detta område kommer att bli en potentiell utvecklingsriktning och ge viktiga bidrag till utvecklingen av nästa generation optoelektroniska enheter. Med forskares angelägna uppmärksamhet och kraftfulla marknadsföring kommer detta område att växa till en potentiell utvecklingsriktning i framtiden och ge viktiga bidrag till utvecklingen av nästa generation av (optoelektroniska) enheter.