Технологія низькотемпературної епітаксії на основі GaN

1. Важливість матеріалів на основі GaN

Напівпровідникові матеріали на основі GaN широко використовуються при виготовленні оптоелектронних пристроїв, силових електронних пристроїв і радіочастотних мікрохвильових пристроїв завдяки їхнім чудовим властивостям, таким як широка заборонена зона, висока напруженість поля пробою та висока теплопровідність. Ці пристрої широко використовуються в таких галузях, як напівпровідникове освітлення, твердотільні джерела ультрафіолетового світла, сонячні фотоелектричні пристрої, лазерні дисплеї, гнучкі екрани дисплеїв, мобільний зв’язок, джерела живлення, транспортні засоби нових джерел енергії, розумні електромережі тощо, а також технології та ринок стає більш зрілим.

Обмеження традиційної технології епітаксії

Традиційні технології епітаксійного росту для матеріалів на основі GaN, таких якMOССЗіMBEзазвичай вимагають умов високої температури, які не застосовуються до аморфних субстратів, таких як скло та пластик, оскільки ці матеріали не витримують вищих температур зростання. Наприклад, зазвичай використовуване флоат-скло розм'якшується за умов, що перевищують 600°C. Вимоги до низьких температуртехнологія епітаксії: Зі зростанням попиту на недорогі та гнучкі оптоелектронні (електронні) пристрої існує попит на епітаксійне обладнання, яке використовує енергію зовнішнього електричного поля для розбивання попередників реакції при низьких температурах. Ця технологія може бути здійснена при низьких температурах, адаптуючись до характеристик аморфних підкладок і забезпечуючи можливість готувати недорогі та гнучкі (оптоелектронні) пристрої.

2. Кристалічна структура матеріалів на основі GaN

Тип кристалічної структури

Матеріали на основі GaN в основному включають GaN, InN, AlN та їх потрійні та четвертинні тверді розчини з трьома кристалічними структурами вюрциту, сфалериту та кам’яної солі, серед яких структура вюрциту є найбільш стабільною. Структура сфалериту є метастабільною фазою, яка може трансформуватися в структуру вюрциту при високій температурі, і може існувати в структурі вюрциту у вигляді дефектів упаковки при більш низьких температурах. Структура кам’яної солі є фазою високого тиску GaN і може з’явитися лише в умовах надзвичайно високого тиску.

Характеристика кристалічних площин і якості кристалів

Загальні кристалічні площини включають полярну c-площину, напівполярну s-площину, r-площину, n-площину, а також неполярні a-площину та m-площину. Зазвичай тонкі плівки на основі GaN, отримані шляхом епітаксії на сапфіровій та кремнієвій підкладках, мають кристалічну орієнтацію в площині c.

3. Вимоги до технології епітаксії та рішення щодо реалізації

Необхідність технологічних змін

З розвитком інформатизації та інтелекту попит на оптоелектронні пристрої та електронні пристрої, як правило, є дешевим і гнучким. Щоб задовольнити ці потреби, необхідно змінити існуючу епітаксійну технологію матеріалів на основі GaN, особливо розробити епітаксійну технологію, яка може виконуватися при низьких температурах, щоб адаптуватися до характеристик аморфних підкладок.

Розвиток низькотемпературної епітаксіальної технології

Низькотемпературна епітаксіальна технологія, заснована на принципахфізичне осадження з парової фази (PVD)іхімічне осадження з парової фази (ССЗ), включаючи реактивне магнетронне розпилення, MBE з підтримкою плазми (PA-MBE), імпульсне лазерне осадження (PLD), імпульсне осадження розпиленням (PSD), MBE з підтримкою лазера (LMBE), дистанційне плазмове CVD (RPCVD), CVD з посиленим міграцією післясвітіння ( MEA-CVD), MOCVD з дистанційним плазмовим посиленням (RPEMOCVD), MOCVD з посиленням активності (REMOCVD), MOCVD з посиленням електронного циклотронного резонансу плазми (ECR-PEMOCVD) і MOCVD з індуктивно пов’язаною плазмою (ICP-MOCVD) тощо.

4. Технологія низькотемпературної епітаксії за принципом PVD

Види технології

Включно з реактивним магнетронним розпиленням, MBE з використанням плазми (PA-MBE), імпульсним лазерним осадженням (PLD), імпульсним розпиленням (PSD) і MBE з використанням лазера (LMBE).

Технічні особливості

Ці технології забезпечують енергію за допомогою зв’язку зовнішнього поля для іонізації джерела реакції при низькій температурі, тим самим знижуючи температуру його розтріскування та досягаючи низькотемпературного епітаксійного росту матеріалів на основі GaN. Наприклад, технологія реактивного магнетронного розпилення вводить магнітне поле під час процесу розпилення, щоб збільшити кінетичну енергію електронів і збільшити ймовірність зіткнення з N2 і Ar для посилення розпилення мішені. У той же час він також може утримувати плазму високої щільності над мішенню та зменшувати бомбардування підкладки іонами.

Виклики

Хоча розвиток цих технологій дозволив створити недорогі та гнучкі оптоелектронні пристрої, вони також стикаються з проблемами щодо якості зростання, складності обладнання та вартості. Наприклад, технологія PVD зазвичай вимагає високого ступеня вакууму, який може ефективно придушити попередню реакцію та запровадити деяке обладнання для моніторингу на місці, яке повинно працювати під високим вакуумом (наприклад, RHEED, зонд Ленгмюра тощо), але це ускладнює рівномірного осадження на великій площі, а вартість експлуатації та обслуговування високого вакууму висока.

5. Низькотемпературна епітаксіальна технологія на основі принципу ССЗ

Види технології

Включно з дистанційним плазмовим CVD (RPCVD), міграційним посиленням післясвітіння (MEA-CVD), дистанційним плазмовим посиленням MOCVD (RPEMOCVD), активним посиленням MOCVD (REMOCVD), посиленим електронним циклотронним резонансом плазмовим MOCVD (ECR-PEMOCVD) та індуктивно пов’язаним плазмовим MOCVD ( ICP-MOCVD).

Технічні переваги

Ці технології забезпечують вирощування III-нітридних напівпровідникових матеріалів, таких як GaN та InN, за нижчих температур, використовуючи різні джерела плазми та механізми реакції, що сприяє однорідному осадженню на великій площі та зниженню витрат. Наприклад, технологія віддаленого плазмового CVD (RPCVD) використовує джерело ECR як генератор плазми, який є генератором плазми низького тиску, який може генерувати плазму високої щільності. У той же час за допомогою технології плазмової люмінесцентної спектроскопії (OES) спектр 391 нм, пов’язаний з N2+, майже не виявляється над підкладкою, тим самим зменшуючи бомбардування поверхні зразка іонами високої енергії.

Поліпшити якість кристалів

Якість кристалів епітаксійного шару покращується за рахунок ефективної фільтрації заряджених частинок високої енергії. Наприклад, технологія MEA-CVD використовує джерело HCP для заміни джерела плазми ECR RPCVD, що робить його більш придатним для генерації плазми високої щільності. Перевага джерела HCP полягає в тому, що немає забруднення киснем, спричиненого кварцовим діелектричним вікном, і воно має вищу щільність плазми, ніж джерело плазми з ємнісним зв’язком (CCP).

6. Резюме та прогноз

Сучасний стан технології низькотемпературної епітаксії

Завдяки дослідженню та аналізу літератури окреслено поточний стан технології низькотемпературної епітаксії, включаючи технічні характеристики, структуру обладнання, умови роботи та результати експериментів. Ці технології забезпечують енергію через зв'язок зовнішнього поля, ефективно знижують температуру росту, адаптуються до характеристик аморфних підкладок і забезпечують можливість підготовки недорогих і гнучких (опто) електронних пристроїв.

Майбутні напрямки досліджень

Технологія низькотемпературної епітаксії має широкі перспективи застосування, але все ще знаходиться на дослідницькій стадії. Це вимагає поглибленого дослідження як обладнання, так і процесу, щоб вирішити проблеми в інженерних додатках. Наприклад, необхідно продовжити дослідження того, як отримати плазму вищої щільності, розглядаючи проблему фільтрації іонів у плазмі; як спроектувати структуру пристрою гомогенізації газу для ефективного придушення попередньої реакції в порожнині при низьких температурах; як розробити нагрівач низькотемпературного епітаксійного обладнання, щоб уникнути іскріння або електромагнітних полів, що впливають на плазму при певному тиску в порожнині.

Очікуваний внесок

Очікується, що ця сфера стане потенційним напрямком розвитку та зробить важливий внесок у розробку наступного покоління оптоелектронних пристроїв. Завдяки пильній увазі та енергійній підтримці дослідників ця сфера стане потенційним напрямком розвитку в майбутньому та зробить важливий внесок у розробку наступного покоління (оптоелектронних) пристроїв.