GaN-põhine madalatemperatuuriline epitaksia tehnoloogia

1. GaN-põhiste materjalide tähtsus

GaN-põhiseid pooljuhtmaterjale kasutatakse laialdaselt optoelektrooniliste seadmete, jõuelektroonikaseadmete ja raadiosageduslike mikrolaineseadmete valmistamisel tänu nende suurepärastele omadustele, nagu lai ribalaius, suur läbilöögiväljatugevus ja kõrge soojusjuhtivus. Neid seadmeid on laialdaselt kasutatud sellistes tööstusharudes nagu pooljuhtvalgustus, tahkis ultraviolettvalgusallikad, päikese fotogalvaanika, laserekraan, paindlikud ekraanid, mobiilside, toiteallikad, uued energiasõidukid, nutikad võrgud jne ning tehnoloogia ja turg on muutumas küpsemaks.

Traditsioonilise epitaksitehnoloogia piirangud

Traditsioonilised epitaksiaalse kasvu tehnoloogiad GaN-põhistele materjalidele naguMOCVDjaMBEnõuavad tavaliselt kõrgeid temperatuure, mis ei kehti amorfsete aluspindade, nagu klaas ja plast, puhul, kuna need materjalid ei talu kõrgemaid kasvutemperatuure. Näiteks tavaliselt kasutatav floatklaas pehmeneb temperatuuril üle 600 °C. Nõudlus madala temperatuuri järeleepitaksitehnoloogia: Seoses kasvava nõudlusega odavate ja paindlike optoelektrooniliste (elektrooniliste) seadmete järele on nõudlus epitaksiaalsete seadmete järele, mis kasutavad välise elektrivälja energiat reaktsiooni prekursorite purustamiseks madalatel temperatuuridel. Seda tehnoloogiat saab läbi viia madalatel temperatuuridel, kohandudes amorfsete substraatide omadustega ja pakkudes võimalust valmistada odavaid ja paindlikke (optoelektroonilisi) seadmeid.

2. GaN-põhiste materjalide kristallstruktuur

Kristallstruktuuri tüüp

GaN-põhised materjalid hõlmavad peamiselt GaN, InN, AlN ja nende kolme- ja kvaternaarseid tahkeid lahuseid, millel on kolm wurtsiidi, sfaleriidi ja kivisoola kristallstruktuuri, mille hulgas on wurtsiidi struktuur kõige stabiilsem. Sfaleriidi struktuur on metastabiilne faas, mis võib kõrgel temperatuuril muutuda wurtsiidi struktuuriks ja võib esineda wurtsiidi struktuuris madalamatel temperatuuridel virnastamisvigade kujul. Kivisoola struktuur on GaN kõrgsurvefaas ja võib ilmneda ainult ülikõrge rõhu tingimustes.

Kristallitasandite ja kristalli kvaliteedi iseloomustus

Levinud kristalltasandite hulka kuuluvad polaarne c-tasand, poolpolaarne s-tasand, r-tasand, n-tasand ning mittepolaarne a- ja m-tasapind. Tavaliselt on safiir- ja Si-substraatide epitakseerimisel saadud GaN-põhised õhukesed kiled c-tasapinnalised kristallide orientatsioonid.

3. Epitaksia tehnoloogia nõuded ja rakenduslahendused

Tehnoloogiliste muutuste vajadus

Informatiseerimise ja intelligentsuse arenedes kipub nõudlus optoelektrooniliste ja elektroonikaseadmete järele olema odav ja paindlik. Nende vajaduste rahuldamiseks on vaja muuta GaN-põhiste materjalide olemasolevat epitaksiaaltehnoloogiat, eriti arendada välja epitaksiaaltehnoloogia, mida saab teostada madalatel temperatuuridel, et kohaneda amorfsete substraatide omadustega.

Madala temperatuuriga epitaksiaaltehnoloogia väljatöötamine

põhimõtetel põhinev madaltemperatuuriline epitaksiaaltehnoloogiafüüsikaline aurustamine-sadestamine (PVD)jakeemiline aurustamine-sadestamine (CVD), sealhulgas reaktiivne magnetron-sputtering, plasma-assisteeritud MBE (PA-MBE), impulsslaser-sadestamine (PLD), impulss-sputerdamine (PSD), laser-abiga MBE (LMBE), kaugplasma CVD (RPCVD), migratsiooniga täiustatud järelvalgustusega CVD ( MEA-CVD), kaugplasmaga täiustatud MOCVD (RPEMOCVD), aktiivsuse suurendamisega MOCVD (REMOCVD), elektrontsüklotroniresonantsplasmaga täiustatud MOCVD (ECR-PEMOCVD) ja induktiivselt seotud plasma MOCVD (ICP-MOCVD) jne.

4. PVD-põhimõttel põhinev madalatemperatuuriline epitaksitehnoloogia

Tehnoloogia tüübid

Sealhulgas reaktiivne magnetron-sadestus, plasma-abiga MBE (PA-MBE), impulsslaser-sadestamine (PLD), impulss-pihustamine (PSD) ja laser-abiga MBE (LMBE).

Tehnilised omadused

Need tehnoloogiad annavad energiat, kasutades reaktsiooniallika ioniseerimiseks madalal temperatuuril välist väljaühendust, vähendades seeläbi selle pragunemistemperatuuri ja saavutades GaN-põhiste materjalide madala temperatuuriga epitaksiaalse kasvu. Näiteks reaktiivse magnetroni pihustustehnoloogia juurutab pommitamisprotsessi ajal magnetvälja, et suurendada elektronide kineetilist energiat ja suurendada N2 ja Ar-ga kokkupõrke tõenäosust, et tõhustada sihtmärgi pihustamist. Samal ajal võib see piirata ka suure tihedusega plasma sihtmärgi kohal ja vähendada ioonide pommitamist substraadile.

Väljakutsed

Kuigi nende tehnoloogiate areng on võimaldanud valmistada odavaid ja paindlikke optoelektroonilisi seadmeid, seisavad nad silmitsi väljakutsetega ka kasvukvaliteedi, seadmete keerukuse ja maksumuse osas. Näiteks PVD-tehnoloogia nõuab tavaliselt kõrget vaakumitaset, mis võib tõhusalt maha suruda eelreaktsiooni ja võtta kasutusele mõned in situ jälgimisseadmed, mis peavad töötama kõrgvaakumis (nt RHEED, Langmuiri sond jne), kuid see suurendab raskusi. suure ala ühtlase sadestamise ning kõrgvaakumi kasutus- ja hoolduskulud on kõrged.

5. CVD põhimõttel põhinev madalatemperatuuriline epitaksiaaltehnoloogia

Tehnoloogia tüübid

Sealhulgas kaugplasma CVD (RPCVD), migratsiooniga täiustatud järelvalgustusega CVD (MEA-CVD), kaugplasmaga täiustatud MOCVD (RPEMOCVD), aktiivsuse suurendamisega MOCVD (REMOCVD), elektrontsüklotroniresonantsplasma täiustatud MOCVD (ECR-PEMOCVD) ja induktiivselt sidestatud plasma MOCVD ( ICP-MOCVD).

Tehnilised eelised

Nende tehnoloogiatega saavutatakse III-nitriidi pooljuhtmaterjalide, nagu GaN ja InN, kasv madalamatel temperatuuridel, kasutades erinevaid plasmaallikaid ja reaktsioonimehhanisme, mis soodustab suure pindala ühtlast sadestumist ja kulude vähendamist. Näiteks kaugplasma CVD (RPCVD) tehnoloogia kasutab plasmageneraatorina ECR-allikat, mis on madala rõhuga plasmageneraator, mis suudab genereerida suure tihedusega plasmat. Samal ajal on plasma luminestsentsspektroskoopia (OES) tehnoloogia abil N2+-ga seotud 391 nm spekter substraadi kohal peaaegu tuvastamatu, vähendades seeläbi proovi pinna pommitamist suure energiaga ioonidega.

Parandage kristallide kvaliteeti

Epitaksiaalse kihi kristallide kvaliteeti parandab kõrge energiaga laetud osakeste efektiivne filtreerimine. Näiteks MEA-CVD tehnoloogia kasutab RPCVD ECR plasmaallika asendamiseks HCP allikat, muutes selle sobivamaks suure tihedusega plasma genereerimiseks. HCP allika eeliseks on see, et kvartsdielektrilisest aknast ei ole põhjustatud hapniku saastumist ja sellel on suurem plasmatihedus kui mahtuvusliku sidestuse (CCP) plasmaallikal.

6. Kokkuvõte ja väljavaade

Madala temperatuuri epitaksitehnoloogia praegune seis

Kirjanduse uurimise ja analüüsi kaudu antakse ülevaade madala temperatuuriga epitaksitehnoloogia hetkeseisust, sealhulgas tehnilistest omadustest, seadmete struktuurist, töötingimustest ja katsetulemustest. Need tehnoloogiad pakuvad energiat välise väljaühenduse kaudu, vähendavad tõhusalt kasvutemperatuuri, kohanduvad amorfsete substraatide omadustega ning võimaldavad valmistada odavaid ja paindlikke (opto)elektroonikaid.

Tuleviku uurimissuunad

Madala temperatuuriga epitaksitehnoloogial on laialdased rakendusväljavaated, kuid see on alles uurimisjärgus. Insenerirakenduste probleemide lahendamiseks on vaja põhjalikku uurimistööd nii seadmete kui ka protsesside aspektist. Näiteks on vaja täiendavalt uurida, kuidas saada suurema tihedusega plasmat, võttes arvesse ioonide filtreerimise probleemi plasmas; kuidas kujundada gaasi homogeniseerimisseadme struktuur, et madalatel temperatuuridel õõnsuses esinevat eelreaktsiooni tõhusalt maha suruda; kuidas konstrueerida madala temperatuuriga epitaksiaalseadmete kütteseadet, et vältida sädemeid või elektromagnetvälju, mis mõjutavad plasmat teatud õõnsuse rõhul.

Oodatud panus

Eeldatavasti saab sellest valdkonnast potentsiaalne arengusuund ja see annab olulise panuse järgmise põlvkonna optoelektroonikaseadmete arendamisse. Teadlaste teravdatud tähelepanu ja jõulise edendamisega kasvab see valdkond tulevikus potentsiaalseks arengusuunaks ning annab olulise panuse järgmise põlvkonna (optoelektroonika) seadmete arendamisse.