Технология за нискотемпературна епитаксия на основата на GaN

1. Значението на материалите на основата на GaN

Базираните на GaN полупроводникови материали се използват широко при изготвянето на оптоелектронни устройства, силови електронни устройства и радиочестотни микровълнови устройства поради техните отлични свойства като характеристики на широка ширина на лентата, висока напрегнатост на полето на пробив и висока топлопроводимост. Тези устройства са широко използвани в индустрии като полупроводниково осветление, източници на ултравиолетова светлина в твърдо състояние, слънчеви фотоволтаици, лазерни дисплеи, гъвкави екрани, мобилни комуникации, захранвания, нови енергийни превозни средства, интелигентни мрежи и т.н., както и технологията и пазарът става все по-зрял.

Ограничения на традиционната технология за епитаксия

Традиционни технологии за епитаксиален растеж за базирани на GaN материали катоMOССЗиMBEобикновено изискват условия на висока температура, които не са приложими за аморфни субстрати като стъкло и пластмаси, тъй като тези материали не могат да издържат на по-високи температури на растеж. Например, обикновено използваното флоатно стъкло ще омекне при условия над 600°C. Търсене на ниска температуратехнология за епитаксия: С нарастващото търсене на евтини и гъвкави оптоелектронни (електронни) устройства, има търсене на епитаксиално оборудване, което използва външна енергия на електрическото поле за разбиване на реакционни прекурсори при ниски температури. Тази технология може да се извърши при ниски температури, като се адаптира към характеристиките на аморфните субстрати и осигурява възможност за изготвяне на евтини и гъвкави (оптоелектронни) устройства.

2. Кристална структура на материали на основата на GaN

Тип кристална структура

Базираните на GaN материали включват главно GaN, InN, AlN и техните троични и кватернерни твърди разтвори, с три кристални структури от вюрцит, сфалерит и каменна сол, сред които структурата на вюрцит е най-стабилна. Структурата на сфалерита е метастабилна фаза, която може да се трансформира в структурата на вюрцита при висока температура и може да съществува във структурата на вюрцита под формата на грешки при подреждане при по-ниски температури. Структурата на каменната сол е фазата на високо налягане на GaN и може да се появи само при условия на изключително високо налягане.

Характеризиране на кристалните равнини и качеството на кристала

Общите кристални равнини включват полярна c-равнина, полуполярна s-равнина, r-равнина, n-равнина и неполярни a-равнина и m-равнина. Обикновено тънките слоеве на основата на GaN, получени чрез епитаксия върху сапфирови и Si субстрати, са кристални ориентации в c-равнина.

3. Технологични изисквания за епитаксия и решения за внедряване

Необходимост от технологична промяна

С развитието на информатизацията и интелигентността търсенето на оптоелектронни устройства и електронни устройства има тенденция да бъде евтино и гъвкаво. За да се отговори на тези нужди, е необходимо да се промени съществуващата епитаксиална технология на материали, базирани на GaN, особено да се разработи епитаксиална технология, която може да се извършва при ниски температури, за да се адаптира към характеристиките на аморфните субстрати.

Разработване на нискотемпературна епитаксиална технология

Нискотемпературна епитаксиална технология, базирана на принципите нафизическо отлагане на пари (PVD)ихимическо отлагане на пари (ССЗ), включително реактивно магнетронно разпрашване, плазмено-асистирано MBE (PA-MBE), импулсно лазерно отлагане (PLD), импулсно разпрашващо отлагане (PSD), лазерно-асистирано MBE (LMBE), дистанционна плазмена CVD (RPCVD), миграционно усилено CVD с последващо сияние ( MEA-CVD), MOCVD с дистанционно усилване на плазмата (RPEMOCVD), MOCVD с усилване на активността (REMOCVD), MOCVD с усилване на плазмата с електронен циклотронен резонанс (ECR-PEMOCVD) и MOCVD с индуктивно свързана плазма (ICP-MOCVD) и др.

4. Технология за нискотемпературна епитаксия, базирана на PVD принципа

Видове технологии

Включително реактивно магнетронно разпрашване, плазмено подпомагано MBE (PA-MBE), импулсно лазерно отлагане (PLD), импулсно разпрашващо отлагане (PSD) и лазерно подпомагано MBE (LMBE).

Технически характеристики

Тези технологии осигуряват енергия чрез използване на свързване на външно поле за йонизиране на реакционния източник при ниска температура, като по този начин намаляват температурата му на напукване и постигат нискотемпературен епитаксиален растеж на базирани на GaN материали. Например, технологията за реактивно магнетронно разпрашване въвежда магнитно поле по време на процеса на разпрашаване, за да увеличи кинетичната енергия на електроните и да увеличи вероятността от сблъсък с N2 и Ar, за да подобри целевото разпрашаване. В същото време той може също така да ограничи плазмата с висока плътност над целта и да намали бомбардирането на йони върху субстрата.

Предизвикателства

Въпреки че развитието на тези технологии направи възможно изготвянето на евтини и гъвкави оптоелектронни устройства, те също са изправени пред предизвикателства по отношение на качеството на растеж, сложността на оборудването и разходите. Например PVD технологията обикновено изисква висока степен на вакуум, която може ефективно да потисне предварителната реакция и да въведе известно оборудване за мониторинг на място, което трябва да работи под висок вакуум (като RHEED, сонда на Langmuir и т.н.), но това увеличава трудността на равномерно отлагане на голяма площ и разходите за експлоатация и поддръжка на висок вакуум са високи.

5. Нискотемпературна епитаксиална технология, базирана на CVD принципа

Видове технологии

Включително CVD с дистанционна плазма (RPCVD), CVD с последващо сияние с усилване на миграцията (MEA-CVD), MOCVD с дистанционна плазма (RPEMOCVD), MOCVD с усилване на активността (REMOCVD), MOCVD с усилване на електронен циклотронен резонанс (ECR-PEMOCVD) и MOCVD с индуктивно свързана плазма ( ICP-MOCVD).

Технически предимства

Тези технологии постигат растеж на III-нитридни полупроводникови материали като GaN и InN при по-ниски температури чрез използване на различни източници на плазма и реакционни механизми, което води до равномерно отлагане на голяма площ и намаляване на разходите. Например, дистанционната плазмена CVD (RPCVD) технология използва ECR източник като плазмен генератор, който е плазмен генератор с ниско налягане, който може да генерира плазма с висока плътност. В същото време чрез технологията за плазмена луминесцентна спектроскопия (OES) спектърът от 391 nm, свързан с N2+, е почти неоткриваем над субстрата, като по този начин се намалява бомбардирането на повърхността на пробата от високоенергийни йони.

Подобрете качеството на кристала

Кристалното качество на епитаксиалния слой е подобрено чрез ефективно филтриране на високоенергийни заредени частици. Например технологията MEA-CVD използва HCP източник, за да замени ECR плазмения източник на RPCVD, което го прави по-подходящ за генериране на плазма с висока плътност. Предимството на източника на HCP е, че няма замърсяване с кислород, причинено от кварцовия диелектричен прозорец, и има по-висока плътност на плазмата от източника на плазма с капацитивно свързване (CCP).

6. Резюме и перспектива

Текущото състояние на технологията за нискотемпературна епитаксия

Чрез изследване и анализ на литературата е очертано текущото състояние на технологията за нискотемпературна епитаксия, включително технически характеристики, структура на оборудването, условия на работа и експериментални резултати. Тези технологии осигуряват енергия чрез свързване на външно поле, ефективно намаляват температурата на растеж, адаптират се към характеристиките на аморфните субстрати и осигуряват възможност за подготовка на евтини и гъвкави (опто) електронни устройства.

Бъдещи насоки на изследване

Технологията за нискотемпературна епитаксия има широки перспективи за приложение, но все още е в етап на проучване. Това изисква задълбочено проучване както от аспектите на оборудването, така и от аспектите на процеса, за да се решат проблеми в инженерните приложения. Например, необходимо е допълнително да се проучи как да се получи плазма с по-висока плътност, като се вземе предвид проблемът с филтрирането на йони в плазмата; как да се проектира структурата на устройството за хомогенизиране на газ за ефективно потискане на предварителната реакция в кухината при ниски температури; как да проектирате нагревателя на нискотемпературното епитаксиално оборудване, за да избегнете искри или електромагнитни полета, засягащи плазмата при определено налягане в кухината.

Очакван принос

Очаква се тази област да се превърне в потенциална посока на развитие и да има важен принос в развитието на следващото поколение оптоелектронни устройства. С голямото внимание и енергичното насърчаване на изследователите тази област ще прерасне в потенциална посока на развитие в бъдеще и ще има важен принос за развитието на следващото поколение (оптоелектронни) устройства.