GaN-pohjainen matalan lämpötilan epitaksitekniikka

1. GaN-pohjaisten materiaalien merkitys

GaN-pohjaisia ​​puolijohdemateriaaleja käytetään laajalti optoelektronisten laitteiden, tehoelektronisten laitteiden ja radiotaajuusmikroaaltolaitteiden valmistuksessa niiden erinomaisten ominaisuuksien, kuten laajakaistanvälisten ominaisuuksien, suuren läpilyöntikentän voimakkuuden ja korkean lämmönjohtavuuden ansiosta. Näitä laitteita on käytetty laajalti sellaisilla aloilla kuin puolijohdevalaistus, solid-state ultraviolettivalon lähteet, aurinkosähkö, lasernäyttö, joustavat näyttöruudut, matkaviestintä, virtalähteet, uudet energiaajoneuvot, älykkäät verkot jne. sekä teknologia ja markkinat ovat tulossa kypsemmiksi.

Perinteisen epitaksitekniikan rajoitukset

Perinteiset epitaksiaaliset kasvutekniikat GaN-pohjaisille materiaaleille, kutenMOCVDjaMBEvaativat yleensä korkeita lämpötiloja, joita ei voida soveltaa amorfisille alustoille, kuten lasille ja muoville, koska nämä materiaalit eivät kestä korkeampia kasvulämpötiloja. Esimerkiksi yleisesti käytetty floatlasi pehmenee yli 600°C:n lämpötiloissa. Matalalämpötilan kysyntäepitaksitekniikka: Edullisten ja joustavien optoelektronisten (elektronisten) laitteiden kysynnän kasvaessa on kysyntää epitaksilaitteille, jotka käyttävät ulkoista sähkökenttäenergiaa reaktion esiasteiden murtamiseen matalissa lämpötiloissa. Tämä tekniikka voidaan toteuttaa alhaisissa lämpötiloissa mukautuen amorfisten alustojen ominaisuuksiin ja tarjoamalla mahdollisuuden valmistaa edullisia ja joustavia (optoelektronisia) laitteita.

2. GaN-pohjaisten materiaalien kiderakenne

Kristallirakenteen tyyppi

GaN-pohjaisia ​​materiaaleja ovat pääasiassa GaN, InN, AlN ja niiden kolmi- ja kvaternaariset kiinteät liuokset, joissa on kolme wurtsiitti-, sfaleriitti- ja vuorisuolakiderakennetta, joista wurtsiittirakenne on stabiilin. Sfaleriittirakenne on metastabiili faasi, joka voi muuttua wurtsiittirakenteeksi korkeassa lämpötilassa ja voi esiintyä wurtsiittirakenteessa pinoutumisvikojen muodossa alemmissa lämpötiloissa. Vuorisuolarakenne on GaN:n korkeapainefaasi ja se voi ilmaantua vain erittäin korkeassa paineessa.

Kiteen tasojen ja kristallin laadun karakterisointi

Yleisiä kidetasoja ovat polaarinen c-taso, puolipolaarinen s-taso, r-taso, n-taso ja ei-polaarinen a-taso ja m-taso. Yleensä GaN-pohjaiset ohutkalvot, jotka on saatu epitaksilla safiiri- ja Si-substraateille, ovat c-tasokideorientaatioita.

3. Epitaksiteknologian vaatimukset ja toteutusratkaisut

Teknologisen muutoksen välttämättömyys

Informatisoinnin ja älykkyyden kehittyessä optoelektronisten laitteiden ja elektronisten laitteiden kysyntä on yleensä edullisia ja joustavia. Näiden tarpeiden täyttämiseksi on välttämätöntä muuttaa GaN-pohjaisten materiaalien olemassa olevaa epitaksiaalitekniikkaa, erityisesti kehittää epitaksitekniikkaa, joka voidaan suorittaa alhaisissa lämpötiloissa amorfisten substraattien ominaisuuksiin mukautumiseksi.

Matalan lämpötilan epitaksiaalitekniikan kehittäminen

Matalan lämpötilan epitaksiaalinen tekniikka perustuu periaatteisiinfyysinen höyrypinnoitus (PVD)jakemiallinen höyrypinnoitus (CVD), mukaan lukien reaktiivinen magnetronisputterointi, plasmaavusteinen MBE (PA-MBE), pulssilaserpinnoitus (PLD), pulssiruiskutuspinnoitus (PSD), laseravusteinen MBE (LMBE), etäplasma CVD (RPCVD), migraatiotehostettu jälkihehku CVD ( MEA-CVD), kaukoplasmalla tehostettu MOCVD (RPEMOCVD), aktiivisuutta tehostettu MOCVD (REMOCVD), elektronisyklotroniresonanssiplasmalla tehostettu MOCVD (ECR-PEMOCVD) ja induktiivisesti kytketty plasma MOCVD (ICP-MOCVD) jne.

4. PVD-periaatteeseen perustuva matalan lämpötilan epitaksitekniikka

Teknologiatyypit

Sisältää reaktiivisen magnetronisputteroinnin, plasma-avusteisen MBE:n (PA-MBE), pulssilaserpinnoituksen (PLD), pulssiruiskutuspinnoituksen (PSD) ja laseravusteisen MBE:n (LMBE).

Tekniset ominaisuudet

Nämä tekniikat tarjoavat energiaa käyttämällä ulkoista kenttäkytkentää reaktiolähteen ionisoimiseksi alhaisessa lämpötilassa, mikä vähentää sen krakkauslämpötilaa ja saavuttaa GaN-pohjaisten materiaalien epitaksiaalisen kasvun matalassa lämpötilassa. Esimerkiksi reaktiivinen magnetronisputterointitekniikka tuo magneettikentän sputterointiprosessin aikana lisäämään elektronien kineettistä energiaa ja lisäämään törmäysten todennäköisyyttä N2:n ja Ar:n kanssa kohdesputteroinnin tehostamiseksi. Samalla se voi myös rajoittaa korkeatiheyksistä plasmaa kohteen yläpuolelle ja vähentää ionien pommitusta alustalle.

Haasteet

Vaikka näiden teknologioiden kehitys on mahdollistanut edullisien ja joustavien optoelektronisten laitteiden valmistuksen, niillä on myös haasteita kasvun laadun, laitteiden monimutkaisuuden ja kustannusten suhteen. Esimerkiksi PVD-tekniikka vaatii yleensä korkean tyhjiöasteen, mikä voi tehokkaasti tukahduttaa esireaktion ja ottaa käyttöön joitain in situ -valvontalaitteita, joiden on toimittava korkeassa tyhjiössä (kuten RHEED, Langmuir-anturi jne.), mutta se lisää vaikeutta. suuren alueen tasaisen laskeuman, ja korkean tyhjiön käyttö- ja ylläpitokustannukset ovat korkeat.

5. CVD-periaatteeseen perustuva matalan lämpötilan epitaksitekniikka

Teknologiatyypit

Mukaan lukien etäplasma-CVD (RPCVD), migraatiotehostettu jälkihehku-CVD (MEA-CVD), etäplasmatehostettu MOCVD (RPEMOCVD), aktiivisuustehostettu MOCVD (REMOCVD), elektronisyklotroniresonanssiplasmatehostettu MOCVD (ECR-PEMOCVD) ja induktiivisesti kytketty plasma-MOCVD ( ICP-MOCVD).

Tekniset edut

Näillä tekniikoilla saavutetaan III-nitridipuolijohdemateriaalien, kuten GaN ja InN, kasvu alemmissa lämpötiloissa käyttämällä erilaisia ​​plasmalähteitä ja reaktiomekanismeja, mikä edistää tasaista kerrostumista laajalla alueella ja kustannusten alenemista. Esimerkiksi etäplasma-CVD (RPCVD) -tekniikka käyttää plasmageneraattorina ECR-lähdettä, joka on matalapaineinen plasmageneraattori, joka voi tuottaa suuritiheyksistä plasmaa. Samanaikaisesti plasmaluminesenssispektroskopia (OES) -teknologian ansiosta N2+:aan liittyvä 391 nm:n spektri on lähes havaitsematon substraatin yläpuolella, mikä vähentää näytteen pinnan pommitusta korkeaenergisilla ioneilla.

Paranna kristallin laatua

Epitaksiaalikerroksen kidelaatua parannetaan suodattamalla tehokkaasti korkean energian varautuneita hiukkasia. Esimerkiksi MEA-CVD-tekniikka käyttää HCP-lähdettä korvaamaan RPCVD:n ECR-plasmalähteen, mikä tekee siitä sopivamman korkeatiheyksisen plasman tuottamiseen. HCP-lähteen etuna on, että siinä ei ole kvartsidielektrisen ikkunan aiheuttamaa happikontaminaatiota ja sen plasmatiheys on suurempi kuin kapasitiivisen kytkennän (CCP) plasmalähteen.

6. Yhteenveto ja Outlook

Matalan lämpötilan epitaksitekniikan nykytila

Kirjallisuustutkimuksen ja -analyysin avulla hahmotellaan matalan lämpötilan epitaksitekniikan nykytilaa, mukaan lukien tekniset ominaisuudet, laiterakenne, työolosuhteet ja koetulokset. Nämä tekniikat tarjoavat energiaa ulkoisen kenttäkytkennän kautta, alentavat tehokkaasti kasvulämpötilaa, mukautuvat amorfisten substraattien ominaisuuksiin ja tarjoavat mahdollisuuden valmistaa edullisia ja joustavia (opto) elektronisia laitteita.

Tulevaisuuden tutkimussuunnat

Matalan lämpötilan epitaksitekniikalla on laajat sovellusmahdollisuudet, mutta se on vielä tutkimusvaiheessa. Se vaatii syvällistä tutkimusta sekä laite- että prosessinäkökohdista teknisten sovellusten ongelmien ratkaisemiseksi. On esimerkiksi tarpeen edelleen tutkia, kuinka saada suurempi tiheys plasmassa samalla kun otetaan huomioon plasman ionisuodatusongelma; kuinka suunnitella kaasuhomogenointilaitteen rakenne estämään tehokkaasti esireaktio ontelossa alhaisissa lämpötiloissa; kuinka suunnitella matalan lämpötilan epitaksilaitteen lämmitin, jotta vältetään kipinöitä tai sähkömagneettisia kenttiä, jotka vaikuttavat plasmaan tietyssä ontelopaineessa.

Odotettu panos

Tämän alan odotetaan muodostuvan potentiaaliseksi kehityssuunnaksi ja vaikuttavan merkittävästi seuraavan sukupolven optoelektronisten laitteiden kehittämiseen. Tutkijoiden innokkaalla huomiolla ja tarmokkaalla edistämisellä tämä ala kasvaa tulevaisuudessa potentiaaliseksi kehityssuunnaksi ja myötävaikuttaa merkittävästi seuraavan sukupolven (optoelektronisten) laitteiden kehitykseen.