Teknologi epitaksi suhu rendah berasaskan GaN

1. Kepentingan bahan berasaskan GaN

Bahan semikonduktor berasaskan GaN digunakan secara meluas dalam penyediaan peranti optoelektronik, peranti elektronik kuasa dan peranti gelombang mikro frekuensi radio kerana sifatnya yang sangat baik seperti ciri jurang jalur lebar, kekuatan medan pecahan tinggi dan kekonduksian haba yang tinggi. Peranti ini telah digunakan secara meluas dalam industri seperti pencahayaan semikonduktor, sumber cahaya ultraungu keadaan pepejal, fotovoltaik solar, paparan laser, skrin paparan fleksibel, komunikasi mudah alih, bekalan kuasa, kenderaan tenaga baharu, grid pintar, dsb., dan teknologi dan pasaran semakin matang.

Had teknologi epitaksi tradisional

Teknologi pertumbuhan epitaxial tradisional untuk bahan berasaskan GaN sepertiMOCVDdanMBEbiasanya memerlukan keadaan suhu tinggi, yang tidak boleh digunakan untuk substrat amorf seperti kaca dan plastik kerana bahan ini tidak dapat menahan suhu pertumbuhan yang lebih tinggi. Sebagai contoh, kaca apungan yang biasa digunakan akan menjadi lembut dalam keadaan melebihi 600°C. Permintaan untuk suhu rendahteknologi epitaksi: Dengan peningkatan permintaan untuk peranti optoelektronik (elektronik) kos rendah dan fleksibel, terdapat permintaan untuk peralatan epitaxial yang menggunakan tenaga medan elektrik luaran untuk memecahkan prekursor tindak balas pada suhu rendah. Teknologi ini boleh dijalankan pada suhu rendah, menyesuaikan diri dengan ciri-ciri substrat amorf, dan menyediakan kemungkinan menyediakan peranti kos rendah dan fleksibel (optoelektronik).

2. Struktur kristal bahan berasaskan GaN

Jenis struktur kristal

Bahan berasaskan GaN terutamanya termasuk GaN, InN, AlN dan larutan pepejal terner dan kuaternarinya, dengan tiga struktur kristal wurtzite, sphalerite dan garam batu, antaranya struktur wurtzite adalah yang paling stabil. Struktur sphalerite ialah fasa metastabil, yang boleh diubah menjadi struktur wurtzite pada suhu tinggi, dan boleh wujud dalam struktur wurtzite dalam bentuk sesar susun pada suhu yang lebih rendah. Struktur garam batu ialah fasa tekanan tinggi GaN dan hanya boleh muncul dalam keadaan tekanan yang sangat tinggi.

Pencirian satah kristal dan kualiti kristal

Satah hablur biasa termasuk satah c kutub, satah s separa kutub, satah r, satah n, dan satah a bukan kutub dan satah m. Biasanya, filem nipis berasaskan GaN yang diperolehi oleh epitaksi pada substrat nilam dan Si adalah orientasi kristal satah c.

3. Keperluan teknologi epitaksi dan penyelesaian pelaksanaan

Keperluan perubahan teknologi

Dengan perkembangan pemformatan dan kecerdasan, permintaan untuk peranti optoelektronik dan peranti elektronik cenderung kepada kos rendah dan fleksibel. Bagi memenuhi keperluan ini, adalah perlu untuk mengubah teknologi epitaxial sedia ada bagi bahan berasaskan GaN, terutamanya untuk membangunkan teknologi epitaxial yang boleh dijalankan pada suhu rendah untuk menyesuaikan diri dengan ciri-ciri substrat amorf.

Pembangunan teknologi epitaxial suhu rendah

Teknologi epitaxial suhu rendah berdasarkan prinsippemendapan wap fizikal (PVD)danpemendapan wap kimia (CVD), termasuk reaktif magnetron sputtering, plasma-assisted MBE (PA-MBE), pulsed laser deposition (PLD), pulsed sputtering deposition (PSD), laser-assisted MBE (LMBE), remote plasma CVD (RPCVD), migrasi dipertingkatkan afterglow CVD ( MEA-CVD), MOCVD dipertingkatkan plasma jauh (RPEMOCVD), MOCVD (REMOCVD) dipertingkatkan aktiviti, MOCVD (ECR-PEMOCVD) plasma resonans siklotron elektron (ECR-PEMOCVD) dan plasma berganding induktif (ICP-MOCVD), dsb.

4. Teknologi epitaksi suhu rendah berdasarkan prinsip PVD

Jenis teknologi

Termasuk reaktif magnetron sputtering, plasma-assisted MBE (PA-MBE), pulsed laser deposition (PLD), pulsed sputtering deposition (PSD) dan laser-assisted MBE (LMBE).

Ciri teknikal

Teknologi ini membekalkan tenaga dengan menggunakan gandingan medan luaran untuk mengionkan sumber tindak balas pada suhu rendah, dengan itu mengurangkan suhu retaknya dan mencapai pertumbuhan epitaxial suhu rendah bahan berasaskan GaN. Sebagai contoh, teknologi percikan magnetron reaktif memperkenalkan medan magnet semasa proses percikan untuk meningkatkan tenaga kinetik elektron dan meningkatkan kebarangkalian perlanggaran dengan N2 dan Ar untuk meningkatkan percikan sasaran. Pada masa yang sama, ia juga boleh mengehadkan plasma berketumpatan tinggi di atas sasaran dan mengurangkan pengeboman ion pada substrat.

Cabaran

Walaupun pembangunan teknologi ini telah memungkinkan untuk menyediakan peranti optoelektronik kos rendah dan fleksibel, mereka juga menghadapi cabaran dari segi kualiti pertumbuhan, kerumitan peralatan dan kos. Sebagai contoh, teknologi PVD biasanya memerlukan tahap vakum yang tinggi, yang boleh menekan pra-tindak balas dengan berkesan dan memperkenalkan beberapa peralatan pemantauan in-situ yang mesti berfungsi di bawah vakum tinggi (seperti RHEED, probe Langmuir, dll.), tetapi ia meningkatkan kesukaran pemendapan seragam kawasan besar, dan kos operasi dan penyelenggaraan vakum yang tinggi adalah tinggi.

5. Teknologi epitaxial suhu rendah berdasarkan prinsip CVD

Jenis teknologi

Termasuk CVD plasma jauh (RPCVD), CVD afterglow yang dipertingkatkan (MEA-CVD), MOCVD (RPEMOCVD) plasma jauh yang dipertingkatkan, MOCVD (RPEMOCVD), MOCVD (REMOCVD) yang dipertingkatkan aktiviti, MOCVD (ECR-PEMOCVD) dipertingkatkan plasma resonans siklotron elektron (ECR-PEMOCVD) dan MOCVD (plasma MOCVD) yang digabungkan secara induktif ICP-MOCVD).

Kelebihan teknikal

Teknologi ini mencapai pertumbuhan bahan semikonduktor III-nitrida seperti GaN dan InN pada suhu yang lebih rendah dengan menggunakan sumber plasma dan mekanisme tindak balas yang berbeza, yang kondusif untuk pemendapan seragam kawasan besar dan pengurangan kos. Sebagai contoh, teknologi CVD plasma jauh (RPCVD) menggunakan sumber ECR sebagai penjana plasma, iaitu penjana plasma tekanan rendah yang boleh menjana plasma berketumpatan tinggi. Pada masa yang sama, melalui teknologi spektroskopi luminescence plasma (OES), spektrum 391 nm yang dikaitkan dengan N2+ hampir tidak dapat dikesan di atas substrat, dengan itu mengurangkan pengeboman permukaan sampel oleh ion bertenaga tinggi.

Meningkatkan kualiti kristal

Kualiti kristal lapisan epitaxial dipertingkatkan dengan menapis zarah bercas tenaga tinggi dengan berkesan. Sebagai contoh, teknologi MEA-CVD menggunakan sumber HCP untuk menggantikan sumber plasma ECR RPCVD, menjadikannya lebih sesuai untuk menjana plasma berketumpatan tinggi. Kelebihan sumber HCP ialah tiada pencemaran oksigen yang disebabkan oleh tingkap dielektrik kuarza, dan ia mempunyai ketumpatan plasma yang lebih tinggi daripada sumber plasma gandingan kapasitif (CCP).

6. Ringkasan dan Tinjauan

Status semasa teknologi epitaksi suhu rendah

Melalui penyelidikan dan analisis literatur, status semasa teknologi epitaksi suhu rendah digariskan, termasuk ciri teknikal, struktur peralatan, keadaan kerja dan keputusan percubaan. Teknologi ini membekalkan tenaga melalui gandingan medan luaran, mengurangkan suhu pertumbuhan secara berkesan, menyesuaikan diri dengan ciri-ciri substrat amorf, dan menyediakan kemungkinan menyediakan peranti elektronik kos rendah dan fleksibel (opto).

Arah penyelidikan masa depan

Teknologi epitaksi suhu rendah mempunyai prospek aplikasi yang luas, tetapi ia masih dalam peringkat penerokaan. Ia memerlukan penyelidikan yang mendalam dari kedua-dua aspek peralatan dan proses untuk menyelesaikan masalah dalam aplikasi kejuruteraan. Sebagai contoh, adalah perlu untuk mengkaji lebih lanjut bagaimana untuk mendapatkan plasma ketumpatan yang lebih tinggi sambil mempertimbangkan masalah penapisan ion dalam plasma; bagaimana mereka bentuk struktur peranti penhomogenan gas untuk menekan pra-tindak balas dalam rongga dengan berkesan pada suhu rendah; bagaimana untuk mereka bentuk pemanas peralatan epitaxial suhu rendah untuk mengelakkan percikan atau medan elektromagnet menjejaskan plasma pada tekanan rongga tertentu.

Sumbangan yang dijangkakan

Bidang ini dijangka akan menjadi hala tuju pembangunan yang berpotensi dan memberi sumbangan penting kepada pembangunan peranti optoelektronik generasi akan datang. Dengan perhatian yang mendalam dan penggalakan penyelidik yang cergas, bidang ini akan berkembang menjadi arah pembangunan yang berpotensi pada masa hadapan dan memberi sumbangan penting kepada pembangunan peranti (optoelektronik) generasi akan datang.