Технология низкотемпературной эпитаксии на основе GaN

1. Важность материалов на основе GaN.

Полупроводниковые материалы на основе GaN широко используются при изготовлении оптоэлектронных устройств, устройств силовой электроники и радиочастотных микроволновых устройств благодаря своим превосходным свойствам, таким как широкая запрещенная зона, высокая напряженность поля пробоя и высокая теплопроводность. Эти устройства широко используются в таких отраслях, как полупроводниковое освещение, твердотельные источники ультрафиолетового света, солнечные фотоэлектрические системы, лазерные дисплеи, гибкие экраны дисплеев, мобильная связь, источники питания, новые энергетические транспортные средства, интеллектуальные сети и т. д., а также технологии и рынок становится более зрелым.

Ограничения традиционной технологии эпитаксии

Традиционные технологии эпитаксиального выращивания материалов на основе GaN, таких какМОКВДиMBEобычно требуются высокотемпературные условия, которые неприменимы к аморфным подложкам, таким как стекло и пластик, поскольку эти материалы не могут выдерживать более высокие температуры роста. Например, обычно используемое флоат-стекло размягчается при температуре выше 600°C. Спрос на низкотемпературныетехнология эпитаксии: С ростом спроса на недорогие и гибкие оптоэлектронные (электронные) устройства возникает потребность в эпитаксиальном оборудовании, использующем энергию внешнего электрического поля для взлома предшественников реакции при низких температурах. Эту технологию можно осуществлять при низких температурах, адаптируясь к характеристикам аморфных подложек и обеспечивая возможность изготовления недорогих и гибких (оптоэлектронных) устройств.

2. Кристаллическая структура материалов на основе GaN.

Тип кристаллической структуры

Материалы на основе GaN в основном включают GaN, InN, AlN и их тройные и четвертичные твердые растворы с тремя кристаллическими структурами: вюрцит, сфалерит и каменная соль, среди которых структура вюрцита является наиболее стабильной. Структура сфалерита представляет собой метастабильную фазу, которая при высокой температуре может трансформироваться в структуру вюрцита, а при более низких температурах может существовать в структуре вюрцита в виде дефектов упаковки. Структура каменной соли представляет собой фазу высокого давления GaN и может возникнуть только в условиях чрезвычайно высокого давления.

Характеристика кристаллических плоскостей и качества кристаллов

Общие кристаллические плоскости включают полярную c-плоскость, полуполярную s-плоскость, r-плоскость, n-плоскость, а также неполярные a-плоскость и m-плоскость. Обычно тонкие пленки на основе GaN, полученные эпитаксией на подложках сапфира и кремния, имеют кристаллическую ориентацию в c-плоскости.

3. Требования к технологии эпитаксии и решения по внедрению

Необходимость технологических изменений

С развитием информатизации и интеллекта спрос на оптоэлектронные устройства и электронные устройства становится недорогим и гибким. Для удовлетворения этих потребностей необходимо изменить существующую эпитаксиальную технологию материалов на основе GaN, в частности разработать эпитаксиальную технологию, которую можно осуществлять при низких температурах для адаптации к характеристикам аморфных подложек.

Разработка технологии низкотемпературной эпитаксии

Низкотемпературная эпитаксиальная технология, основанная на принципахфизическое осаждение из паровой фазы (ПВД)ихимическое осаждение из паровой фазы (ССЗ), включая реактивное магнетронное распыление, плазменно-активированный MBE (PA-MBE), импульсное лазерное осаждение (PLD), импульсное распыление (PSD), лазерно-ассистированный MBE (LMBE), удаленное плазменное CVD (RPCVD), CVD с послесвечением с усилением миграции ( MEA-CVD), MOCVD с удаленной плазмой (RPEMOCVD), MOCVD с повышенной активностью (REMOCVD), MOCVD с усиленной плазмой электронного циклотронного резонанса (ECR-PEMOCVD) и MOCVD с индуктивно связанной плазмой (ICP-MOCVD) и т. д.

4. Технология низкотемпературной эпитаксии по принципу PVD.

Типы технологий

Включая реактивное магнетронное распыление, плазменно-активированное MBE (PA-MBE), импульсное лазерное осаждение (PLD), импульсное распыление (PSD) и лазерное MBE (LMBE).

Технические характеристики

Эти технологии обеспечивают энергию за счет использования связи внешнего поля для ионизации источника реакции при низкой температуре, тем самым снижая температуру его растрескивания и обеспечивая низкотемпературный эпитаксиальный рост материалов на основе GaN. Например, технология реактивного магнетронного распыления вводит магнитное поле во время процесса распыления для увеличения кинетической энергии электронов и увеличения вероятности столкновения с N2 и Ar для улучшения распыления мишени. В то же время он также может удерживать плазму высокой плотности над мишенью и уменьшать бомбардировку ионами подложки.

Проблемы

Хотя развитие этих технологий позволило создать недорогие и гибкие оптоэлектронные устройства, они также сталкиваются с проблемами с точки зрения качества роста, сложности оборудования и стоимости. Например, технология PVD обычно требует высокого уровня вакуума, который может эффективно подавлять предварительную реакцию и использовать некоторое оборудование для мониторинга на месте, которое должно работать в высоком вакууме (например, RHEED, зонд Ленгмюра и т. д.), но это увеличивает сложность равномерного осаждения на большой площади, а стоимость эксплуатации и обслуживания высокого вакуума высока.

5. Низкотемпературная эпитаксиальная технология, основанная на принципе CVD.

Типы технологий

Включая удаленное плазменное CVD (RPCVD), CVD послесвечения с усиленной миграцией (MEA-CVD), MOCVD с усиленной плазмой (RPEMOCVD), MOCVD с усиленной активностью (REMOCVD), MOCVD с усиленной плазмой электронного циклотронного резонанса (ECR-PEMOCVD) и MOCVD с индуктивно связанной плазмой ( ИСП-MOCVD).

Технические преимущества

Эти технологии позволяют выращивать полупроводниковые материалы из нитрида III, такие как GaN и InN, при более низких температурах за счет использования различных источников плазмы и механизмов реакции, что способствует равномерному осаждению на большой площади и снижению затрат. Например, технология дистанционного плазменного CVD (RPCVD) использует источник ECR в качестве генератора плазмы, который представляет собой генератор плазмы низкого давления, способный генерировать плазму высокой плотности. В то же время, благодаря технологии плазменно-люминесцентной спектроскопии (ОЭС), спектр 391 нм, связанный с N2+, практически не обнаруживается над подложкой, тем самым уменьшая бомбардировку поверхности образца ионами высокой энергии.

Улучшить качество кристаллов

Качество кристаллов эпитаксиального слоя улучшается за счет эффективной фильтрации заряженных частиц высокой энергии. Например, в технологии MEA-CVD используется источник HCP для замены источника плазмы ECR RPCVD, что делает его более подходящим для генерации плазмы высокой плотности. Преимущество источника HCP заключается в том, что отсутствует загрязнение кислородом, вызванное кварцевым диэлектрическим окном, и он имеет более высокую плотность плазмы, чем источник плазмы с емкостной связью (CCP).

6. Резюме и перспективы

Современное состояние технологии низкотемпературной эпитаксии.

Путем исследования и анализа литературы изложено современное состояние технологии низкотемпературной эпитаксии, включая технические характеристики, структуру оборудования, условия работы и результаты экспериментов. Эти технологии обеспечивают получение энергии за счет связи внешнего поля, эффективно снижают температуру роста, адаптируются к характеристикам аморфных подложек и обеспечивают возможность изготовления недорогих и гибких (опто) электронных устройств.

Будущие направления исследований

Технология низкотемпературной эпитаксии имеет широкие перспективы применения, но пока находится на стадии исследования. Для решения проблем в инженерных приложениях требуются глубокие исследования как оборудования, так и технологических аспектов. Например, необходимо продолжить изучение того, как получить плазму более высокой плотности, рассматривая при этом проблему фильтрации ионов в плазме; как спроектировать конструкцию устройства гомогенизации газа для эффективного подавления предреакции в полости при низких температурах; как спроектировать нагреватель низкотемпературного эпитаксиального оборудования, чтобы избежать искрения или воздействия электромагнитных полей на плазму при определенном давлении в полости.

Ожидаемый вклад

Ожидается, что эта область станет потенциальным направлением развития и внесет важный вклад в разработку оптоэлектронных устройств следующего поколения. При пристальном внимании и энергичной поддержке исследователей эта область станет потенциальным направлением развития в будущем и внесет важный вклад в разработку (оптоэлектронных) устройств следующего поколения.