Τεχνολογία επιταξίας χαμηλής θερμοκρασίας με βάση το GaN

1. Η σημασία των υλικών με βάση το GaN

Τα υλικά ημιαγωγών με βάση το GaN χρησιμοποιούνται ευρέως στην παρασκευή οπτοηλεκτρονικών συσκευών, ηλεκτρονικών συσκευών ισχύος και συσκευών μικροκυμάτων ραδιοσυχνοτήτων λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων τους, όπως χαρακτηριστικά μεγάλου διακενού ζώνης, υψηλή αντοχή πεδίου διάσπασης και υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Αυτές οι συσκευές έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε βιομηχανίες όπως φωτισμός ημιαγωγών, πηγές υπεριώδους φωτός στερεάς κατάστασης, ηλιακά φωτοβολταϊκά, οθόνη λέιζερ, ευέλικτες οθόνες οθόνης, κινητές επικοινωνίες, τροφοδοτικά, οχήματα νέας ενέργειας, έξυπνα δίκτυα κ.λπ., καθώς και η τεχνολογία και αγορά γίνονται πιο ώριμες.

Περιορισμοί παραδοσιακής τεχνολογίας επιταξίας

Παραδοσιακές τεχνολογίες επιταξιακής ανάπτυξης για υλικά με βάση το GaN όπωςMOCVDκαιMBEσυνήθως απαιτούν συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας, οι οποίες δεν ισχύουν για άμορφα υποστρώματα όπως το γυαλί και τα πλαστικά επειδή αυτά τα υλικά δεν αντέχουν σε υψηλότερες θερμοκρασίες ανάπτυξης. Για παράδειγμα, το γυαλί επίπλευσης που χρησιμοποιείται συνήθως θα μαλακώσει σε συνθήκες άνω των 600°C. Ζήτηση για χαμηλή θερμοκρασίατεχνολογία επιταξίας: Με την αυξανόμενη ζήτηση για χαμηλού κόστους και ευέλικτες οπτοηλεκτρονικές (ηλεκτρονικές) συσκευές, υπάρχει ζήτηση για επιταξιακό εξοπλισμό που χρησιμοποιεί ενέργεια εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου για να σπάσει τους προδρόμους αντίδρασης σε χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτή η τεχνολογία μπορεί να πραγματοποιηθεί σε χαμηλές θερμοκρασίες, προσαρμόζοντας τα χαρακτηριστικά των άμορφων υποστρωμάτων και παρέχοντας τη δυνατότητα προετοιμασίας χαμηλού κόστους και ευέλικτων (οπτοηλεκτρονικών) συσκευών.

2. Κρυσταλλική δομή υλικών με βάση το GaN

Τύπος κρυσταλλικής δομής

Τα υλικά με βάση το GaN περιλαμβάνουν κυρίως τα GaN, InN, AlN και τα τριμερή και τεταρτοταγή στερεά διαλύματά τους, με τρεις κρυσταλλικές δομές βουρτζίτη, φαλερίτη και πετρώδες άλας, μεταξύ των οποίων η δομή βουρτζίτη είναι η πιο σταθερή. Η δομή του φαληρίτη είναι μια μετασταθερή φάση, η οποία μπορεί να μετατραπεί στη δομή του βουρτζίτη σε υψηλή θερμοκρασία και μπορεί να υπάρχει στη δομή του βουρτζίτη με τη μορφή σφαλμάτων στοίβαξης σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Η δομή του αλατιού είναι η φάση υψηλής πίεσης του GaN και μπορεί να εμφανιστεί μόνο σε συνθήκες εξαιρετικά υψηλής πίεσης.

Χαρακτηρισμός κρυσταλλικών επιπέδων και ποιότητα κρυστάλλου

Τα κοινά κρυσταλλικά επίπεδα περιλαμβάνουν το πολικό επίπεδο c, το ημιπολικό s-επίπεδο, το r-επίπεδο, το n-επίπεδο και το μη πολικό επίπεδο α και m. Συνήθως, οι λεπτές μεμβράνες με βάση το GaN που λαμβάνονται με επιταξία σε υποστρώματα ζαφείρι και Si είναι κρυσταλλικοί προσανατολισμοί επιπέδου c.

3. Απαιτήσεις τεχνολογίας Epitaxy και λύσεις υλοποίησης

Αναγκαιότητα τεχνολογικής αλλαγής

Με την ανάπτυξη της πληροφορικής και της ευφυΐας, η ζήτηση για οπτοηλεκτρονικές συσκευές και ηλεκτρονικές συσκευές τείνει να είναι χαμηλού κόστους και ευέλικτη. Προκειμένου να καλυφθούν αυτές οι ανάγκες, είναι απαραίτητο να αλλάξει η υπάρχουσα επιταξιακή τεχνολογία των υλικών με βάση το GaN, ειδικά να αναπτυχθεί επιταξιακή τεχνολογία που μπορεί να πραγματοποιηθεί σε χαμηλές θερμοκρασίες για να προσαρμοστεί στα χαρακτηριστικά των άμορφων υποστρωμάτων.

Ανάπτυξη τεχνολογίας επιταξιακής χαμηλής θερμοκρασίας

Επιταξιακή τεχνολογία χαμηλής θερμοκρασίας που βασίζεται στις αρχές τουφυσική εναπόθεση ατμών (PVD)καιχημική εναπόθεση ατμών (CVD), συμπεριλαμβανομένης της διασκορπισμού αντιδραστικών μαγνητρονίων, MBE υποβοηθούμενης από πλάσμα (PA-MBE), εναπόθεσης παλμικού λέιζερ (PLD), εναπόθεσης παλμικής επιμετάλλωσης (PSD), υποβοηθούμενης με λέιζερ MBE (LMBE), απομακρυσμένου CVD πλάσματος (RPCVD), βελτιωμένης μετανάστευσης μετά την λάμψη CVD ( MEA-CVD), απομακρυσμένο πλάσμα ενισχυμένο MOCVD (RPEMOCVD), ενισχυμένη δραστηριότητα MOCVD (REMOCVD), ενισχυμένο με πλάσμα κυκλοτρονίων MOCVD (ECR-PEMOCVD) και επαγωγικά συζευγμένο πλάσμα MOCVD (ICP-MOCVD), κ.λπ.

4. Τεχνολογία επιτάξεως χαμηλής θερμοκρασίας βασισμένη στην αρχή PVD

Τύποι τεχνολογίας

Συμπεριλαμβανομένου του αντιδραστικού μάγνητρον sputtering, του υποβοηθούμενου με πλάσμα MBE (PA-MBE), της εναπόθεσης παλμικού λέιζερ (PLD), της εναπόθεσης παλμικής επιμετάλλωσης (PSD) και του MBE με τη βοήθεια λέιζερ (LMBE).

Τεχνικά χαρακτηριστικά

Αυτές οι τεχνολογίες παρέχουν ενέργεια χρησιμοποιώντας σύζευξη εξωτερικού πεδίου για ιονισμό της πηγής αντίδρασης σε χαμηλή θερμοκρασία, μειώνοντας έτσι τη θερμοκρασία ρωγμής και επιτυγχάνοντας επιταξιακή ανάπτυξη σε χαμηλή θερμοκρασία υλικών με βάση το GaN. Για παράδειγμα, η αντιδραστική τεχνολογία sputtering magnetron εισάγει ένα μαγνητικό πεδίο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας sputtering για να αυξήσει την κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων και να αυξήσει την πιθανότητα σύγκρουσης με N2 και Ar για να ενισχύσει την sputtering στόχο. Ταυτόχρονα, μπορεί επίσης να περιορίσει το πλάσμα υψηλής πυκνότητας πάνω από τον στόχο και να μειώσει τον βομβαρδισμό ιόντων στο υπόστρωμα.

Προκλήσεις

Αν και η ανάπτυξη αυτών των τεχνολογιών κατέστησε δυνατή την προετοιμασία οπτοηλεκτρονικών συσκευών χαμηλού κόστους και ευέλικτων, αντιμετωπίζουν επίσης προκλήσεις όσον αφορά την ποιότητα ανάπτυξης, την πολυπλοκότητα του εξοπλισμού και το κόστος. Για παράδειγμα, η τεχνολογία PVD συνήθως απαιτεί υψηλό βαθμό κενού, ο οποίος μπορεί να καταστείλει αποτελεσματικά την προ-αντίδραση και να εισαγάγει κάποιο εξοπλισμό επί τόπου παρακολούθησης που πρέπει να λειτουργεί υπό υψηλό κενό (όπως RHEED, ανιχνευτής Langmuir, κ.λπ.), αλλά αυξάνει τη δυσκολία ομοιόμορφης εναπόθεσης μεγάλης περιοχής και το κόστος λειτουργίας και συντήρησης του υψηλού κενού είναι υψηλό.

5. Επιταξιακή τεχνολογία χαμηλής θερμοκρασίας βασισμένη στην αρχή CVD

Τύποι τεχνολογίας

Συμπεριλαμβανομένης της απομακρυσμένης CVD πλάσματος (RPCVD), της ενισχυμένης μετανάστευσης μετά την λάμψη CVD (MEA-CVD), του απομακρυσμένου ενισχυμένου πλάσματος MOCVD (RPEMOCVD), της ενισχυμένης δραστηριότητας MOCVD (REMOCVD), του ενισχυμένου συντονισμού πλάσματος κυκλοτρονίων MOCVD (ECR-PEMOCVD σε σύζευξη πλάσματος και MOCVD inductively) ICP-MOCVD).

Τεχνικά πλεονεκτήματα

Αυτές οι τεχνολογίες επιτυγχάνουν την ανάπτυξη υλικών ημιαγωγών III-νιτριδίου όπως GaN και InN σε χαμηλότερες θερμοκρασίες χρησιμοποιώντας διαφορετικές πηγές πλάσματος και μηχανισμούς αντίδρασης, γεγονός που ευνοεί την ομοιόμορφη εναπόθεση μεγάλης περιοχής και τη μείωση του κόστους. Για παράδειγμα, η τεχνολογία απομακρυσμένου CVD πλάσματος (RPCVD) χρησιμοποιεί μια πηγή ECR ως γεννήτρια πλάσματος, η οποία είναι μια γεννήτρια πλάσματος χαμηλής πίεσης που μπορεί να δημιουργήσει πλάσμα υψηλής πυκνότητας. Ταυτόχρονα, μέσω της τεχνολογίας φασματοσκοπίας φωταύγειας πλάσματος (OES), το φάσμα των 391 nm που σχετίζεται με το N2+ είναι σχεδόν μη ανιχνεύσιμο πάνω από το υπόστρωμα, μειώνοντας έτσι τον βομβαρδισμό της επιφάνειας του δείγματος από ιόντα υψηλής ενέργειας.

Βελτιώστε την ποιότητα των κρυστάλλων

Η κρυσταλλική ποιότητα του επιταξιακού στρώματος βελτιώνεται με το αποτελεσματικό φιλτράρισμα των φορτισμένων σωματιδίων υψηλής ενέργειας. Για παράδειγμα, η τεχνολογία MEA-CVD χρησιμοποιεί μια πηγή HCP για να αντικαταστήσει την πηγή πλάσματος ECR του RPCVD, καθιστώντας την πιο κατάλληλη για τη δημιουργία πλάσματος υψηλής πυκνότητας. Το πλεονέκτημα της πηγής HCP είναι ότι δεν υπάρχει μόλυνση οξυγόνου που προκαλείται από το διηλεκτρικό παράθυρο χαλαζία και έχει υψηλότερη πυκνότητα πλάσματος από την πηγή πλάσματος χωρητικής σύζευξης (CCP).

6. Περίληψη και προοπτική

Η τρέχουσα κατάσταση της τεχνολογίας επιταξίας χαμηλής θερμοκρασίας

Μέσω της βιβλιογραφικής έρευνας και ανάλυσης, σκιαγραφείται η τρέχουσα κατάσταση της τεχνολογίας επιταξίας χαμηλής θερμοκρασίας, συμπεριλαμβανομένων των τεχνικών χαρακτηριστικών, της δομής του εξοπλισμού, των συνθηκών εργασίας και των πειραματικών αποτελεσμάτων. Αυτές οι τεχνολογίες παρέχουν ενέργεια μέσω της σύζευξης εξωτερικού πεδίου, μειώνουν αποτελεσματικά τη θερμοκρασία ανάπτυξης, προσαρμόζονται στα χαρακτηριστικά των άμορφων υποστρωμάτων και παρέχουν τη δυνατότητα προετοιμασίας χαμηλού κόστους και ευέλικτων (opto) ηλεκτρονικών συσκευών.

Μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις

Η τεχνολογία επιτάξεως χαμηλής θερμοκρασίας έχει ευρείες προοπτικές εφαρμογής, αλλά βρίσκεται ακόμη σε διερευνητικό στάδιο. Απαιτεί σε βάθος έρευνα τόσο από πλευράς εξοπλισμού όσο και από πλευράς διαδικασίας για την επίλυση προβλημάτων σε εφαρμογές μηχανικής. Για παράδειγμα, είναι απαραίτητο να μελετηθεί περαιτέρω ο τρόπος απόκτησης πλάσματος υψηλότερης πυκνότητας ενώ εξετάζεται το πρόβλημα φιλτραρίσματος ιόντων στο πλάσμα. πώς να σχεδιάσετε τη δομή της συσκευής ομογενοποίησης αερίου για την αποτελεσματική καταστολή της προ-αντίδρασης στην κοιλότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες. πώς να σχεδιάσετε τον θερμαντήρα του επιταξιακού εξοπλισμού χαμηλής θερμοκρασίας για την αποφυγή σπινθήρα ή ηλεκτρομαγνητικών πεδίων που επηρεάζουν το πλάσμα σε μια συγκεκριμένη πίεση κοιλότητας.

Αναμενόμενη συνεισφορά

Αναμένεται ότι αυτό το πεδίο θα γίνει μια πιθανή κατεύθυνση ανάπτυξης και θα συμβάλει σημαντικά στην ανάπτυξη της επόμενης γενιάς οπτοηλεκτρονικών συσκευών. Με την έντονη προσοχή και την έντονη προώθηση των ερευνητών, αυτός ο τομέας θα εξελιχθεί σε μια πιθανή κατεύθυνση ανάπτυξης στο μέλλον και θα συμβάλει σημαντικά στην ανάπτυξη της επόμενης γενιάς (οπτοηλεκτρονικών) συσκευών.