Op GaN gebaseerde epitaxietechnologie bij lage temperaturen

1. Het belang van op GaN gebaseerde materialen

Op GaN gebaseerde halfgeleidermaterialen worden veel gebruikt bij de vervaardiging van opto-elektronische apparaten, vermogenselektronische apparaten en radiofrequentiemicrogolfapparaten vanwege hun uitstekende eigenschappen, zoals brede bandafstandskarakteristieken, hoge doorslagveldsterkte en hoge thermische geleidbaarheid. Deze apparaten zijn op grote schaal gebruikt in industrieën zoals halfgeleiderverlichting, solid-state ultraviolet lichtbronnen, fotovoltaïsche zonne-energie, laserdisplays, flexibele beeldschermen, mobiele communicatie, voedingen, nieuwe energievoertuigen, slimme netwerken, enz., en de technologie en markt steeds volwassener wordt.

Beperkingen van traditionele epitaxietechnologie

Traditionele epitaxiale groeitechnologieën voor op GaN gebaseerde materialen zoalsMOCVDEnMBEvereisen meestal hoge temperatuuromstandigheden, die niet van toepassing zijn op amorfe substraten zoals glas en kunststoffen, omdat deze materialen niet bestand zijn tegen hogere groeitemperaturen. Veelgebruikt floatglas wordt bijvoorbeeld zachter onder omstandigheden boven de 600°C. Vraag naar lage temperaturenepitaxie technologie: Met de toenemende vraag naar goedkope en flexibele opto-elektronische (elektronische) apparaten is er vraag naar epitaxiale apparatuur die externe elektrische veldenergie gebruikt om reactievoorlopers bij lage temperaturen te kraken. Deze technologie kan worden uitgevoerd bij lage temperaturen, waarbij ze zich aanpast aan de kenmerken van amorfe substraten en de mogelijkheid biedt om goedkope en flexibele (opto-elektronische) apparaten te vervaardigen.

2. Kristalstructuur van op GaN gebaseerde materialen

Kristalstructuurtype

Op GaN gebaseerde materialen omvatten voornamelijk GaN, InN, AlN en hun ternaire en quaternaire vaste oplossingen, met drie kristalstructuren van wurtziet, sphaleriet en steenzout, waarvan de wurtzietstructuur de meest stabiele is. De sphalerietstructuur is een metastabiele fase, die bij hoge temperatuur kan worden omgezet in de wurtzietstructuur, en kan in de wurtzietstructuur voorkomen in de vorm van stapelfouten bij lagere temperaturen. De steenzoutstructuur is de hogedrukfase van GaN en kan alleen verschijnen onder extreem hoge drukomstandigheden.

Karakterisering van kristalvlakken en kristalkwaliteit

Gemeenschappelijke kristalvlakken omvatten polair c-vlak, semi-polair s-vlak, r-vlak, n-vlak en niet-polair a-vlak en m-vlak. Gewoonlijk zijn de op GaN gebaseerde dunne films verkregen door epitaxie op saffier- en Si-substraten kristaloriëntaties in het c-vlak.

3. Epitaxie-technologievereisten en implementatieoplossingen

Noodzaak van technologische verandering

Met de ontwikkeling van informatisering en intelligentie is de vraag naar opto-elektronische apparaten en elektronische apparaten vaak goedkoop en flexibel. Om aan deze behoeften te voldoen is het noodzakelijk om de bestaande epitaxiale technologie van op GaN gebaseerde materialen te veranderen, vooral om epitaxiale technologie te ontwikkelen die bij lage temperaturen kan worden uitgevoerd om zich aan te passen aan de kenmerken van amorfe substraten.

Ontwikkeling van epitaxiale technologie bij lage temperaturen

Epitaxiale technologie bij lage temperaturen, gebaseerd op de principes vanfysieke dampafzetting (PVD)Enchemische dampafzetting (CVD), inclusief reactief magnetronsputteren, plasma-ondersteunde MBE (PA-MBE), gepulseerde laserdepositie (PLD), gepulseerde sputterdepositie (PSD), laser-ondersteunde MBE (LMBE), plasma-CVD op afstand (RPCVD), migratie-versterkte nagloei-CVD ( MEA-CVD), plasma-versterkte MOCVD op afstand (RPEMOCVD), activiteit-versterkte MOCVD (REMOCVD), elektronencyclotronresonantieplasma-versterkte MOCVD (ECR-PEMOCVD) en inductief gekoppelde plasma-MOCVD (ICP-MOCVD), enz.

4. Epitaxietechnologie bij lage temperaturen, gebaseerd op het PVD-principe

Technologie typen

Inclusief reactief magnetronsputteren, plasma-ondersteunde MBE (PA-MBE), gepulseerde laserdepositie (PLD), gepulseerde sputterdepositie (PSD) en laser-ondersteunde MBE (LMBE).

Technische kenmerken

Deze technologieën leveren energie door externe veldkoppeling te gebruiken om de reactiebron bij lage temperatuur te ioniseren, waardoor de kraaktemperatuur wordt verlaagd en epitaxiale groei bij lage temperaturen van op GaN gebaseerde materialen wordt bereikt. De reactieve magnetronsputtertechnologie introduceert bijvoorbeeld een magnetisch veld tijdens het sputterproces om de kinetische energie van elektronen te vergroten en de kans op botsing met N2 en Ar te vergroten om het sputteren van het doel te verbeteren. Tegelijkertijd kan het ook plasma met hoge dichtheid boven het doel beperken en het bombardement van ionen op het substraat verminderen.

Uitdagingen

Hoewel de ontwikkeling van deze technologieën het mogelijk heeft gemaakt om goedkope en flexibele opto-elektronische apparaten te vervaardigen, worden ze ook geconfronteerd met uitdagingen op het gebied van de groeikwaliteit, de complexiteit van de apparatuur en de kosten. De PVD-technologie vereist bijvoorbeeld meestal een hoge vacuümgraad, wat de pre-reactie effectief kan onderdrukken en een aantal in-situ monitoringapparatuur kan introduceren die onder hoog vacuüm moet werken (zoals RHEED, Langmuir-sonde, enz.), maar het vergroot de moeilijkheidsgraad. van uniforme afzetting over een groot oppervlak, en de exploitatie- en onderhoudskosten van hoogvacuüm zijn hoog.

5. Epitaxiale technologie bij lage temperaturen, gebaseerd op het CVD-principe

Technologie typen

Waaronder plasma-CVD op afstand (RPCVD), migratie-versterkte afterglow-CVD (MEA-CVD), plasma-versterkte MOCVD op afstand (RPEMOCVD), activiteit-versterkte MOCVD (REMOCVD), elektronencyclotronresonantieplasma-versterkte MOCVD (ECR-PEMOCVD) en inductief gekoppelde plasma-MOCVD ( ICP-MOCVD).

Technische voordelen

Deze technologieën bereiken de groei van III-nitride halfgeleidermaterialen zoals GaN en InN bij lagere temperaturen door gebruik te maken van verschillende plasmabronnen en reactiemechanismen, wat bevorderlijk is voor uniforme depositie over een groot oppervlak en kostenreductie. De remote plasma CVD (RPCVD)-technologie maakt bijvoorbeeld gebruik van een ECR-bron als plasmagenerator, een lagedrukplasmagenerator die plasma met hoge dichtheid kan genereren. Tegelijkertijd is het 391 nm-spectrum geassocieerd met N2+, dankzij de plasmaluminescentiespectroscopie (OES)-technologie, bijna niet detecteerbaar boven het substraat, waardoor het bombardement van het monsteroppervlak door hoogenergetische ionen wordt verminderd.

Verbeter de kristalkwaliteit

De kristalkwaliteit van de epitaxiale laag wordt verbeterd door hoogenergetische geladen deeltjes effectief te filteren. MEA-CVD-technologie maakt bijvoorbeeld gebruik van een HCP-bron ter vervanging van de ECR-plasmabron van RPCVD, waardoor deze geschikter wordt voor het genereren van plasma met hoge dichtheid. Het voordeel van de HCP-bron is dat er geen zuurstofverontreiniging wordt veroorzaakt door het diëlektrische kwartsvenster, en dat deze een hogere plasmadichtheid heeft dan de capacitieve koppeling (CCP) plasmabron.

6. Samenvatting en vooruitzichten

De huidige status van epitaxietechnologie bij lage temperaturen

Door middel van literatuuronderzoek en analyse wordt de huidige status van epitaxietechnologie bij lage temperaturen geschetst, inclusief technische kenmerken, apparatuurstructuur, arbeidsomstandigheden en experimentele resultaten. Deze technologieën leveren energie via externe veldkoppeling, verlagen effectief de groeitemperatuur, passen zich aan de kenmerken van amorfe substraten aan en bieden de mogelijkheid om goedkope en flexibele (opto) elektronische apparaten te maken.

Toekomstige onderzoeksrichtingen

Epitaxietechnologie bij lage temperaturen heeft brede toepassingsmogelijkheden, maar bevindt zich nog in de verkennende fase. Het vereist diepgaand onderzoek van zowel de apparatuur- als procesaspecten om problemen in technische toepassingen op te lossen. Het is bijvoorbeeld noodzakelijk om verder te onderzoeken hoe plasma met een hogere dichtheid kan worden verkregen, waarbij rekening wordt gehouden met het probleem van de ionenfiltering in het plasma; hoe de structuur van het gashomogenisatie-apparaat moet worden ontworpen om de voorreactie in de holte bij lage temperaturen effectief te onderdrukken; hoe de verwarmer van de epitaxiale apparatuur voor lage temperaturen moet worden ontworpen om vonken of elektromagnetische velden te voorkomen die het plasma bij een specifieke holtedruk beïnvloeden.

Verwachte bijdrage

Er wordt verwacht dat dit veld een potentiële ontwikkelingsrichting zal worden en een belangrijke bijdrage zal leveren aan de ontwikkeling van de volgende generatie opto-elektronische apparaten. Met de scherpe aandacht en krachtige promotie van onderzoekers zal dit vakgebied in de toekomst uitgroeien tot een potentiële ontwikkelingsrichting en een belangrijke bijdrage leveren aan de ontwikkeling van de volgende generatie (opto-elektronische) apparaten.