GAN-baserad lågtemperaturepitaxteknologi

1. Betydelsen av GaN-baserade material

GaN-baserade halvledarmaterial används allmänt vid beredning av optoelektroniska enheter, kraftelektroniska enheter och radiofrekvensmikrovågsanordningar på grund av deras utmärkta egenskaper såsom breda bandgap-egenskaper, hög nedbrytningsfältstyrka och hög värmeledningsförmåga. Dessa enheter har använts i stor utsträckning i branscher som halvledarbelysning, ultravioletta ljuskällor med fast tillstånd, solfotovoltaik, laserdisplay, flexibla skärmar, mobilkommunikation, kraftförsörjning, nya energifordon, smarta rutnät etc. och tekniken och marknaden blir mer mogna.

Begränsningar av traditionell epitaxteknik

Traditionella epitaxiella tillväxttekniker för GaN-baserade material somMocvdochMbekräver vanligtvis höga temperaturförhållanden, som inte är tillämpliga på amorfa substrat såsom glas och plast eftersom dessa material inte tål högre tillväxttemperaturer. Till exempel kommer vanligt använt flottörglas att mjukas under förhållanden som överstiger 600 ° C. Efterfrågan på lågtemperaturepitaxteknik: Med den ökande efterfrågan på billiga och flexibla optoelektroniska (elektroniska) enheter finns det en efterfrågan på epitaxial utrustning som använder extern elektrisk fältenergi för att spricka reaktionsprekursorer vid låga temperaturer. Denna teknik kan utföras vid låga temperaturer, anpassa sig till egenskaperna hos amorfa substrat och ge möjligheten att förbereda lågkostnads- och flexibla (optoelektroniska) enheter.

2. Kristallstruktur av GaN-baserade material

Kristallstrukturtyp

GaN-baserade material inkluderar främst GaN, Inn, ALN och deras ternära och kvartära fasta lösningar, med tre kristallstrukturer av wurtzite, sphalerit och bergsalt, bland vilka wurtzitstrukturen är den mest stabila. Sphaleritstrukturen är en metastabil fas, som kan omvandlas till wurtzitstrukturen vid hög temperatur och kan existera i wurtzitstrukturen i form av staplingsfel vid lägre temperaturer. Bergsaltstrukturen är högtrycksfasen för GaN och kan endast visas under extremt högtrycksförhållanden.

Karakterisering av kristallplan och kristallkvalitet

Vanliga kristallplan inkluderar polärt C-plan, halvpolärt S-plan, R-plan, N-plan och icke-polär A-plan och M-plan. Vanligtvis är de GaN-baserade tunna filmerna erhållna av epitaxi på safir- och Si-substrat C-plan kristallorienteringar.

3. Epitaxy Technology Krav och implementeringslösningar

Nödvändighet av teknisk förändring

Med utvecklingen av informatisering och intelligens tenderar efterfrågan på optoelektroniska enheter och elektroniska enheter att vara billiga och flexibla. För att tillgodose dessa behov är det nödvändigt att ändra den befintliga epitaxiella tekniken för GaN-baserade material, särskilt för att utveckla epitaxial teknik som kan utföras vid låga temperaturer för att anpassa sig till egenskaperna hos amorfa substrat.

Utveckling av lågtemperaturepitaxial teknik

Lågtemperatur epitaxial teknik baserad på principerna förFysisk ångavsättning (Pvd)ochkemisk ångavsättning (Cvd), inklusive reaktiv magnetronsputtering, plasmaassisterad MBE (PA-MBE), pulserad laseravsättning (PLD), pulserad sputteringsavsättning (PSD), Laser-assisterad MBE (LMBE), Remote Plasma CVD (RPCVD), migrationsförbättrad efterkläder CVD (MEA-CVD) (RPEMOCVD), Aktivitetsförbättrad MOCVD (REMOCVD), elektroncyklotronresonansplasmaförbättrad MOCVD (ECR-PEMOCVD) och induktivt kopplad plasma MOCVD (ICP-MOCVD), etc.

4. Lågtemperaturepitaxteknologi baserad på PVD-princip

Tekniktyper

Inklusive reaktiv magnetronsputtering, plasmaassisterad MBE (PA-MBE), pulserad laseravsättning (PLD), pulserad sputteringsavsättning (PSD) och laserassisterad MBE (LMBE).

Tekniska funktioner

Dessa tekniker tillhandahåller energi genom att använda extern fältkoppling för att jonisera reaktionskällan vid låg temperatur, vilket minskar dess sprickningstemperatur och uppnår lågtemperatur epitaxial tillväxt av GaN-baserade material. Till exempel introducerar reaktiv magnetronsputteringsteknologi ett magnetfält under sputteringsprocessen för att öka den kinetiska energin hos elektroner och öka sannolikheten för kollision med N2 och AR för att förbättra målsputning. Samtidigt kan den också begränsa plasma med hög densitet över målet och minska bombardemanget av joner på underlaget.

Utmaningar

Även om utvecklingen av dessa tekniker har gjort det möjligt att förbereda billiga och flexibla optoelektroniska enheter, står de också inför utmaningar när det gäller tillväxtkvalitet, utrustningskomplexitet och kostnad. Exempelvis kräver PVD-teknik vanligtvis en hög vakuumgrad, som effektivt kan undertrycka förreaktion och införa en del in-situ övervakningsutrustning som måste fungera under hög vakuum (såsom rheed, langmuir-sond, etc.), men det ökar svårigheten med storområden och driften och underhållskostnaden för hög vakuum är hög.

5. Epitaxial teknik med låg temperatur baserad på CVD-princip

Tekniktyper

Including remote plasma CVD (RPCVD), migration enhanced afterglow CVD (MEA-CVD), remote plasma enhanced MOCVD (RPEMOCVD), activity enhanced MOCVD (REMOCVD), electron cyclotron resonance plasma enhanced MOCVD (ECR-PEMOCVD) and inductively coupled plasma MOCVD (ICP-MOCVD).

Tekniska fördelar

Dessa teknologier uppnår tillväxten av iii-nitridhalvledarmaterial såsom GaN och Inn vid lägre temperaturer genom att använda olika plasmakällor och reaktionsmekanismer, vilket bidrar till enhetlig avsättning och kostnadsminskning. Exempelvis använder fjärrplasma CVD (RPCVD) -teknologi en ECR-källa som en plasmagenerator, som är en plasmagenerator med lågtryck som kan generera plasma med hög densitet. Samtidigt, genom plasma-luminescensspektroskopi (OES) -teknologi, är 391 nm-spektrumet associerat med N2+ nästan oupptäckt ovanför substratet, vilket minskar bombardemanget av provytan med högenergiska joner.

Förbättra kristallkvaliteten

Kristallkvaliteten på det epitaxiella skiktet förbättras genom att effektivt filtrera högenergi laddade partiklar. Till exempel använder MEA-CVD-teknik en HCP-källa för att ersätta ECR-plasmakällan för RPCVD, vilket gör den mer lämplig för att generera plasma med hög densitet. Fördelen med HCP -källan är att det inte finns någon syreförorening orsakad av det kvarts dielektriska fönstret, och det har en högre plasmatäthet än den kapacitiva kopplingen (CCP) plasmakälla.

6. Sammanfattning och utsikter

Den nuvarande statusen för lågtemperaturepitaxteknologi

Genom litteraturforskning och analys beskrivs den nuvarande statusen för lågtemperaturepitaxteknologi, inklusive tekniska egenskaper, utrustningstruktur, arbetsförhållanden och experimentella resultat. Dessa tekniker tillhandahåller energi genom extern fältkoppling, minskar effektivt tillväxttemperaturen, anpassar sig till egenskaperna hos amorfa substrat och ger möjligheten att förbereda lågkostnad och flexibla (OPTO) elektroniska anordningar.

Framtida forskningsanvisningar

Epitaxy-teknik med låg temperatur har breda tillämpningsmöjligheter, men det är fortfarande i det undersökande stadiet. Det kräver djupgående forskning från både utrustning och processaspekter för att lösa problem i tekniska applikationer. Till exempel är det nödvändigt att ytterligare studera hur man får en plasma med högre densitet samtidigt som man överväger jonfiltreringsproblemet i plasma; Hur man utformar strukturen för gashomogeniseringsanordningen för att effektivt undertrycka förreaktion i kaviteten vid låga temperaturer; Hur man utformar värmaren för den lågtemperaturens epitaxial utrustning för att undvika gnistrande eller elektromagnetiska fält som påverkar plasma vid ett specifikt kavitetstryck.

Förväntat bidrag

Det förväntas att detta område kommer att bli en potentiell utvecklingsriktning och ge viktiga bidrag till utvecklingen av nästa generation av optoelektroniska enheter. Med den stora uppmärksamheten och kraftfulla främjandet av forskare kommer detta område att växa till en potentiell utvecklingsriktning i framtiden och ge viktiga bidrag till utvecklingen av nästa generation av (optoelektroniska) enheter.