Công nghệ epitaxy nhiệt độ thấp dựa trên GAN

1. Tầm quan trọng của các vật liệu dựa trên GaN

Vật liệu bán dẫn dựa trên GAN được sử dụng rộng rãi trong việc chuẩn bị các thiết bị quang điện tử, thiết bị điện tử và thiết bị vi sóng tần số vô tuyến do các đặc tính tuyệt vời của chúng như đặc tính băng rộng, cường độ trường phân tích cao và độ dẫn nhiệt cao. Các thiết bị này đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như chiếu sáng chất bán dẫn, nguồn sáng cực tím trạng thái rắn, quang điện mặt trời, màn hình laser, màn hình hiển thị linh hoạt, truyền thông di động, nguồn điện, xe năng lượng mới, lưới thông minh, v.v.

Hạn chế của công nghệ epitaxy truyền thống

Các công nghệ tăng trưởng epiticular truyền thống cho các vật liệu dựa trên GANMOCVDVàMBEThường yêu cầu điều kiện nhiệt độ cao, không áp dụng cho các chất nền vô định hình như thủy tinh và nhựa vì các vật liệu này không thể chịu được nhiệt độ tăng trưởng cao hơn. Ví dụ, kính nổi thường được sử dụng sẽ làm mềm trong điều kiện vượt quá 600 ° C. Nhu cầu về nhiệt độ thấpCông nghệ epitaxy: Với nhu cầu ngày càng tăng đối với các thiết bị quang điện tử (điện tử) chi phí thấp và linh hoạt, có nhu cầu về thiết bị epiticular sử dụng năng lượng điện trường bên ngoài để phá vỡ các tiền chất phản ứng ở nhiệt độ thấp. Công nghệ này có thể được thực hiện ở nhiệt độ thấp, thích nghi với các đặc tính của chất nền vô định hình và cung cấp khả năng chuẩn bị các thiết bị chi phí thấp và linh hoạt (quang điện tử).

2. Cấu trúc tinh thể của vật liệu dựa trên GaN

Loại cấu trúc tinh thể

Các vật liệu dựa trên GAN chủ yếu bao gồm GaN, Inn, ALN và các dung dịch rắn ternary và Đệ tứ của chúng, với ba cấu trúc tinh thể của Wurtzite, Sphalerite và ROCK muối, trong đó cấu trúc Wurtzite là ổn định nhất. Cấu trúc sphalerite là một pha có thể di chuyển, có thể được chuyển thành cấu trúc wurtzite ở nhiệt độ cao và có thể tồn tại trong cấu trúc wurtzite dưới dạng các lỗi xếp chồng ở nhiệt độ thấp hơn. Cấu trúc muối đá là giai đoạn áp suất cao của GaN và chỉ có thể xuất hiện trong điều kiện áp suất cực cao.

Đặc điểm của các mặt phẳng tinh thể và chất lượng tinh thể

Các mặt phẳng tinh thể phổ biến bao gồm mặt phẳng C cực, mặt phẳng S bán cực, mặt phẳng R, mặt phẳng N và mặt phẳng A không phân cực và mặt phẳng M. Thông thường, các màng mỏng dựa trên GaN thu được từ epitaxy trên chất nền Sapphire và Si là các hướng tinh thể mặt phẳng C.

3. Yêu cầu và giải pháp thực hiện công nghệ epitax

Sự cần thiết của sự thay đổi công nghệ

Với sự phát triển của thông tin và trí thông minh, nhu cầu về các thiết bị quang điện tử và các thiết bị điện tử có xu hướng chi phí thấp và linh hoạt. Để đáp ứng các nhu cầu này, cần phải thay đổi công nghệ epiticular hiện tại của các vật liệu dựa trên GAN, đặc biệt là để phát triển công nghệ epiticular có thể được thực hiện ở nhiệt độ thấp để thích nghi với các đặc điểm của chất nền vô định hình.

Phát triển công nghệ epitaxial nhiệt độ thấp

Công nghệ epitaxial nhiệt độ thấp dựa trên các nguyên tắc củalắng đọng hơi vật lý (PVD)Vàlắng đọng hơi hóa học (CVD), bao gồm cả đường phun từ tính phản ứng, MBE hỗ trợ huyết tương (PA-MBE), lắng đọng laser xung (PLD), lắng đọng phun xung (PSD), MBE hỗ trợ bằng laser (LMBE) .

4. Công nghệ epitax ở nhiệt độ thấp dựa trên nguyên tắc PVD

Loại công nghệ

Bao gồm cả xạ trị từ tính phản ứng, MBE hỗ trợ huyết tương (PA-MBE), lắng đọng laser xung (PLD), lắng đọng nhịp xung (PSD) và MBE hỗ trợ bằng laser (LMBE).

Tính năng kỹ thuật

Những công nghệ này cung cấp năng lượng bằng cách sử dụng khớp nối trường bên ngoài để ion hóa nguồn phản ứng ở nhiệt độ thấp, do đó làm giảm nhiệt độ nứt và đạt được sự tăng trưởng epiticular nhiệt độ thấp của các vật liệu dựa trên GAN. Ví dụ, công nghệ phun từ tính phản ứng giới thiệu một từ trường trong quá trình phun để tăng động năng của các electron và tăng khả năng va chạm với N2 và AR để tăng cường tốc độ mục tiêu. Đồng thời, nó cũng có thể giới hạn huyết tương mật độ cao trên mục tiêu và giảm bắn phá các ion trên đế.

Thách thức

Mặc dù sự phát triển của các công nghệ này đã giúp chuẩn bị các thiết bị quang điện tử chi phí thấp và linh hoạt, chúng cũng phải đối mặt với những thách thức về chất lượng tăng trưởng, độ phức tạp của thiết bị và chi phí. Ví dụ, công nghệ PVD thường yêu cầu mức độ chân không cao, có thể triệt tiêu trước phản ứng và giới thiệu một số thiết bị giám sát tại chỗ phải hoạt động dưới chân không cao (như RHEED, đầu dò Langmuir, v.v.), nhưng nó làm tăng độ khó của sự lắng đọng đồng nhất ở khu vực lớn.

5. Công nghệ epiticular nhiệt độ thấp dựa trên nguyên tắc CVD

Loại công nghệ

Bao gồm CVD huyết tương từ xa (RPCVD), di chuyển tăng cường sau CVD (MEA-CVD), MOCVD tăng cường huyết tương từ xa (RPEMOCVD), hoạt động tăng cường MOCVD (REMOCVD) (ICP-MOCVD).

Lợi thế kỹ thuật

Những công nghệ này đạt được sự phát triển của các vật liệu bán dẫn III-nitride như GaN và Inn ở nhiệt độ thấp hơn bằng cách sử dụng các nguồn plasma và cơ chế phản ứng khác nhau, có lợi cho sự lắng đọng đồng nhất khu vực lớn và giảm chi phí. Ví dụ, công nghệ CVD huyết tương từ xa (RPCVD) sử dụng nguồn ECR làm máy phát plasma, đây là một máy phát plasma áp suất thấp có thể tạo ra huyết tương mật độ cao. Đồng thời, thông qua công nghệ quang phổ phát quang plasma (OES), phổ 391nm liên quan đến N2+ gần như không thể phát hiện được trên cơ chất, do đó làm giảm sự bắn phá bề mặt mẫu bởi các ion năng lượng cao.

Cải thiện chất lượng tinh thể

Chất lượng tinh thể của lớp epiticular được cải thiện bằng cách lọc hiệu quả các hạt tích điện năng lượng cao. Ví dụ, công nghệ MEA-CVD sử dụng nguồn HCP để thay thế nguồn RPCVD trong huyết tương ECR, làm cho nó phù hợp hơn để tạo ra huyết tương mật độ cao. Ưu điểm của nguồn HCP là không có ô nhiễm oxy gây ra bởi cửa sổ điện môi thạch anh, và nó có mật độ plasma cao hơn so với nguồn plasma ghép điện dung (ĐCSTQ).

6. Tóm tắt và triển vọng

Tình trạng hiện tại của công nghệ epitaxy nhiệt độ thấp

Thông qua nghiên cứu và phân tích tài liệu, tình trạng hiện tại của công nghệ epitaxy nhiệt độ thấp được phác thảo, bao gồm các đặc điểm kỹ thuật, cấu trúc thiết bị, điều kiện làm việc và kết quả thử nghiệm. Những công nghệ này cung cấp năng lượng thông qua khớp nối trường bên ngoài, làm giảm hiệu quả nhiệt độ tăng trưởng, thích ứng với các đặc tính của chất nền vô định hình và cung cấp khả năng chuẩn bị các thiết bị điện tử chi phí thấp và linh hoạt (OPTO).

Hướng nghiên cứu trong tương lai

Công nghệ epitaxy nhiệt độ thấp có triển vọng ứng dụng rộng rãi, nhưng nó vẫn đang trong giai đoạn khám phá. Nó đòi hỏi nghiên cứu chuyên sâu từ cả hai khía cạnh thiết bị và xử lý để giải quyết các vấn đề trong các ứng dụng kỹ thuật. Ví dụ, cần nghiên cứu thêm về cách thu được huyết tương mật độ cao hơn trong khi xem xét vấn đề lọc ion trong huyết tương; Làm thế nào để thiết kế cấu trúc của thiết bị đồng nhất hóa khí để ngăn chặn hiệu quả các phản ứng trước trong khoang ở nhiệt độ thấp; Làm thế nào để thiết kế lò sưởi của thiết bị epiticular nhiệt độ thấp để tránh phun ra hoặc các trường điện từ ảnh hưởng đến plasma ở áp suất khoang cụ thể.

Đóng góp dự kiến

Dự kiến ​​lĩnh vực này sẽ trở thành một hướng phát triển tiềm năng và đóng góp quan trọng cho sự phát triển của thế hệ thiết bị quang điện tử tiếp theo. Với sự chú ý và thúc đẩy mạnh mẽ của các nhà nghiên cứu, lĩnh vực này sẽ phát triển thành một hướng phát triển tiềm năng trong tương lai và đóng góp quan trọng cho sự phát triển của các thiết bị (quang điện tử) tiếp theo.