Tecnología de epitaxia de baja temperatura basada en GaN

1. La importancia de los materiales a base de gan

Los materiales semiconductores basados ​​en GaN se utilizan ampliamente en la preparación de dispositivos optoelectrónicos, dispositivos electrónicos de potencia y dispositivos de microondas de radiofrecuencia debido a sus excelentes propiedades, como características de banda ancha, alta resistencia al campo de descomposición y alta conductividad térmica. Estos dispositivos se han utilizado ampliamente en industrias como iluminación de semiconductores, fuentes de luz ultravioleta de estado sólido, energía solar fotovoltaica, pantalla láser, pantallas de visualización flexibles, comunicaciones móviles, alimentación, nuevos vehículos energéticos, redes inteligentes, etc. y la tecnología y el mercado se están volviendo más maduras.

Limitaciones de la tecnología de epitaxia tradicional

Tecnologías de crecimiento epitaxial tradicionales para materiales a base de ganancia comoMocvdyMBEPor lo general, requieren condiciones de alta temperatura, que no son aplicables a sustratos amorfos, como el vidrio y los plásticos, porque estos materiales no pueden soportar mayores temperaturas de crecimiento. Por ejemplo, el vidrio flotante de uso común se suavizará en condiciones superiores a 600 ° C. Demanda de baja temperaturaTecnología de epitaxia: Con la creciente demanda de dispositivos optoelectrónicos (electrónicos) de bajo costo y flexibles, existe una demanda de equipos epitaxiales que utiliza energía de campo eléctrico externo para descifrar precursores de reacción a bajas temperaturas. Esta tecnología se puede llevar a cabo a bajas temperaturas, adaptándose a las características de los sustratos amorfos y proporcionando la posibilidad de preparar dispositivos de bajo costo y flexible (optoelectrónico).

2. Estructura cristalina de materiales a base de gan

Tipo de estructura cristalina

Los materiales a base de GaN incluyen principalmente GaN, Inn, ALN y sus soluciones sólidas ternarias y cuaternarias, con tres estructuras de cristal de wurtzita, esfalerita y sal de roca, entre las cuales la estructura de wurtzita es la más estable. La estructura de la esfalerita es una fase metaestable, que puede transformarse en la estructura de wurtzita a alta temperatura, y puede existir en la estructura de wurtzita en forma de fallas de apilamiento a temperaturas más bajas. La estructura de sal de roca es la fase de alta presión de GaN y solo puede aparecer en condiciones de presión extremadamente alta.

Caracterización de planos de cristal y calidad de cristal

Los planos de cristal comunes incluyen plano C polar, plano S semipolar, plano R, plano N y plano A no polar y plano M. Por lo general, las películas delgadas basadas en GaN obtenidas por Epitaxy en sustratos de zafiro y SI son orientaciones de cristal del plano C.

3. Requisitos de tecnología de epitaxia y soluciones de implementación

Necesidad del cambio tecnológico

Con el desarrollo de la informatización e inteligencia, la demanda de dispositivos optoelectrónicos y dispositivos electrónicos tiende a ser de bajo costo y flexible. Para satisfacer estas necesidades, es necesario cambiar la tecnología epitaxial existente de los materiales basados ​​en GaN, especialmente para desarrollar tecnología epitaxial que pueda llevarse a cabo a bajas temperaturas para adaptarse a las características de los sustratos amorfos.

Desarrollo de tecnología epitaxial de baja temperatura

Tecnología epitaxial de baja temperatura basada en los principios dedeposición de vapor físico (Pvd)ydeposición de vapor químico (CVD), incluyendo pulverización de magnetrón reactivo, MBE asistido por plasma (PA-MBE), depósito láser pulsado (PLD), depósito pulsado de pulsación (PSD), MBE asistido por láser (LMBE), MOCVD de plasma remota de plasma), MOCVD de plasma remota), MOCVD de plasma remota). (RPEMOCVD), MOCVD mejorado de la actividad (REMOCVD), Plasma de resonancia de ciclotrón de electrones MOCVD mejorado (ECR-PEMOCVD) y MOCVD en plasma acoplado inductivamente (ICP-MOCVD), etc.

4. Tecnología de epitaxia de baja temperatura basada en el principio de Pvd

Tipos de tecnología

Incluyendo pulverización reactiva del magnetrón, MBE asistido por plasma (PA-MBE), deposición láser pulsada (PLD), deposición de pulsación pulsada (PSD) y MBE asistido por láser (LMBE).

Características técnicas

Estas tecnologías proporcionan energía mediante el uso de un acoplamiento de campo externo para ionizar la fuente de reacción a baja temperatura, reduciendo así su temperatura de agrietamiento y logrando un crecimiento epitaxial de baja temperatura de los materiales a base de GaN. Por ejemplo, la tecnología de pulverización de magnetrón reactivo introduce un campo magnético durante el proceso de pulverización para aumentar la energía cinética de los electrones y aumentar la probabilidad de colisión con N2 y AR para mejorar la pulverización objetivo. Al mismo tiempo, también puede limitar el plasma de alta densidad por encima del objetivo y reducir el bombardeo de iones en el sustrato.

Desafíos

Aunque el desarrollo de estas tecnologías ha permitido preparar dispositivos optoelectrónicos flexibles y de bajo costo, también enfrentan desafíos en términos de calidad de crecimiento, complejidad del equipo y costo. Por ejemplo, la tecnología de PVD generalmente requiere un alto grado de vacío, que puede suprimir efectivamente la reacción previa e introducir algunos equipos de monitoreo in situ que deben trabajar bajo un alto vacío (como Rheed, la sonda de Langmuir, etc.), pero aumenta la dificultad de la deposición uniforme de áreas grandes, y el costo de operación y mantenimiento del alto vacío es alto.

5. Tecnología epitaxial de baja temperatura basada en el principio de CVD

Tipos de tecnología

Incluyendo CVD de plasma remoto (RPCVD), Migration Migration AfterGlow CVD (MEA-CVD), MOCVD de plasma remoto (RPEMOCVD), MOCVD mejorado de actividad (REMOCVD), MOCVD (CECR-PEMOCVD) (ECR-PEMOCVD) de resonancia electrónica (ECR-PEMOCVD).

Ventajas técnicas

Estas tecnologías logran el crecimiento de materiales semiconductores de nitruro III, como GaN y INN, a temperaturas más bajas mediante el uso de diferentes fuentes de plasma y mecanismos de reacción, que conducen a una deposición y una reducción de costos uniformes de gran área. Por ejemplo, la tecnología remota de plasma CVD (RPCVD) utiliza una fuente ECR como generador de plasma, que es un generador de plasma de baja presión que puede generar plasma de alta densidad. Al mismo tiempo, a través de la tecnología de espectroscopía de luminiscencia plasmática (OES), el espectro de 391 nm asociado con N2+ es casi indetectable por encima del sustrato, reduciendo así el bombardeo de la superficie de la muestra por iones de alta energía.

Mejorar la calidad del cristal

La calidad del cristal de la capa epitaxial se mejora filtrando efectivamente partículas cargadas de alta energía. Por ejemplo, la tecnología MEA-CVD utiliza una fuente HCP para reemplazar la fuente de plasma ECR de RPCVD, lo que la hace más adecuada para generar plasma de alta densidad. La ventaja de la fuente HCP es que no hay contaminación por oxígeno causada por la ventana dieléctrica de cuarzo, y tiene una densidad de plasma más alta que la fuente de plasma de acoplamiento capacitivo (CCP).

6. Resumen y perspectiva

El estado actual de la tecnología de epitaxia de baja temperatura

A través de la investigación y el análisis de la literatura, se describe el estado actual de la tecnología de epitaxia de baja temperatura, incluidas las características técnicas, la estructura del equipo, las condiciones de trabajo y los resultados experimentales. Estas tecnologías proporcionan energía a través del acoplamiento de campo externo, reducen efectivamente la temperatura de crecimiento, se adaptan a las características de los sustratos amorfos y brindan la posibilidad de preparar dispositivos electrónicos de bajo costo y flexibles (OPTO).

Instrucciones de investigación futuras

La tecnología de epitaxia de baja temperatura tiene amplias perspectivas de aplicaciones, pero todavía está en la etapa exploratoria. Requiere una investigación en profundidad tanto del equipo como de los aspectos de procesos para resolver problemas en aplicaciones de ingeniería. Por ejemplo, es necesario estudiar más a fondo cómo obtener un plasma de mayor densidad mientras se considera el problema de filtrado de iones en el plasma; Cómo diseñar la estructura del dispositivo de homogeneización de gas para suprimir de manera efectiva la reacción previa en la cavidad a bajas temperaturas; Cómo diseñar el calentador del equipo epitaxial de baja temperatura para evitar chispas o campos electromagnéticos que afectan el plasma a una presión de cavidad específica.

Contribución esperada

Se espera que este campo se convierta en una dirección de desarrollo potencial y haga contribuciones importantes al desarrollo de la próxima generación de dispositivos optoelectrónicos. Con la gran atención y la promoción vigorosa de los investigadores, este campo se convertirá en una posible dirección de desarrollo en el futuro y hará contribuciones importantes al desarrollo de la próxima generación de dispositivos (optoelectrónicos).