Τεχνολογία επιταξίας χαμηλής θερμοκρασίας με βάση το GAN

1. Η σημασία των υλικών που βασίζονται σε GAN

Τα υλικά ημιαγωγών που βασίζονται σε GAN χρησιμοποιούνται ευρέως στην παρασκευή οπτοηλεκτρονικών συσκευών, ηλεκτρονικών συσκευών ισχύος και συσκευών μικροκυμάτων ραδιοσυχνότητας λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων τους, όπως τα ευρύτατα χαρακτηριστικά του Bandgap, η υψηλή αντοχή του πεδίου και η υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Αυτές οι συσκευές έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε βιομηχανίες όπως ο φωτισμός ημιαγωγών, οι πηγές υπεριώδους φωτός στερεάς κατάστασης, η ηλιακή φωτοβολταϊκή, η οθόνη λέιζερ, οι εύκαμπτες οθόνες οθόνης, οι κινητές επικοινωνίες, τα τροφοδοτικά, τα νέα ενεργειακά οχήματα, τα έξυπνα πλέγματα κ.λπ.

Περιορισμοί της παραδοσιακής τεχνολογίας επιταξίας

Παραδοσιακές επιταξιακές τεχνολογίες ανάπτυξης για υλικά που βασίζονται σε GAN όπωςMOCVDκαιMBEΣυνήθως απαιτούν συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας, οι οποίες δεν ισχύουν για άμορφα υποστρώματα όπως γυαλί και πλαστικά, επειδή αυτά τα υλικά δεν μπορούν να αντέξουν σε υψηλότερες θερμοκρασίες ανάπτυξης. Για παράδειγμα, το συνήθως χρησιμοποιούμενο γυαλί πλωτήρα θα μαλακώσει υπό συνθήκες που υπερβαίνουν τους 600 ° C. Ζήτηση για χαμηλή θερμοκρασίατεχνολογία επιταξίας: Με την αυξανόμενη ζήτηση για συσκευές χαμηλού κόστους και ευέλικτες οπτοηλεκτρονικές (ηλεκτρονικές), υπάρχει ζήτηση για επιταξιακό εξοπλισμό που χρησιμοποιεί εξωτερική ενέργεια ηλεκτρικού πεδίου για να σπάσει πρόδρομα αντίδρασης σε χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτή η τεχνολογία μπορεί να πραγματοποιηθεί σε χαμηλές θερμοκρασίες, να προσαρμοστεί στα χαρακτηριστικά των άμορφων υποστρωμάτων και να παρέχει τη δυνατότητα προετοιμασίας συσκευών χαμηλού κόστους και ευέλικτων (οπτοηλεκτρονικών).

2. Κρυσταλλική δομή υλικών με βάση το GAN

Τύπος κρυσταλλικής δομής

Τα υλικά που βασίζονται σε GAN περιλαμβάνουν κυρίως Gan, Inn, ALN και τα τριμερή και τεταρτοιαία στερεά διαλύματα τους, με τρεις κρυσταλλικές δομές του Wurtzite, του σφαιρίτη και του αλατιού, μεταξύ των οποίων η δομή του Wurtzite είναι η πιο σταθερή. Η δομή σφαλερίτη είναι μια μεταστατική φάση, η οποία μπορεί να μετατραπεί στη δομή του wurtzite σε υψηλή θερμοκρασία και μπορεί να υπάρχει στη δομή του wurtzite με τη μορφή σφάλματος στοίβαξης σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Η δομή του αλατιού του βράχου είναι η φάση υψηλής πίεσης του GAN και μπορεί να εμφανιστεί μόνο υπό εξαιρετικά υψηλές συνθήκες πίεσης.

Χαρακτηρισμός των κρυστάλλων και της ποιότητας των κρυστάλλων

Τα κοινά κρυστάλλινα επίπεδα περιλαμβάνουν πολικό C-Plane, ημι-πολικό πλαίσιο S-Plane, R-Plane, N-Plane και μη πολικό A-Plane και M-Plane. Συνήθως, οι λεπτές μεμβράνες που βασίζονται σε GAN που λαμβάνονται με επιταξία σε υποστρώματα ζαφείρι και Si είναι κρυσταλλικοί προσανατολισμοί C-Plane.

3. Απαιτήσεις τεχνολογίας επιταξίας και λύσεις υλοποίησης

Αναγκαιότητα τεχνολογικής αλλαγής

Με την ανάπτυξη της πληροφόρησης και της νοημοσύνης, 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 που βασίζονται σε GAN, ειδικά για την ανάπτυξη επιταξιακής τεχνολογίας που μπορεί να πραγματοποιηθεί σε χαμηλές θερμοκρασίες για να προσαρμοστεί στα χαρακτηριστικά των άμορφων υποστρωμάτων.

Ανάπτυξη επιταξιακής τεχνολογίας χαμηλής θερμοκρασίας

Επιταξική τεχνολογία χαμηλής θερμοκρασίας με βάση τις αρχές τουφυσική εναπόθεση ατμών (Διαβάθμιση)καιΧημική εναπόθεση ατμών (CVD), συμπεριλαμβανομένης της αντιδραστικής ψεκασμού μαγνητρονίου, του MBE (PAL-MBE), της μετανάστευσης, μετανάστευσης, μετανάστευση, ενισχυμένη με μετανάστευση, (RPEMOCVD), η δραστηριότητα ενισχυμένη MOCVD (RECOCVD), το πλάσμα συντονισμού ηλεκτρονίων Cyclotron Enhanced MoCVD (ECR-PEMOCVD) και το επαγωγικά συζευγμένο MOCVD στο πλάσμα (ICP-MOCVD) κ.λπ.

4. Τεχνολογία επιταξίας χαμηλής θερμοκρασίας βασισμένη στην αρχή Διαβάθμιση

Τύποι τεχνολογίας

Συμπεριλαμβανομένης της αντιδραστικής ψεκασμού μαγνητρονίου, του MBE (PA-MBE) που υποτίθεται στο πλάσμα, της παλμικής εναπόθεσης λέιζερ (PLD), της παλμικής εναπόθεσης ψεκασμού (PSD) και του MBE με τη βοήθεια του λέιζερ (LMBE).

Τεχνικά χαρακτηριστικά

Αυτές οι τεχνολογίες παρέχουν ενέργεια με τη χρήση εξωτερικού συνδυασμού πεδίου για να ιονίζουν την πηγή αντίδρασης σε χαμηλή θερμοκρασία, μειώνοντας έτσι τη θερμοκρασία ρωγμών και την επίτευξη επιταξιακής ανάπτυξης χαμηλής θερμοκρασίας των υλικών που βασίζονται σε GAN. Για παράδειγμα, η αντιδραστική τεχνολογία ψεκασμού μαγνητρονίου εισάγει ένα μαγνητικό πεδίο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ψεκασμού για να αυξήσει την κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων και να αυξήσει την πιθανότητα σύγκρουσης με N2 και AR για την ενίσχυση του sputtering στόχου. Ταυτόχρονα, μπορεί επίσης να περιορίσει το πλάσμα υψηλής πυκνότητας πάνω από το στόχο και να μειώσει τον βομβαρδισμό των ιόντων στο υπόστρωμα.

Προκλήσεις

Παρόλο που η ανάπτυξη αυτών των τεχνολογιών έχει καταστήσει δυνατή την προετοιμασία των χαμηλού κόστους και των ευέλικτων οπτοηλεκτρονικών συσκευών, 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 παρακολούθησης επί τόπου που πρέπει να εργάζεται υπό υψηλό κενό (όπως το Rheed, ο ανιχνευτής Langmuir κ.λπ.)

5. Επιταξιακή τεχνολογία χαμηλής θερμοκρασίας βασισμένη στην αρχή CVD

Τύποι τεχνολογίας

Συμπεριλαμβανομένης της απομακρυσμένης CVD πλάσματος (RPCVD), η μετανάστευση ενίσχυσε το CVD Afterglow (MEA-CVD), το απομακρυσμένο πλάσμα MOCVD (RPEMOCVD), το ενισχυμένο με MocVD (ecr-pemocvd).

Τεχνικά πλεονεκτήματα

Αυτές οι τεχνολογίες επιτυγχάνουν την ανάπτυξη υλικών ημιαγωγών III-καριδίου, όπως το GAN και το Inn σε χαμηλότερες θερμοκρασίες χρησιμοποιώντας διαφορετικές πηγές πλάσματος και μηχανισμούς αντίδρασης, γεγονός που ευνοεί την ενιαία απόθεση και τη μείωση του κόστους μεγάλης περιοχής. Για παράδειγμα, η τεχνολογία Remote CVD πλάσματος (RPCVD) χρησιμοποιεί μια πηγή ECR ως γεννήτρια πλάσματος, η οποία είναι μια γεννήτρια πλάσματος χαμηλής πίεσης που μπορεί να παράγει 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 με ιόντα υψηλής ενέργειας.

Βελτιώστε την ποιότητα των κρυστάλλων

Η κρυστάλλινη ποιότητα του επιταξιακού στρώματος βελτιώνεται με αποτελεσματικό φιλτράρισμα 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 (CCP).

6. Περίληψη και προοπτική

Η τρέχουσα κατάσταση της τεχνολογίας επιταξίας χαμηλής θερμοκρασίας

Μέσω της έρευνας και της ανάλυσης της βιβλιογραφίας, περιγράφεται 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 εξωτερικής σύζευξης πεδίου, μειώνουν αποτελεσματικά τη θερμοκρασία ανάπτυξης, προσαρμόζονται στα χαρακτηριστικά των άμορφων υποστρωμάτων και παρέχουν τη δυνατότητα παρασκευής ηλεκτρονικών συσκευών χαμηλού κόστους και ευέλικτων (OPTO).

Μελλοντικές οδηγίες έρευνας

Η τεχνολογία επιταξίας χαμηλής θερμοκρασίας έχει ευρείες προοπτικές εφαρμογών, αλλά εξακολουθεί να βρίσκεται στο διερευνητικό στάδιο. Απαιτεί σε βάθος έρευνα τόσο από τον εξοπλισμό όσο και από τις πτυχές της επεξεργασίας για την επίλυση προβλημάτων στις εφαρμογές μηχανικής. Για παράδειγμα, είναι απαραίτητο να μελετηθούν περαιτέρω πώς να αποκτήσετε πλάσμα υψηλότερης πυκνότητας, λαμβάνοντας υπόψη το πρόβλημα φιλτραρίσματος ιόντων στο πλάσμα. Πώς να σχεδιάσετε τη δομή της συσκευής ομογενοποίησης αερίου για να καταστείλει αποτελεσματικά την προεπκατάσταση στην κοιλότητα σε χαμηλές θερμοκρασίες. Πώς να σχεδιάσετε τον θερμαντήρα του επιταξιακού εξοπλισμού χαμηλής θερμοκρασίας για να αποφευχθεί η σπινθήρα ή τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία που επηρεάζουν το πλάσμα σε μια ειδική πίεση της 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, ο τομέας αυτός θα αναπτυχθεί σε μια πιθανή κατεύθυνση ανάπτυξης στο μέλλον και θα συμβάλει σημαντικά στην ανάπτυξη των επόμενων γενιάς (οπτοηλεκτρονικών) συσκευών.