Tecnologia epitassia a bassa temperatura basata su GaN

1. L'importanza dei materiali a base GaN

I materiali semiconduttori a base di GaN sono ampiamente utilizzati nella preparazione di dispositivi optoelettronici, dispositivi elettronici di potenza e dispositivi a microonde a radiofrequenza grazie alle loro eccellenti proprietà come le caratteristiche di ampio gap di banda, elevata intensità di campo di rottura ed elevata conduttività termica. Questi dispositivi sono stati ampiamente utilizzati in settori quali l'illuminazione a semiconduttori, le fonti di luce ultravioletta allo stato solido, il fotovoltaico solare, i display laser, gli schermi flessibili, le comunicazioni mobili, gli alimentatori, i veicoli a nuova energia, le reti intelligenti, ecc., e la tecnologia e mercato stanno diventando più maturi.

Limitazioni della tradizionale tecnologia epitassia

Tecnologie tradizionali di crescita epitassiale per materiali a base GaN comeMOCVDEMBEdi solito richiedono condizioni di temperatura elevata, che non sono applicabili a substrati amorfi come vetro e plastica perché questi materiali non possono sopportare temperature di crescita più elevate. Ad esempio, il vetro float comunemente utilizzato si ammorbidisce in condizioni superiori a 600°C. Domanda di bassa temperaturatecnologia dell'epitassia: Con la crescente domanda di dispositivi optoelettronici (elettronici) flessibili e a basso costo, esiste una richiesta di apparecchiature epitassiali che utilizzano l'energia del campo elettrico esterno per crackare i precursori di reazione a basse temperature. Questa tecnologia può essere realizzata a basse temperature, adattandosi alle caratteristiche dei substrati amorfi, e fornendo la possibilità di preparare dispositivi (optoelettronici) a basso costo e flessibili.

2. Struttura cristallina di materiali a base GaN

Tipo di struttura cristallina

I materiali a base di GaN includono principalmente GaN, InN, AlN e le loro soluzioni solide ternarie e quaternarie, con tre strutture cristalline di wurtzite, sfalerite e salgemma, tra le quali la struttura di wurtzite è la più stabile. La struttura della sfalerite è una fase metastabile, che può essere trasformata nella struttura della wurtzite ad alta temperatura, e può esistere nella struttura della wurtzite sotto forma di difetti di impilamento a temperature più basse. La struttura del salgemma è la fase ad alta pressione del GaN e può apparire solo in condizioni di pressione estremamente elevata.

Caratterizzazione dei piani cristallini e qualità dei cristalli

I piani cristallini comuni includono il piano c polare, il piano s semipolare, il piano r, il piano n e il piano a e m non polare. Di solito, i film sottili a base di GaN ottenuti mediante epitassia su substrati di zaffiro e Si hanno orientamenti cristallini sul piano c.

3. Requisiti tecnologici dell'epitassia e soluzioni implementative

Necessità del cambiamento tecnologico

Con lo sviluppo dell'informatizzazione e dell'intelligenza, la domanda di dispositivi optoelettronici e di dispositivi elettronici tende ad essere a basso costo e flessibile. Per soddisfare queste esigenze, è necessario modificare la tecnologia epitassiale esistente dei materiali a base di GaN, in particolare per sviluppare una tecnologia epitassiale che possa essere eseguita a basse temperature per adattarsi alle caratteristiche dei substrati amorfi.

Sviluppo della tecnologia epitassiale a bassa temperatura

Tecnologia epitassiale a bassa temperatura basata sui principi dideposizione fisica di vapore (PVD)Edeposizione di vapori chimici (CVD), tra cui sputtering reattivo con magnetron, MBE assistito da plasma (PA-MBE), deposizione laser pulsata (PLD), deposizione sputtering pulsato (PSD), MBE assistito da laser (LMBE), CVD plasma remoto (RPCVD), CVD afterglow con migrazione potenziata ( MEA-CVD), MOCVD potenziato dal plasma remoto (RPEMOCVD), MOCVD potenziato dall'attività (REMOCVD), MOCVD potenziato dal plasma con risonanza ciclotronica elettronica (ECR-PEMOCVD) e MOCVD al plasma accoppiato induttivamente (ICP-MOCVD), ecc.

4. Tecnologia epitassia a bassa temperatura basata sul principio PVD

Tipi di tecnologia

Compreso lo sputtering reattivo con magnetron, l'MBE assistito da plasma (PA-MBE), la deposizione laser pulsata (PLD), la deposizione sputtering pulsato (PSD) e l'MBE assistito da laser (LMBE).

Caratteristiche tecniche

Queste tecnologie forniscono energia utilizzando l'accoppiamento di campo esterno per ionizzare la sorgente di reazione a bassa temperatura, riducendo così la sua temperatura di cracking e ottenendo una crescita epitassiale a bassa temperatura di materiali a base di GaN. Ad esempio, la tecnologia reattiva dello sputtering del magnetron introduce un campo magnetico durante il processo di sputtering per aumentare l'energia cinetica degli elettroni e aumentare la probabilità di collisione con N2 e Ar per migliorare lo sputtering del target. Allo stesso tempo, può anche confinare il plasma ad alta densità sopra il bersaglio e ridurre il bombardamento di ioni sul substrato.

Sfide

Sebbene lo sviluppo di queste tecnologie abbia reso possibile la preparazione di dispositivi optoelettronici flessibili e a basso costo, esse devono affrontare anche sfide in termini di qualità della crescita, complessità delle apparecchiature e costi. Ad esempio, la tecnologia PVD richiede solitamente un grado di vuoto elevato, che può sopprimere efficacemente la pre-reazione e introdurre alcune apparecchiature di monitoraggio in situ che devono funzionare sotto vuoto spinto (come RHEED, sonda Langmuir, ecc.), ma aumenta la difficoltà di deposizione uniforme su vasta area e i costi operativi e di manutenzione dell'alto vuoto sono elevati.

5. Tecnologia epitassiale a bassa temperatura basata sul principio CVD

Tipi di tecnologia

Compresi CVD al plasma remoto (RPCVD), CVD afterglow potenziato dalla migrazione (MEA-CVD), MOCVD potenziato dal plasma remoto (RPEMOCVD), MOCVD potenziato dall'attività (REMOCVD), MOCVD potenziato dal plasma a risonanza ciclotronica elettronica (ECR-PEMOCVD) e MOCVD al plasma accoppiato induttivamente ( ICP-MOCVD).

Vantaggi tecnici

Queste tecnologie consentono la crescita di materiali semiconduttori di nitruro III come GaN e InN a temperature più basse utilizzando diverse fonti di plasma e meccanismi di reazione, il che favorisce una deposizione uniforme su ampia area e una riduzione dei costi. Ad esempio, la tecnologia CVD al plasma remoto (RPCVD) utilizza una sorgente ECR come generatore di plasma, ovvero un generatore di plasma a bassa pressione in grado di generare plasma ad alta densità. Allo stesso tempo, attraverso la tecnologia della spettroscopia di luminescenza al plasma (OES), lo spettro di 391 nm associato a N2+ è quasi non rilevabile sopra il substrato, riducendo così il bombardamento della superficie del campione da parte di ioni ad alta energia.

Migliora la qualità dei cristalli

La qualità cristallina dello strato epitassiale viene migliorata filtrando efficacemente le particelle cariche ad alta energia. Ad esempio, la tecnologia MEA-CVD utilizza una sorgente HCP per sostituire la sorgente di plasma ECR di RPCVD, rendendola più adatta alla generazione di plasma ad alta densità. Il vantaggio della sorgente HCP è che non vi è contaminazione di ossigeno causata dalla finestra dielettrica al quarzo e ha una densità di plasma più elevata rispetto alla sorgente di plasma ad accoppiamento capacitivo (CCP).

6. Riepilogo e prospettive

Lo stato attuale della tecnologia dell’epitassia a bassa temperatura

Attraverso la ricerca e l'analisi della letteratura, viene delineato lo stato attuale della tecnologia dell'epitassia a bassa temperatura, comprese le caratteristiche tecniche, la struttura dell'apparecchiatura, le condizioni di lavoro e i risultati sperimentali. Queste tecnologie forniscono energia attraverso l'accoppiamento di campo esterno, riducono efficacemente la temperatura di crescita, si adattano alle caratteristiche dei substrati amorfi e offrono la possibilità di preparare dispositivi elettronici (opto) flessibili e a basso costo.

Direzioni future della ricerca

La tecnologia dell’epitassia a bassa temperatura ha ampie prospettive di applicazione, ma è ancora in fase esplorativa. Richiede una ricerca approfondita sia dagli aspetti delle apparecchiature che dei processi per risolvere i problemi nelle applicazioni ingegneristiche. Ad esempio, è necessario studiare ulteriormente come ottenere un plasma a densità più elevata considerando il problema del filtraggio ionico nel plasma; come progettare la struttura del dispositivo di omogeneizzazione del gas per sopprimere efficacemente la pre-reazione nella cavità a basse temperature; come progettare il riscaldatore dell'apparecchiatura epitassiale a bassa temperatura per evitare scintille o campi elettromagnetici che influenzino il plasma a una pressione specifica della cavità.

Contributo previsto

Si prevede che questo campo diventerà una potenziale direzione di sviluppo e fornirà importanti contributi allo sviluppo della prossima generazione di dispositivi optoelettronici. Con la grande attenzione e la vigorosa promozione dei ricercatori, questo campo diventerà una potenziale direzione di sviluppo in futuro e fornirà importanti contributi allo sviluppo della prossima generazione di dispositivi (optoelettronici).