Tecnologia de epitaxia de baixa temperatura baseada em GaN

1. A importância dos materiais baseados em GaN

Os materiais semicondutores à base de GaN são amplamente utilizados na preparação de dispositivos optoeletrônicos, dispositivos eletrônicos de potência e dispositivos de microondas de radiofrequência devido a suas excelentes propriedades, como características amplas de bandGAP, alta resistência do campo de ruptura e alta condutividade térmica. Esses dispositivos têm sido amplamente utilizados em indústrias como iluminação semicondutores, fontes de luz ultravioleta de estado sólido, fotovoltaicos solares, exibição a laser, telas flexíveis de exibição, comunicações móveis, fontes de alimentação, veículos de energia novos, grades inteligentes etc. e a tecnologia e o mercado estão se tornando mais maduros.

Limitações da tecnologia de epitaxia tradicional

Tecnologias tradicionais de crescimento epitaxial para materiais baseados em GaN, comoMOCVDeMbeGeralmente requerem condições de alta temperatura, que não são aplicáveis ​​a substratos amorfos, como vidro e plásticos, porque esses materiais não podem suportar temperaturas mais altas de crescimento. Por exemplo, o vidro de flutuação comumente usado vai suavizar em condições superiores a 600 ° C. Demanda por baixa temperaturaTecnologia de epitaxia: Com a crescente demanda por dispositivos optoeletrônicos (eletrônicos) de baixo custo e flexível, há uma demanda por equipamentos epitaxiais que utilizam energia externa do campo elétrico para quebrar precursores da reação em baixas temperaturas. Essa tecnologia pode ser realizada em baixas temperaturas, adaptando-se às características dos substratos amorfos e fornecendo a possibilidade de preparar dispositivos de baixo custo e flexível (optoeletrônico).

2. Estrutura cristalina de materiais à base de GaN

Tipo de estrutura cristalina

Os materiais à base de GaN incluem principalmente GaN, Inn, ALN e suas soluções sólidas ternárias e quaternárias, com três estruturas cristalinas de wurtzita, esfalerita e sal-gema, entre as quais a estrutura de wurtzita é a mais estável. A estrutura de esfalerita é uma fase metaestável, que pode ser transformada na estrutura de wurtzita em alta temperatura e pode existir na estrutura de wurtzita na forma de empilhamento de falhas em temperaturas mais baixas. A estrutura do sal-gema é a fase de alta pressão do GaN e só pode aparecer sob condições de pressão extremamente alta.

Caracterização de planos de cristal e qualidade de cristal

Os planos de cristal comuns incluem plano C polar, plano S semi-polar, plano R, plano n e plano A não polar e plano m. Geralmente, os filmes finos à base de GaN obtidos por epitaxia em safira e substratos de Si são orientações de cristal do plano C.

3. Requisitos de tecnologia de epitaxia e soluções de implementação

Necessidade de mudança tecnológica

Com o desenvolvimento de informatização e inteligência, a demanda por dispositivos optoeletrônicos e dispositivos eletrônicos tende a ser de baixo custo e flexível. Para atender a essas necessidades, é necessário alterar a tecnologia epitaxial existente dos materiais baseados em GaN, especialmente para desenvolver a tecnologia epitaxial que pode ser realizada em baixas temperaturas para se adaptar às características dos substratos amorfos.

Desenvolvimento de tecnologia epitaxial de baixa temperatura

Tecnologia epitaxial de baixa temperatura baseada nos princípios deDeposição de vapor físico (PVD)eDeposição de vapor químico (CVD), incluindo pulverização de magnetron reativa, MBE assistido por plasma (PA-MBE), deposição de laser pulsado (PLD), deposição de pulverização pulsada (PSD), MBE assistida por laser, MBE (LMBE MEMAT CVD (MEAV CVD (RPCVD), MIGRAÇÃO APOSTAGEM CVD CVD (MEAVE CVD (MEAVACT CVD (MEAVACD CVD (MEAV CVD (MEAV CVD CVD (MEAVMATMA), MIGRAGENSENCIDA APENDMA (MEMACT) (RPEMOCVD), MOCVD aprimorado da atividade (REMOCVD), MOCVD aprimorado de ressonância de ressonância de ciclotron (ECR-PEMOCVD) e MOCVD plasmático acoplado indutivamente (ICP-MOCVD), etc.

4. Tecnologia de epitaxia de baixa temperatura baseada no princípio do PVD

Tipos de tecnologia

Incluindo pulverização reativa de magnetron, MBE assistido por plasma (PA-MBE), deposição de laser pulsada (PLD), deposição de pulverização pulsada (PSD) e MBE assistido a laser (LMBE).

Recursos técnicos

Essas tecnologias fornecem energia usando o acoplamento de campo externo para ionizar a fonte de reação a baixa temperatura, reduzindo assim sua temperatura de rachadura e alcançando o crescimento epitaxial de baixa temperatura de materiais à base de GaN. Por exemplo, a tecnologia reativa de pulverização por magnetron introduz um campo magnético durante o processo de pulverização para aumentar a energia cinética dos elétrons e aumentar a probabilidade de colisão com N2 e AR para aumentar a pulverização do alvo. Ao mesmo tempo, também pode limitar o plasma de alta densidade acima do alvo e reduzir o bombardeio de íons no substrato.

Desafios

Embora o desenvolvimento dessas tecnologias tenha tornado possível preparar dispositivos optoeletrônicos de baixo custo e flexível, eles também enfrentam desafios em termos de qualidade de crescimento, complexidade e custo do equipamento. Por exemplo, a tecnologia de PVD geralmente requer um alto grau de vácuo, que pode efetivamente suprimir a pré-reação e introduzir alguns equipamentos de monitoramento in situ que devem funcionar sob alto vácuo (como RHEED, sonda de Langmuir, etc.), mas aumenta a dificuldade da deposição uniforme de grande área e o custo de operação e manutenção de vácuo é alto.

5. Tecnologia epitaxial de baixa temperatura baseada no princípio do CVD

Tipos de tecnologia

Incluindo CVD plasmático remoto (RPCVD), a migração aumentou a CVD pós-brilho (MEA-CVD), MOCVD aprimorado do plasma remoto (RPEMOCVD), MOCVD aprimorado da atividade (MOCVD-MOCVD), ciclotão de elétron e plasma de plasma (Ecr-pemocd) e plasma de plasma (Ecr-PEMOCD) e o plasma (ICP-MOCVD).

Vantagens técnicas

Essas tecnologias alcançam o crescimento de materiais semicondutores de nitreto III, como GaN e Inn, a temperaturas mais baixas, usando diferentes fontes plasmáticas e mecanismos de reação, que são propícios à deposição uniforme de grande área e redução de custos. Por exemplo, a tecnologia Remote Plasma CVD (RPCVD) usa uma fonte de ECR como um gerador de plasma, que é um gerador de plasma de baixa pressão que pode gerar plasma de alta densidade. Ao mesmo tempo, através da tecnologia de espectroscopia de luminescência plasmática (OES), o espectro de 391 nm associado ao N2+ é quase indetectável acima do substrato, reduzindo assim o bombardeio da superfície da amostra por íons de alta energia.

Melhorar a qualidade do cristal

A qualidade do cristal da camada epitaxial é melhorada filtrando efetivamente as partículas carregadas de alta energia. Por exemplo, a tecnologia MEA-CVD usa uma fonte HCP para substituir a fonte de rpcvd plasma ECR, tornando-a mais adequada para gerar plasma de alta densidade. A vantagem da fonte HCP é que não há contaminação por oxigênio causada pela janela dielétrica de quartzo e possui uma densidade plasmática mais alta do que a fonte de plasma de acoplamento capacitivo (CCP).

6. Resumo e Outlook

O status atual da tecnologia de epitaxia de baixa temperatura

Através da pesquisa e análise da literatura, o status atual da tecnologia de epitaxia de baixa temperatura é descrito, incluindo características técnicas, estrutura do equipamento, condições de trabalho e resultados experimentais. Essas tecnologias fornecem energia através do acoplamento de campo externo, reduzem efetivamente a temperatura de crescimento, se adaptam às características dos substratos amorfos e fornecem a possibilidade de preparar dispositivos eletrônicos de baixo custo e flexível (OPTO).

Direções futuras de pesquisa

A tecnologia de epitaxia de baixa temperatura possui amplas perspectivas de aplicativos, mas ainda está no estágio exploratório. Requer pesquisas aprofundadas dos aspectos do equipamento e do processo para resolver problemas nas aplicações de engenharia. Por exemplo, é necessário estudar ainda mais como obter um plasma de maior densidade, considerando o problema de filtragem de íons no plasma; Como projetar a estrutura do dispositivo de homogeneização de gás para suprimir efetivamente a pré-reação na cavidade a baixas temperaturas; Como projetar o aquecedor do equipamento epitaxial de baixa temperatura para evitar a deparação ou os campos eletromagnéticos que afetam o plasma a uma pressão específica da cavidade.

Contribuição esperada

Espera -se que esse campo se torne uma direção potencial de desenvolvimento e faça contribuições importantes para o desenvolvimento da próxima geração de dispositivos optoeletrônicos. Com a grande atenção e a vigorosa promoção dos pesquisadores, esse campo se transformará em uma direção potencial de desenvolvimento no futuro e fará importantes contribuições para o desenvolvimento da próxima geração de dispositivos (optoeletrônicos).