GaN-basierte Niedertemperatur-Epitaxie-Technologie

1. Die Bedeutung von GaN-basierten Materialien

GaN-basierte Halbleitermaterialien werden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie breiten Bandlückeneigenschaften, hoher Durchbruchfeldstärke und hoher Wärmeleitfähigkeit häufig bei der Herstellung optoelektronischer Geräte, leistungselektronischer Geräte und Hochfrequenz-Mikrowellengeräte verwendet. Diese Geräte werden häufig in Branchen wie Halbleiterbeleuchtung, Festkörper-UV-Lichtquellen, Solarphotovoltaik, Laseranzeige, flexiblen Bildschirmen, Mobilkommunikation, Stromversorgung, Fahrzeugen mit neuer Energie, intelligenten Netzen usw. sowie der Technologie und eingesetzt Der Markt wird reifer.

Einschränkungen der traditionellen Epitaxietechnologie

Traditionelle epitaktische Wachstumstechnologien für GaN-basierte Materialien wie zMOCVDUndMBEerfordern in der Regel Hochtemperaturbedingungen, die auf amorphe Substrate wie Glas und Kunststoffe nicht anwendbar sind, da diese Materialien höheren Wachstumstemperaturen nicht standhalten können. Beispielsweise wird häufig verwendetes Floatglas bei Temperaturen über 600 °C weich. Nachfrage nach NiedertemperaturEpitaxie-Technologie: Mit der steigenden Nachfrage nach kostengünstigen und flexiblen optoelektronischen (elektronischen) Geräten besteht ein Bedarf an Epitaxiegeräten, die externe elektrische Feldenergie nutzen, um Reaktionsvorläufer bei niedrigen Temperaturen zu spalten. Diese Technologie kann bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden, passt sich den Eigenschaften amorpher Substrate an und bietet die Möglichkeit, kostengünstige und flexible (optoelektronische) Geräte herzustellen.

2. Kristallstruktur von GaN-basierten Materialien

Kristallstrukturtyp

Zu den auf GaN basierenden Materialien gehören hauptsächlich GaN, InN, AlN und ihre ternären und quartären festen Lösungen mit drei Kristallstrukturen: Wurtzit, Sphalerit und Steinsalz, von denen die Wurtzitstruktur die stabilste ist. Die Sphaleritstruktur ist eine metastabile Phase, die sich bei hoher Temperatur in die Wurtzitstruktur umwandeln kann und bei niedrigeren Temperaturen in der Wurtzitstruktur in Form von Stapelfehlern vorliegen kann. Die Steinsalzstruktur ist die Hochdruckphase von GaN und kann nur unter extrem hohen Druckbedingungen auftreten.

Charakterisierung von Kristallebenen und Kristallqualität

Zu den üblichen Kristallebenen gehören die polare c-Ebene, die semipolare s-Ebene, die r-Ebene, die n-Ebene sowie die unpolare a-Ebene und m-Ebene. Normalerweise weisen die durch Epitaxie auf Saphir- und Si-Substraten erhaltenen GaN-basierten Dünnfilme die Kristallorientierung in der c-Ebene auf.

3. Anforderungen an die Epitaxietechnologie und Implementierungslösungen

Notwendigkeit des technologischen Wandels

Mit der Entwicklung von Informatisierung und Intelligenz ist die Nachfrage nach optoelektronischen Geräten und elektronischen Geräten tendenziell kostengünstig und flexibel. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ist es notwendig, die bestehende Epitaxietechnologie von GaN-basierten Materialien zu ändern, insbesondere um eine Epitaxietechnologie zu entwickeln, die bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden kann, um sich an die Eigenschaften amorpher Substrate anzupassen.

Entwicklung der Niedertemperatur-Epitaxie-Technologie

Niedertemperatur-Epitaxie-Technologie basierend auf den Prinzipien vonphysikalische Gasphasenabscheidung (PVD)Undchemische Gasphasenabscheidung (CVD), einschließlich reaktivem Magnetronsputtern, plasmaunterstützter MBE (PA-MBE), gepulster Laserdeposition (PLD), gepulster Sputterdeposition (PSD), laserunterstützter MBE (LMBE), Remote-Plasma-CVD (RPCVD), migrationsverstärkter Nachleucht-CVD ( MEA-CVD), fernplasmaverstärktes MOCVD (RPEMOCVD), aktivitätsverstärktes MOCVD (REMOCVD), elektronenzyklotronresonanzplasmaverstärktes MOCVD (ECR-PEMOCVD) und induktiv gekoppeltes Plasma-MOCVD (ICP-MOCVD) usw.

4. Niedertemperatur-Epitaxie-Technologie basierend auf dem PVD-Prinzip

Technologietypen

Einschließlich reaktives Magnetronsputtern, plasmaunterstützte MBE (PA-MBE), gepulste Laserdeposition (PLD), gepulste Sputterdeposition (PSD) und laserunterstützte MBE (LMBE).

Technische Merkmale

Diese Technologien liefern Energie, indem sie eine externe Feldkopplung nutzen, um die Reaktionsquelle bei niedriger Temperatur zu ionisieren, wodurch ihre Cracktemperatur gesenkt wird und ein epitaktisches Wachstum von GaN-basierten Materialien bei niedriger Temperatur erreicht wird. Beispielsweise führt die Technologie des reaktiven Magnetronsputterns während des Sputtervorgangs ein Magnetfeld ein, um die kinetische Energie der Elektronen zu erhöhen und die Wahrscheinlichkeit einer Kollision mit N2 und Ar zu erhöhen, um das Sputtern des Ziels zu verbessern. Gleichzeitig kann es auch hochdichtes Plasma über dem Ziel begrenzen und den Ionenbeschuss des Substrats reduzieren.

Herausforderungen

Obwohl die Entwicklung dieser Technologien die Herstellung kostengünstiger und flexibler optoelektronischer Geräte ermöglicht hat, stehen sie auch vor Herausforderungen hinsichtlich der Wachstumsqualität, der Komplexität der Ausrüstung und der Kosten. Beispielsweise erfordert die PVD-Technologie normalerweise einen hohen Vakuumgrad, der die Vorreaktion wirksam unterdrücken und einige In-situ-Überwachungsgeräte einführen kann, die unter Hochvakuum arbeiten müssen (z. B. RHEED, Langmuir-Sonde usw.), aber die Schwierigkeit erhöht einer großflächigen, gleichmäßigen Abscheidung und die Betriebs- und Wartungskosten des Hochvakuums sind hoch.

5. Niedertemperatur-Epitaxie-Technologie basierend auf dem CVD-Prinzip

Technologietypen

Einschließlich Remote-Plasma-CVD (RPCVD), migrationsverstärktes Nachglüh-CVD (MEA-CVD), Remote-Plasma-verstärktes MOCVD (RPEMOCVD), aktivitätsverstärktes MOCVD (REMOCVD), Elektronenzyklotronresonanz-Plasma-verstärktes MOCVD (ECR-PEMOCVD) und induktiv gekoppeltes Plasma-MOCVD ( ICP-MOCVD).

Technische Vorteile

Diese Technologien ermöglichen das Wachstum von III-Nitrid-Halbleitermaterialien wie GaN und InN bei niedrigeren Temperaturen durch den Einsatz unterschiedlicher Plasmaquellen und Reaktionsmechanismen, was einer großflächigen gleichmäßigen Abscheidung und Kostensenkung förderlich ist. Beispielsweise verwendet die Remote-Plasma-CVD-Technologie (RPCVD) eine ECR-Quelle als Plasmagenerator, bei dem es sich um einen Niederdruck-Plasmagenerator handelt, der hochdichtes Plasma erzeugen kann. Gleichzeitig ist durch die Plasma-Lumineszenz-Spektroskopie-Technologie (OES) das mit N2+ verbundene 391-nm-Spektrum über dem Substrat nahezu nicht nachweisbar, wodurch die Bombardierung der Probenoberfläche durch hochenergetische Ionen verringert wird.

Verbessern Sie die Kristallqualität

Die Kristallqualität der Epitaxieschicht wird durch die wirksame Filterung hochenergetischer geladener Teilchen verbessert. Beispielsweise verwendet die MEA-CVD-Technologie eine HCP-Quelle, um die ECR-Plasmaquelle von RPCVD zu ersetzen, wodurch sie besser für die Erzeugung von Plasma hoher Dichte geeignet ist. Der Vorteil der HCP-Quelle besteht darin, dass durch das dielektrische Quarzfenster keine Sauerstoffverunreinigung entsteht und sie eine höhere Plasmadichte aufweist als die Plasmaquelle mit kapazitiver Kopplung (CCP).

6. Zusammenfassung und Ausblick

Der aktuelle Stand der Niedertemperatur-Epitaxie-Technologie

Durch Literaturrecherche und -analyse wird der aktuelle Stand der Niedertemperatur-Epitaxie-Technologie dargelegt, einschließlich technischer Eigenschaften, Gerätestruktur, Arbeitsbedingungen und experimenteller Ergebnisse. Diese Technologien stellen Energie durch externe Feldkopplung bereit, senken effektiv die Wachstumstemperatur, passen sich den Eigenschaften amorpher Substrate an und bieten die Möglichkeit, kostengünstige und flexible (opto-)elektronische Geräte herzustellen.

Zukünftige Forschungsrichtungen

Die Niedertemperatur-Epitaxie-Technologie hat breite Anwendungsaussichten, befindet sich jedoch noch im Forschungsstadium. Um Probleme in technischen Anwendungen zu lösen, sind eingehende Untersuchungen sowohl im Hinblick auf die Ausrüstung als auch auf die Prozesse erforderlich. Beispielsweise ist es notwendig, weiter zu untersuchen, wie man ein Plasma mit höherer Dichte erhält und dabei das Problem der Ionenfilterung im Plasma berücksichtigt. Wie ist die Struktur der Gashomogenisierungsvorrichtung so zu gestalten, dass die Vorreaktion im Hohlraum bei niedrigen Temperaturen wirksam unterdrückt wird? Wie ist die Heizung der Niedertemperatur-Epitaxieausrüstung so zu gestalten, dass Funkenbildung oder elektromagnetische Felder, die das Plasma bei einem bestimmten Hohlraumdruck beeinflussen, vermieden werden?

Erwarteter Beitrag

Es wird erwartet, dass dieser Bereich zu einer potenziellen Entwicklungsrichtung wird und wichtige Beiträge zur Entwicklung der nächsten Generation optoelektronischer Geräte leistet. Mit der großen Aufmerksamkeit und der tatkräftigen Förderung der Forscher wird sich dieser Bereich in Zukunft zu einer potenziellen Entwicklungsrichtung entwickeln und wichtige Beiträge zur Entwicklung der nächsten Generation von (optoelektronischen) Geräten leisten.