Tecnología de epitaxia de baja temperatura basada en GaN

1. La importancia de los materiales basados ​​en 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 prohibida amplia, alta intensidad de campo de ruptura y alta conductividad térmica. Estos dispositivos se han utilizado ampliamente en industrias como la iluminación de semiconductores, fuentes de luz ultravioleta de estado sólido, energía solar fotovoltaica, pantallas láser, pantallas de visualización flexibles, comunicaciones móviles, fuentes de alimentación, vehículos de nueva energía, redes inteligentes, etc., y la tecnología y El mercado es cada vez más maduro.

Limitaciones de la tecnología tradicional de epitaxia.

Tecnologías tradicionales de crecimiento epitaxial para materiales basados ​​en GaN comoMOECVyMBEPor lo general, requieren condiciones de alta temperatura, que no son aplicables a sustratos amorfos como vidrio y plásticos porque estos materiales no pueden soportar temperaturas de crecimiento más altas. Por ejemplo, el vidrio flotado de uso común se ablanda en condiciones superiores a 600°C. Demanda de baja temperaturatecnología de epitaxia: Con la creciente demanda de dispositivos optoelectrónicos (electrónicos) flexibles y de bajo costo, existe una demanda de equipos epitaxiales que utilizan energía de campo eléctrico externo para craquear precursores de reacción a bajas temperaturas. Esta tecnología se puede realizar a bajas temperaturas, adaptándose a las características de los sustratos amorfos, y brindando la posibilidad de preparar dispositivos (optoelectrónicos) flexibles y de bajo costo.

2. Estructura cristalina de materiales basados ​​en 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 cristalinas de wurtzita, esfalerita y sal gema, entre las cuales la estructura de wurtzita es la más estable. La estructura de 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 gema es la fase de alta presión del GaN y sólo puede aparecer en condiciones de presión extremadamente alta.

Caracterización de planos cristalinos y calidad del cristal.

Los planos cristalinos comunes incluyen el plano c polar, el plano s semipolar, el plano r, el plano n y los planos a y m no polares. Por lo general, las películas delgadas a base de GaN obtenidas por epitaxia sobre sustratos de zafiro y Si tienen orientaciones de cristal en el plano c.

3. Requisitos de tecnología epitaxia y soluciones de implementación.

Necesidad del cambio tecnológico

Con el desarrollo de la informatización y la 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 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 física de vapor (PVD)ydeposición química de vapor (ECV), incluida la pulverización catódica reactiva con magnetrón, MBE asistido por plasma (PA-MBE), deposición por láser pulsado (PLD), deposición por pulverización catódica pulsada (PSD), MBE asistido por láser (LMBE), CVD por plasma remoto (RPCVD), CVD con posluminiscencia mejorada por migración ( MEA-CVD), MOCVD mejorado con plasma remoto (RPEMOCVD), MOCVD mejorado con actividad (REMOCVD), MOCVD mejorado con plasma por resonancia de ciclotrón electrónico (ECR-PEMOCVD) y MOCVD con plasma acoplado inductivamente (ICP-MOCVD), etc.

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

Tipos de tecnología

Incluyendo pulverización catódica reactiva con magnetrón, MBE asistida por plasma (PA-MBE), deposición por láser pulsado (PLD), deposición por pulverización catódica pulsada (PSD) y MBE asistida por láser (LMBE).

Características técnicas

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

Desafíos

Si bien 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 de los equipos y costo. Por ejemplo, la tecnología PVD generalmente requiere un alto grado de vacío, lo que puede suprimir eficazmente la reacción previa e introducir algunos equipos de monitoreo in situ que deben funcionar en alto vacío (como RHEED, sonda Langmuir, etc.), pero aumenta la dificultad. de deposición uniforme de gran área, y el costo de operación y mantenimiento del alto vacío es alto.

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

Tipos de tecnología

Incluyendo CVD de plasma remoto (RPCVD), CVD de posluminiscencia mejorada con migración (MEA-CVD), MOCVD mejorado con plasma remoto (RPEMOCVD), MOCVD mejorado con actividad (REMOCVD), MOCVD mejorado con plasma por resonancia de ciclotrón electrónico (ECR-PEMOCVD) y MOCVD de plasma acoplado inductivamente ( ICP-MOCVD).

Ventajas técnicas

Estas tecnologías logran el crecimiento de materiales semiconductores de nitruro III, como GaN e InN, a temperaturas más bajas mediante el uso de diferentes fuentes de plasma y mecanismos de reacción, lo que favorece la deposición uniforme de áreas grandes y la reducción de costos. Por ejemplo, la tecnología CVD de plasma remoto (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 espectroscopia de luminiscencia de plasma (OES), el espectro de 391 nm asociado con N2+ es casi indetectable sobre el 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 eficazmente 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 de 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 perspectivas

El estado actual de la tecnología de epitaxia a 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 campos externos, reducen efectivamente la temperatura de crecimiento, se adaptan a las características de los sustratos amorfos y brindan la posibilidad de preparar dispositivos (opto)electrónicos flexibles y de bajo costo.

Direcciones de investigación futuras

La tecnología de epitaxia de baja temperatura tiene amplias perspectivas de aplicación, pero aún se encuentra en la etapa exploratoria. Requiere una investigación en profundidad tanto desde los aspectos del equipo como del proceso para resolver problemas en aplicaciones de ingeniería. Por ejemplo, es necesario estudiar más a fondo cómo obtener un plasma de mayor densidad considerando el problema del filtrado de iones en el plasma; cómo diseñar la estructura del dispositivo de homogeneización de gas para suprimir eficazmente 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 afecten al plasma a una presión de cavidad específica.

Contribución esperada

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