Technologie d'épitaxie à basse température à base de GAN

1. L'importance des matériaux à base de Gan

Les matériaux semi-conducteurs à base de Gan sont largement utilisés dans la préparation des dispositifs optoélectroniques, des dispositifs électroniques de puissance et des dispositifs micro-ondes radiofréquences en raison de leurs excellentes propriétés telles que les caractéristiques larges du champ de bande interdite, une résistance au champ de rupture élevé et une conductivité thermique élevée. Ces appareils ont été largement utilisés dans des industries telles que l'éclairage semi-conducteur, les sources d'éclairage ultraviolet à l'état solide, le photovoltaïque solaire, l'affichage laser, les écrans d'affichage flexibles, les communications mobiles, les alimentations, les véhicules énergétiques, les réseaux intelligents, etc., et la technologie et le marché deviennent plus matures.

Limitations de la technologie épitaxie traditionnelle

Technologies de croissance épitaxiale traditionnelles pour les matériaux à base de GaN tels queMocvdetMBEnécessitent généralement des conditions de température élevées, qui ne sont pas applicables aux substrats amorphes tels que le verre et les plastiques car ces matériaux ne peuvent pas résister à des températures de croissance plus élevées. Par exemple, le verre flottant couramment utilisé se ramollira dans des conditions dépassant 600 ° C. Demande de basse températureTechnologie épitaxie: Avec la demande croissante de dispositifs optoélectroniques (électroniques) à faible coût et flexibles, il existe une demande d'équipement épitaxial qui utilise l'énergie externe du champ électrique pour casser les précurseurs de réaction à basse température. Cette technologie peut être effectuée à basse température, en s'adaptant aux caractéristiques des substrats amorphes et en offrant la possibilité de préparer des dispositifs à faible coût et flexibles (optoélectroniques).

2. Structure cristalline des matériaux à base de Gan

Type de structure cristalline

Les matériaux à base de Gan comprennent principalement GAn, Inn, Aln et leurs solutions solides ternaires et quaternaires, avec trois structures cristallines de wurtzite, de sphalérite et de sel de roche, parmi lesquelles la structure de wurtzite est la plus stable. La structure de la sphalérite est une phase métastable, qui peut être transformée en structure de wurtzite à haute température, et peut exister dans la structure de wurtzite sous la forme de défauts d'empilement à des températures plus basses. La structure du sel de roche est la phase à haute pression du GAN et ne peut apparaître que dans des conditions de pression extrêmement élevées.

Caractérisation des plans de cristal et de la qualité des cristaux

Les plans cristallins communs comprennent le plan C polaire, le plan S semi-polaire, le plan R, le plan N et le plan A non polaire et le plan m. Habituellement, les films minces à base de GaN obtenus par épitaxie sur les substrats saphir et SI sont des orientations cristallines du plan c.

3. Exigences de la technologie Epitaxy et solutions de mise en œuvre

Nécessité du changement technologique

Avec le développement de l'informatisation et de l'intelligence, la demande d'appareils optoélectroniques et de dispositifs électroniques a tendance à être à faible coût et flexible. Afin de répondre à ces besoins, il est nécessaire de modifier la technologie épitaxiale existante des matériaux à base de GAN, en particulier pour développer une technologie épitaxiale qui peut être effectuée à basse température pour s'adapter aux caractéristiques des substrats amorphes.

Développement d'une technologie épitaxiale à basse température

Technologie épitaxiale à basse température basée sur les principes deDépôt physique de vapeur (PVD)etDépôt de vapeur chimique (CVD), y compris la pulvérisation de magnétron réactive, le MBE assisté par le plasma (PA-MBE), le dépôt laser pulsé (PLD), le dépôt de pulvérisation pulsé (PSD), le MBE assisté par laser (LMBE), le plasma CVD (RPCVD), le Migratation Afromanced CVD (MEA-CVD), le Plasma Removed Mocvd (MEA-CVD), le Plasma Removed Mocvd (RPEMOCVD), Activité améliorée MOCVD (RESOCVD), Electron Cyclotron Resonance Plasma Plasma amélioré MOCVD (ECR-PEMOCVD) et plasma à couplage inductif MOCVD (ICP-MOCVD), etc.

4. Technologie épitaxie à basse température basée sur le principe PVD

Types de technologie

Y compris la pulvérisation du magnétron réactif, le MBE assisté par plasma (PA-MBE), le dépôt laser pulsé (PLD), le dépôt de pulvérisation pulsé (PSD) et le MBE assisté par laser (LMBE).

Caractéristiques techniques

Ces technologies fournissent de l'énergie en utilisant un couplage de champ externe pour ioniser la source de réaction à basse température, réduisant ainsi sa température de fissuration et atteignant la croissance épitaxiale à basse température des matériaux à base de GaN. Par exemple, la technologie réactive de la pulvérisation du magnétron introduit un champ magnétique pendant le processus de pulvérisation pour augmenter l'énergie cinétique des électrons et augmenter la probabilité de collision avec N2 et AR pour améliorer la pulvérisation cible. Dans le même temps, il peut également limiter le plasma de haute densité au-dessus de la cible et réduire le bombardement des ions sur le substrat.

Défis

Bien que le développement de ces technologies ait permis de préparer des dispositifs optoélectroniques à faible coût et flexibles, ils sont également confrontés à des défis en termes de qualité de croissance, de complexité et de coût de l'équipement. Par exemple, la technologie PVD nécessite généralement un degré de vide élevé, qui peut supprimer efficacement la pré-réaction et introduire certains équipements de surveillance in situ qui doivent fonctionner sous vide élevé (comme Rheed, sonde Langmuir, etc.), mais il augmente la difficulté du dépôt uniforme de grande région, et le coût de l'opération et de maintenance de l'aspirateur élevé est élevé.

5. Technologie épitaxiale à basse température basée sur le principe des MCV

Types de technologie

Y compris les MCV plasmatiques à distance (RPCVD), les MCV de après-rémanence améliorés (MEA-CVD), le MOCVD amélioré en plasma à distance (RPEMOCVD), l'activité améliorée MOCVD (REPOCVD), le MOCVD de résonance électron-cyclotron (ECR-PEMCVD) et le plasma de plasma de plasma inductif.

Avantages techniques

Ces technologies réalisent la croissance des matériaux semi-conducteurs III-nitrure tels que GaN et Inn à des températures plus basses en utilisant différentes sources plasmatiques et mécanismes de réaction, ce qui est propice à un dépôt uniforme et à la réduction des coûts de grande zone. Par exemple, la technologie de CVD plasma à distance (RPCVD) utilise une source ECR comme générateur de plasma, qui est un générateur de plasma à basse pression qui peut générer du plasma à haute densité. Dans le même temps, grâce à la technologie de spectroscopie de luminescence plasmatique (OES), le spectre de 391 nm associé à N2 + est presque indétectable au-dessus du substrat, réduisant ainsi le bombardement de la surface de l'échantillon par des ions à haute énergie.

Améliorer la qualité des cristaux

La qualité cristalline de la couche épitaxiale est améliorée en filtrant efficacement les particules chargées de haute énergie. Par exemple, la technologie MEA-CVD utilise une source HCP pour remplacer la source de plasma ECR de RPCVD, ce qui le rend plus adapté à la génération de plasma à haute densité. L'avantage de la source HCP est qu'il n'y a pas de contamination en oxygène causée par la fenêtre diélectrique de quartz et qu'il a une densité de plasma plus élevée que la source de plasma de couplage capacitif (CCP).

6. Résumé et perspectives

L'état actuel de la technologie épitaxie à basse température

Grâce à la recherche et à l'analyse de la littérature, le statut actuel de la technologie épitaxie à basse température est décrit, notamment les caractéristiques techniques, la structure de l'équipement, les conditions de travail et les résultats expérimentaux. Ces technologies fournissent de l'énergie par le couplage externe du champ, réduisent efficacement la température de croissance, s'adaptent aux caractéristiques des substrats amorphes et offrent la possibilité de préparer des dispositifs électroniques à faible coût et flexibles (OPTO).

Instructions de recherche futures

La technologie épitaxie à basse température a de larges perspectives d'application, mais elle est toujours au stade exploratoire. Il nécessite des recherches approfondies des aspects de l'équipement et du processus pour résoudre les problèmes dans les applications d'ingénierie. Par exemple, il est nécessaire d'étudier davantage comment obtenir un plasma de densité plus élevé tout en considérant le problème de filtrage des ions dans le plasma; comment concevoir la structure du dispositif d'homogénéisation du gaz pour supprimer efficacement la pré-réaction dans la cavité à basses températures; Comment concevoir le radiateur de l'équipement épitaxial à basse température pour éviter les champs d'étincelle ou électromagnétiques affectant le plasma à une pression de cavité spécifique.

Contribution attendue

On s'attend à ce que ce champ devienne une direction de développement potentiel et apportera des contributions importantes au développement de la prochaine génération de dispositifs optoélectroniques. Avec l'attention aiguë et la promotion vigoureuse des chercheurs, ce domaine se transformera en une orientation de développement potentielle à l'avenir et apportera des contributions importantes au développement de la prochaine génération de dispositifs (optoélectroniques).