GaN-based na teknolohiyang low-temperature epitaxy

1. Ang kahalagahan ng GaN-based na mga materyales

Ang mga materyal na semiconductor na nakabatay sa GaN ay malawakang ginagamit sa paghahanda ng mga optoelectronic device, power electronic device at radio frequency microwave device dahil sa kanilang mahusay na mga katangian tulad ng malawak na bandgap na katangian, mataas na breakdown field strength at mataas na thermal conductivity. Ang mga device na ito ay malawakang ginagamit sa mga industriya tulad ng semiconductor lighting, solid-state ultraviolet light sources, solar photovoltaics, laser display, flexible display screen, mobile communications, power supply, bagong enerhiya na sasakyan, smart grids, atbp., at ang teknolohiya at market ay nagiging mas mature.

Mga limitasyon ng tradisyonal na teknolohiya ng epitaxy

Tradisyunal na epitaxial growth na teknolohiya para sa GaN-based na mga materyales gaya ngMOCVDatMBEkadalasang nangangailangan ng mga kondisyon ng mataas na temperatura, na hindi naaangkop sa mga amorphous na substrate tulad ng salamin at plastik dahil hindi makayanan ng mga materyales na ito ang mas mataas na temperatura ng paglaki. Halimbawa, ang karaniwang ginagamit na float glass ay lalambot sa ilalim ng mga kondisyong lampas sa 600°C. Demand para sa mababang temperaturateknolohiya ng epitaxy: Sa pagtaas ng demand para sa mura at nababaluktot na optoelectronic (electronic) na mga aparato, mayroong pangangailangan para sa epitaxial na kagamitan na gumagamit ng panlabas na electric field na enerhiya upang pumutok ng mga naunang reaksyon sa mababang temperatura. Ang teknolohiyang ito ay maaaring isagawa sa mababang temperatura, umaangkop sa mga katangian ng amorphous substrates, at nagbibigay ng posibilidad na maghanda ng mga murang halaga at nababaluktot (optoelectronic) na mga aparato.

2. Crystal na istraktura ng GaN-based na mga materyales

Uri ng istraktura ng kristal

Pangunahing kasama sa mga materyales na nakabase sa GaN ang GaN, InN, AlN at ang kanilang mga ternary at quaternary na solidong solusyon, na may tatlong kristal na istruktura ng wurtzite, sphalerite at rock salt, kung saan ang istraktura ng wurtzite ay ang pinaka-stable. Ang istraktura ng sphalerite ay isang yugto ng metastable, na maaaring mabago sa istraktura ng wurtzite sa mataas na temperatura, at maaaring umiral sa istraktura ng wurtzite sa anyo ng mga stacking fault sa mas mababang temperatura. Ang istraktura ng rock salt ay ang high-pressure phase ng GaN at maaari lamang lumitaw sa ilalim ng sobrang mataas na mga kondisyon ng presyon.

Pagkilala sa mga kristal na eroplano at kalidad ng kristal

Kasama sa mga karaniwang eroplanong kristal ang polar c-plane, semi-polar s-plane, r-plane, n-plane, at non-polar a-plane at m-plane. Karaniwan, ang mga manipis na pelikula na nakabase sa GaN na nakuha ng epitaxy sa sapphire at Si substrates ay mga c-plane crystal orientation.

3. Mga kinakailangan sa teknolohiya ng epitaxy at mga solusyon sa pagpapatupad

Pangangailangan ng pagbabago sa teknolohiya

Sa pagbuo ng impormasyon at katalinuhan, ang pangangailangan para sa mga optoelectronic na aparato at mga elektronikong aparato ay may posibilidad na maging mura at nababaluktot. Upang matugunan ang mga pangangailangang ito, kinakailangan na baguhin ang umiiral na teknolohiyang epitaxial ng mga materyales na nakabatay sa GaN, lalo na upang makabuo ng teknolohiyang epitaxial na maaaring isagawa sa mababang temperatura upang umangkop sa mga katangian ng mga amorphous na substrate.

Pag-unlad ng teknolohiyang epitaxial na may mababang temperatura

Mababang-temperatura epitaxial na teknolohiya batay sa mga prinsipyo ngpisikal na vapor deposition (PVD)atdeposition ng singaw ng kemikal (CVD), kabilang ang reactive magnetron sputtering, plasma-assisted MBE (PA-MBE), pulsed laser deposition (PLD), pulsed sputtering deposition (PSD), laser-assisted MBE (LMBE), remote plasma CVD (RPCVD), migration enhanced afterglow CVD ( MEA-CVD), remote plasma enhanced MOCVD (RPEMOCVD), activity enhanced MOCVD (REMOCVD), electron cyclotron resonance plasma enhanced MOCVD (ECR-PEMOCVD) at inductively coupled plasma MOCVD (ICP-MOCVD), atbp.

4. Mababang-temperatura na teknolohiyang epitaxy batay sa prinsipyo ng PVD

Mga uri ng teknolohiya

Kabilang ang reactive magnetron sputtering, plasma-assisted MBE (PA-MBE), pulsed laser deposition (PLD), pulsed sputtering deposition (PSD) at laser-assisted MBE (LMBE).

Mga teknikal na tampok

Ang mga teknolohiyang ito ay nagbibigay ng enerhiya sa pamamagitan ng paggamit ng panlabas na field coupling upang i-ionize ang pinagmulan ng reaksyon sa mababang temperatura, sa gayon ay binabawasan ang temperatura ng pag-crack nito at nakakamit ang mababang temperatura na epitaxial na paglago ng mga materyales na nakabatay sa GaN. Halimbawa, ang reactive magnetron sputtering technology ay nagpapakilala ng magnetic field sa panahon ng proseso ng sputtering upang mapataas ang kinetic energy ng mga electron at mapataas ang posibilidad ng banggaan sa N2 at Ar upang mapahusay ang target na sputtering. Kasabay nito, maaari rin nitong i-confine ang high-density plasma sa itaas ng target at bawasan ang pambobomba ng mga ions sa substrate.

Mga hamon

Bagama't ang pag-unlad ng mga teknolohiyang ito ay naging posible upang maghanda ng mura at nababaluktot na mga optoelectronic na aparato, nahaharap din sila sa mga hamon sa mga tuntunin ng kalidad ng paglago, pagiging kumplikado ng kagamitan at gastos. Halimbawa, ang teknolohiya ng PVD ay karaniwang nangangailangan ng mataas na antas ng vacuum, na maaaring epektibong sugpuin ang pre-reaksyon at ipakilala ang ilang in-situ na kagamitan sa pagsubaybay na dapat gumana sa ilalim ng mataas na vacuum (tulad ng RHEED, Langmuir probe, atbp.), ngunit pinapataas nito ang kahirapan ng malaking-lugar na pare-parehong pagtitiwalag, at ang pagpapatakbo at pagpapanatili ng gastos ng mataas na vacuum ay mataas.

5. Mababang-temperatura na teknolohiyang epitaxial batay sa prinsipyo ng CVD

Mga uri ng teknolohiya

Kabilang ang remote plasma CVD (RPCVD), migration enhanced afterglow CVD (MEA-CVD), remote plasma enhanced MOCVD (RPEMOCVD), activity enhanced MOCVD (REMOCVD), electron cyclotron resonance plasma enhanced MOCVD (ECR-PEMOCVD) at inductively coupled (plasma MOCVD) ICP-MOCVD).

Mga teknikal na pakinabang

Ang mga teknolohiyang ito ay nakakamit ng paglaki ng mga III-nitride semiconductor na materyales tulad ng GaN at InN sa mas mababang temperatura sa pamamagitan ng paggamit ng iba't ibang mga pinagmumulan ng plasma at mga mekanismo ng reaksyon, na nakakatulong sa malaking lugar na pare-parehong deposisyon at pagbabawas ng gastos. Halimbawa, ang remote plasma CVD (RPCVD) na teknolohiya ay gumagamit ng ECR source bilang plasma generator, na isang low-pressure plasma generator na maaaring makabuo ng high-density na plasma. Kasabay nito, sa pamamagitan ng teknolohiya ng plasma luminescence spectroscopy (OES), ang 391 nm spectrum na nauugnay sa N2+ ay halos hindi matukoy sa itaas ng substrate, at sa gayon ay binabawasan ang pambobomba ng sample surface ng mga high-energy ions.

Pagbutihin ang kalidad ng kristal

Ang kristal na kalidad ng epitaxial layer ay pinabuting sa pamamagitan ng epektibong pag-filter ng mga high-energy charged particle. Halimbawa, ang teknolohiya ng MEA-CVD ay gumagamit ng HCP source para palitan ang ECR plasma source ng RPCVD, na ginagawa itong mas angkop para sa pagbuo ng high-density na plasma. Ang bentahe ng HCP source ay walang oxygen contamination na dulot ng quartz dielectric window, at ito ay may mas mataas na plasma density kaysa sa capacitive coupling (CCP) plasma source.

6. Buod at Outlook

Ang kasalukuyang katayuan ng teknolohiyang epitaxy na may mababang temperatura

Sa pamamagitan ng pagsasaliksik at pagsusuri sa panitikan, ang kasalukuyang katayuan ng teknolohiyang epitaxy na may mababang temperatura ay nakabalangkas, kabilang ang mga teknikal na katangian, istraktura ng kagamitan, mga kondisyon sa pagtatrabaho at mga resulta ng eksperimentong. Ang mga teknolohiyang ito ay nagbibigay ng enerhiya sa pamamagitan ng panlabas na field coupling, epektibong binabawasan ang temperatura ng paglago, umangkop sa mga katangian ng amorphous substrates, at nagbibigay ng posibilidad ng paghahanda ng mura at nababaluktot (opto) na mga elektronikong aparato.

Mga direksyon sa hinaharap na pananaliksik

Ang teknolohiyang epitaxy na may mababang temperatura ay may malawak na mga prospect ng aplikasyon, ngunit nasa yugto pa rin ito ng eksplorasyon. Nangangailangan ito ng malalim na pananaliksik mula sa parehong mga aspeto ng kagamitan at proseso upang malutas ang mga problema sa mga aplikasyon sa engineering. Halimbawa, kinakailangan upang higit pang pag-aralan kung paano makakuha ng mas mataas na density ng plasma habang isinasaalang-alang ang problema sa pagsala ng ion sa plasma; kung paano idisenyo ang istraktura ng aparato ng homogenization ng gas upang epektibong sugpuin ang pre-reaksyon sa lukab sa mababang temperatura; kung paano idisenyo ang heater ng mababang temperatura na epitaxial na kagamitan upang maiwasan ang mga sparking o electromagnetic field na nakakaapekto sa plasma sa isang partikular na presyon ng lukab.

Inaasahang kontribusyon

Inaasahan na ang larangang ito ay magiging isang potensyal na direksyon ng pag-unlad at gumawa ng mahahalagang kontribusyon sa pagbuo ng susunod na henerasyon ng mga optoelectronic na aparato. Sa matalas na atensyon at masiglang promosyon ng mga mananaliksik, lalago ang larangang ito sa isang potensyal na direksyon ng pag-unlad sa hinaharap at gagawa ng mahahalagang kontribusyon sa pagbuo ng susunod na henerasyon ng (optoelectronic) na mga aparato.