GaN tabanlı düşük sıcaklıklı epitaksi teknolojisi

1. GaN bazlı malzemelerin önemi

GaN bazlı yarı iletken malzemeler, geniş bant aralığı özellikleri, yüksek arıza alanı mukavemeti ve yüksek termal iletkenlik gibi mükemmel özelliklerinden dolayı optoelektronik cihazların, güç elektroniği cihazlarının ve radyo frekanslı mikrodalga cihazlarının hazırlanmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu cihazlar, yarı iletken aydınlatma, katı hal ultraviyole ışık kaynakları, güneş fotovoltaikleri, lazer görüntüleme, esnek görüntü ekranları, mobil iletişim, güç kaynakları, yeni enerji araçları, akıllı şebekeler vb. gibi endüstrilerde yaygın olarak kullanılmaktadır ve teknoloji ve Pazar giderek olgunlaşıyor.

Geleneksel epitaksi teknolojisinin sınırlamaları

GaN bazlı malzemeler için geleneksel epitaksiyel büyüme teknolojileriMOCVDVeMBEgenellikle yüksek sıcaklık koşulları gerektirir; bu koşullar cam ve plastik gibi amorf alt katmanlara uygulanamaz çünkü bu malzemeler daha yüksek büyüme sıcaklıklarına dayanamaz. Örneğin, yaygın olarak kullanılan düz cam, 600°C'yi aşan koşullar altında yumuşayacaktır. Düşük sıcaklık talebiepitaksi teknolojisi: Düşük maliyetli ve esnek optoelektronik (elektronik) cihazlara olan talebin artmasıyla birlikte, reaksiyon öncüllerini düşük sıcaklıklarda parçalamak için harici elektrik alan enerjisini kullanan epitaksiyel ekipmanlara talep vardır. Bu teknoloji, düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilebilir, amorf alt tabakaların özelliklerine uyum sağlayabilir ve düşük maliyetli ve esnek (optoelektronik) cihazlar hazırlama olanağı sağlar.

2. GaN bazlı malzemelerin kristal yapısı

Kristal yapı tipi

GaN bazlı malzemeler esas olarak GaN, InN, AlN ve bunların üçlü ve dördüncül katı çözeltilerini içerir; wurtzit, sfalerit ve kaya tuzundan oluşan üç kristal yapıya sahiptir ve bunlar arasında wurtzit yapısı en stabildir. Sfalerit yapısı, yüksek sıcaklıkta wurtzite yapısına dönüşebilen, daha düşük sıcaklıklarda ise wurtzite yapısında istiflenme hataları şeklinde bulunabilen yarı kararlı bir fazdır. Kaya tuzu yapısı GaN'nin yüksek basınçlı fazıdır ve yalnızca aşırı yüksek basınç koşullarında ortaya çıkabilir.

Kristal düzlemlerin karakterizasyonu ve kristal kalitesi

Yaygın kristal düzlemler arasında kutupsal c-düzlemi, yarı kutuplu s-düzlemi, r-düzlemi, n-düzlemi ve kutupsal olmayan a-düzlemi ve m-düzlemi bulunur. Genellikle safir ve Si substratları üzerinde epitaksi ile elde edilen GaN bazlı ince filmler c-düzlem kristal yönelimleridir.

3. Epitaksi teknolojisi gereksinimleri ve uygulama çözümleri

Teknolojik değişimin gerekliliği

Bilişim ve zekanın gelişmesiyle birlikte optoelektronik cihazlara ve elektronik cihazlara olan talep, düşük maliyetli ve esnek olma eğilimindedir. Bu ihtiyaçların karşılanması için GaN bazlı malzemelerin mevcut epitaksiyel teknolojisinin değiştirilmesi, özellikle amorf alttaşların özelliklerine uyum sağlayacak şekilde düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilebilecek epitaksiyel teknolojinin geliştirilmesi gerekmektedir.

Düşük sıcaklıkta epitaksiyel teknolojinin geliştirilmesi

Prensiplere dayanan düşük sıcaklık epitaksiyel teknolojisifiziksel buhar birikimi (PVD)Vekimyasal buhar biriktirme (CVD)Reaktif magnetron püskürtme, plazma destekli MBE (PA-MBE), darbeli lazer biriktirme (PLD), darbeli püskürtme biriktirme (PSD), lazer destekli MBE (LMBE), uzak plazma CVD (RPCVD), geçişle geliştirilmiş görüntü tutma (afterglow) CVD ( MEA-CVD), uzaktan plazmayla güçlendirilmiş MOCVD (RPEMOCVD), aktiviteyle güçlendirilmiş MOCVD (REMOCVD), elektron siklotron rezonansı plazmayla güçlendirilmiş MOCVD (ECR-PEMOCVD) ve indüktif olarak eşleşmiş plazma MOCVD (ICP-MOCVD), vb.

4. PVD prensibine dayanan düşük sıcaklıklı epitaksi teknolojisi

Teknoloji türleri

Reaktif magnetron püskürtme, plazma destekli MBE (PA-MBE), darbeli lazer biriktirme (PLD), darbeli püskürtme biriktirme (PSD) ve lazer destekli MBE (LMBE) dahil.

Teknik özellikler

Bu teknolojiler, reaksiyon kaynağını düşük sıcaklıkta iyonize etmek için harici alan bağlantısını kullanarak enerji sağlar, böylece çatlama sıcaklığını düşürür ve GaN bazlı malzemelerin düşük sıcaklıkta epitaksiyel büyümesini sağlar. Örneğin, reaktif magnetron püskürtme teknolojisi, elektronların kinetik enerjisini arttırmak ve hedef püskürtmeyi geliştirmek için N2 ve Ar ile çarpışma olasılığını artırmak için püskürtme işlemi sırasında bir manyetik alan sağlar. Aynı zamanda, yüksek yoğunluklu plazmayı hedefin üzerinde sınırlandırabilir ve iyonların substrat üzerindeki bombardımanını azaltabilir.

Zorluklar

Bu teknolojilerin gelişmesi, düşük maliyetli ve esnek optoelektronik cihazların hazırlanmasını mümkün kılsa da, aynı zamanda büyüme kalitesi, ekipman karmaşıklığı ve maliyet açısından zorluklarla da karşı karşıyadırlar. Örneğin, PVD teknolojisi genellikle ön reaksiyonu etkili bir şekilde bastırabilen ve yüksek vakum altında çalışması gereken bazı yerinde izleme ekipmanlarını (RHEED, Langmuir probu vb.) devreye sokabilen yüksek bir vakum derecesi gerektirir, ancak zorluğu artırır. geniş alanlı düzgün biriktirme ve yüksek vakumun işletme ve bakım maliyeti yüksektir.

5. CVD prensibine dayalı düşük sıcaklık epitaksiyel teknolojisi

Teknoloji türleri

Uzak plazma CVD'si (RPCVD), migrasyonu arttırılmış görüntü sonrası parlama CVD'si (MEA-CVD), uzaktan plazmayla geliştirilmiş MOCVD'yi (RPEMOCVD), aktiviteyi arttırılmış MOCVD'yi (REMOCVD), elektron siklotron rezonansı plazmayla güçlendirilmiş MOCVD'yi (ECR-PEMOCVD) ve indüktif olarak eşleşmiş plazma MOCVD'yi içerir ( ICP-MOCVD).

Teknik avantajlar

Bu teknolojiler, farklı plazma kaynakları ve reaksiyon mekanizmalarını kullanarak GaN ve InN gibi III-nitrür yarı iletken malzemelerin daha düşük sıcaklıklarda büyütülmesini sağlar; bu da geniş alanlı tekdüze biriktirme ve maliyet düşürmeye yardımcı olur. Örneğin, uzak plazma CVD (RPCVD) teknolojisi, yüksek yoğunluklu plazma üretebilen düşük basınçlı bir plazma jeneratörü olan bir plazma jeneratörü olarak bir ECR kaynağı kullanır. Aynı zamanda, plazma lüminesans spektroskopisi (OES) teknolojisi sayesinde, N2+ ile ilişkili 391 nm spektrum substratın üzerinde neredeyse tespit edilemez, böylece numune yüzeyinin yüksek enerjili iyonlar tarafından bombardımanı azaltılır.

Kristal kalitesini artırın

Epitaksiyel katmanın kristal kalitesi, yüksek enerjili yüklü parçacıkların etkili bir şekilde filtrelenmesiyle geliştirilir. Örneğin MEA-CVD teknolojisi, RPCVD'nin ECR plazma kaynağının yerine bir HCP kaynağı kullanır ve bu da onu yüksek yoğunluklu plazma üretmek için daha uygun hale getirir. HCP kaynağının avantajı, kuvars dielektrik pencerenin neden olduğu oksijen kirliliğinin olmaması ve kapasitif kuplaj (CCP) plazma kaynağından daha yüksek bir plazma yoğunluğuna sahip olmasıdır.

6. Özet ve Görünüm

Düşük sıcaklık epitaksi teknolojisinin mevcut durumu

Literatür araştırması ve analizi yoluyla, teknik özellikler, ekipman yapısı, çalışma koşulları ve deneysel sonuçlar dahil olmak üzere düşük sıcaklık epitaksi teknolojisinin mevcut durumu özetlenmektedir. Bu teknolojiler, dış alan bağlantısı yoluyla enerji sağlar, büyüme sıcaklığını etkili bir şekilde azaltır, amorf substratların özelliklerine uyum sağlar ve düşük maliyetli ve esnek (opto) elektronik cihazlar hazırlama olanağı sağlar.

Gelecekteki araştırma yönleri

Düşük sıcaklıktaki epitaksi teknolojisinin geniş uygulama olanakları vardır ancak henüz araştırma aşamasındadır. Mühendislik uygulamalarındaki sorunları çözmek için hem ekipman hem de süreç açısından derinlemesine araştırma yapılması gerekir. Örneğin, plazmadaki iyon filtreleme problemini göz önünde bulundurarak daha yüksek yoğunluklu bir plazmanın nasıl elde edileceğini daha fazla araştırmak gerekir; düşük sıcaklıklarda boşluktaki ön reaksiyonu etkili bir şekilde bastırmak için gaz homojenleştirme cihazının yapısının nasıl tasarlanacağı; Belirli bir boşluk basıncında plazmayı etkileyen kıvılcım veya elektromanyetik alanları önlemek için düşük sıcaklıklı epitaksiyel ekipmanın ısıtıcısının nasıl tasarlanacağı.

Beklenen katkı

Bu alanın potansiyel bir gelişme yönü haline gelmesi ve yeni nesil optoelektronik cihazların geliştirilmesine önemli katkılar sağlaması bekleniyor. Araştırmacıların yoğun ilgisi ve güçlü teşvikiyle bu alan gelecekte potansiyel bir gelişme yönüne doğru büyüyecek ve gelecek nesil (optoelektronik) cihazların geliştirilmesine önemli katkılar sağlayacaktır.