Tecnologia de epitaxia de baixa temperatura baseada em GaN

1. A importância dos materiais à base de GaN

Materiais semicondutores à base de GaN são amplamente utilizados na preparação de dispositivos optoeletrônicos, dispositivos eletrônicos de potência e dispositivos de microondas de radiofrequência devido às suas excelentes propriedades, como características de amplo intervalo de banda, alta intensidade de campo de ruptura e alta condutividade térmica. Esses dispositivos têm sido amplamente utilizados em indústrias como iluminação de semicondutores, fontes de luz ultravioleta de estado sólido, energia solar fotovoltaica, display laser, telas flexíveis, comunicações móveis, fontes de alimentação, novos veículos de energia, redes inteligentes, etc., e na tecnologia e mercado estão se tornando mais maduros.

Limitações da tecnologia tradicional de epitaxia

Tecnologias tradicionais de crescimento epitaxial para materiais à base de GaN, comoMODCVeMBEgeralmente requerem condições de alta temperatura, que não são aplicáveis ​​a substratos amorfos, como vidro e plásticos, porque estes materiais não podem suportar temperaturas de crescimento mais elevadas. Por exemplo, o vidro float comumente usado amolece sob condições superiores a 600°C. Demanda por baixa temperaturatecnologia epitaxia: Com a crescente demanda por dispositivos optoeletrônicos (eletrônicos) flexíveis e de baixo custo, há uma demanda por equipamentos epitaxiais que utilizam energia de campo elétrico externo para quebrar precursores de reação em baixas temperaturas. Esta tecnologia pode ser realizada a baixas temperaturas, adaptando-se às características dos substratos amorfos, e proporcionando a possibilidade de preparação de dispositivos (optoeletrônicos) flexíveis e de baixo custo.

2. Estrutura cristalina de materiais à base de GaN

Tipo de estrutura cristalina

Os materiais à base de GaN incluem principalmente GaN, InN, AlN e suas soluções sólidas ternárias e quaternárias, com três estruturas cristalinas de wurtzita, esfalerita e sal-gema, entre as quais a estrutura wurtzita é a mais estável. A estrutura esfalerita é uma fase metaestável, que pode ser transformada na estrutura wurtzita em altas temperaturas, e pode existir na estrutura wurtzita na forma de falhas de empilhamento em temperaturas mais baixas. A estrutura do sal-gema é a fase de alta pressão do GaN e só pode aparecer sob condições de pressão extremamente alta.

Caracterização de planos cristalinos e qualidade do cristal

Os planos cristalinos comuns incluem o plano C polar, o plano s semipolar, o plano r, o plano n e o plano a não polar e o plano m. Normalmente, os filmes finos à base de GaN obtidos por epitaxia em substratos de safira e Si são orientações de cristal no plano C.

3. Requisitos de tecnologia Epitaxy e soluções de implementação

Necessidade de mudança tecnológica

Com o desenvolvimento da informatização e da inteligência, a demanda por dispositivos optoeletrônicos e eletrônicos tende a ser de baixo custo e flexível. Para atender a essas necessidades, é necessário alterar a tecnologia epitaxial existente de materiais à base de GaN, especialmente para desenvolver tecnologia epitaxial que possa ser realizada em baixas temperaturas para se adaptar às características dos substratos amorfos.

Desenvolvimento de tecnologia epitaxial de baixa temperatura

Tecnologia epitaxial de baixa temperatura baseada nos princípios dedeposição física de vapor (PVD)edeposição química de vapor (DCV), incluindo pulverização catódica reativa por magnetron, MBE assistido por plasma (PA-MBE), deposição de laser pulsado (PLD), deposição por pulverização catódica pulsada (PSD), MBE assistida por laser (LMBE), CVD de plasma remoto (RPCVD), CVD de pós-luminescência aprimorada por migração ( MEA-CVD), MOCVD aprimorado com plasma remoto (RPEMOCVD), MOCVD aprimorado com atividade (REMOCVD), MOCVD aprimorado com plasma de ressonância ciclotron de elétrons (ECR-PEMOCVD) e MOCVD com plasma indutivamente acoplado (ICP-MOCVD), etc.

4. Tecnologia de epitaxia de baixa temperatura baseada no princípio PVD

Tipos de tecnologia

Incluindo pulverização catódica reativa por magnetron, MBE assistido por plasma (PA-MBE), deposição por laser pulsado (PLD), deposição por pulverização catódica pulsada (PSD) e MBE assistido por laser (LMBE).

Características técnicas

Essas tecnologias fornecem energia usando acoplamento de campo externo para ionizar a fonte de reação em baixa temperatura, reduzindo assim sua temperatura de craqueamento e alcançando crescimento epitaxial em baixa temperatura de materiais à base de GaN. Por exemplo, a tecnologia de pulverização catódica reativa introduz um campo magnético durante o processo de pulverização catódica para aumentar a energia cinética dos elétrons e aumentar a probabilidade de colisão com N2 e Ar para melhorar a pulverização catódica do alvo. Ao mesmo tempo, também pode confinar o plasma de alta densidade acima do alvo e reduzir o bombardeio de íons no substrato.

Desafios

Embora o desenvolvimento destas tecnologias tenha permitido preparar dispositivos optoeletrônicos flexíveis e de baixo custo, eles também enfrentam desafios em termos de qualidade de crescimento, complexidade e custo dos equipamentos. Por exemplo, a tecnologia PVD geralmente requer um alto grau de vácuo, que pode efetivamente suprimir a pré-reação e introduzir alguns equipamentos de monitoramento in-situ que devem funcionar sob alto vácuo (como RHEED, sonda Langmuir, etc.), mas aumenta a dificuldade de deposição uniforme em grandes áreas e o custo de operação e manutenção do alto vácuo é alto.

5. Tecnologia epitaxial de baixa temperatura baseada no princípio DCV

Tipos de tecnologia

Incluindo CVD de plasma remoto (RPCVD), CVD de pós-brilho aprimorado por migração (MEA-CVD), MOCVD aprimorado por plasma remoto (RPEMOCVD), MOCVD aprimorado por atividade (REMOCVD), MOCVD aprimorado por plasma de ressonância de ciclotron de elétrons (ECR-PEMOCVD) e MOCVD de plasma indutivamente acoplado ( ICP-MOCVD).

Vantagens técnicas

Essas tecnologias alcançam o crescimento de materiais semicondutores de nitreto III, como GaN e InN, em temperaturas mais baixas, usando diferentes fontes de plasma e mecanismos de reação, o que conduz à deposição uniforme em grandes áreas e à redução de custos. Por exemplo, a tecnologia CVD de plasma remoto (RPCVD) usa uma fonte ECR como gerador de plasma, que é um gerador de plasma de baixa pressão que pode gerar plasma de alta densidade. Ao mesmo tempo, através da tecnologia de espectroscopia de luminescência de plasma (OES), o espectro de 391 nm associado ao N2+ é quase indetectável acima do substrato, reduzindo assim o bombardeio da superfície da amostra por íons de alta energia.

Melhorar a qualidade do cristal

A qualidade do cristal da camada epitaxial é melhorada pela filtragem eficaz de partículas carregadas de alta energia. Por exemplo, a tecnologia MEA-CVD utiliza uma fonte HCP para substituir a fonte de plasma ECR do RPCVD, tornando-a mais adequada para gerar plasma de alta densidade. A vantagem da fonte HCP é que não há contaminação de oxigênio causada pela janela dielétrica de quartzo e possui uma densidade de plasma mais alta do que a fonte de plasma de acoplamento capacitivo (CCP).

6. Resumo e Perspectiva

O status atual da tecnologia epitaxia de baixa temperatura

Por meio de pesquisa e análise bibliográfica, é delineado o status atual da tecnologia de epitaxia de baixa temperatura, incluindo características técnicas, estrutura do equipamento, condições de trabalho e resultados experimentais. Essas tecnologias fornecem energia por meio de acoplamento de campo externo, reduzem efetivamente a temperatura de crescimento, adaptam-se às características dos substratos amorfos e oferecem a possibilidade de preparação de dispositivos (opto)eletrônicos flexíveis e de baixo custo.

Direções de pesquisas futuras

A tecnologia de epitaxia de baixa temperatura tem amplas perspectivas de aplicação, mas ainda está em fase exploratória. Requer pesquisa aprofundada tanto dos aspectos do equipamento quanto do processo para resolver problemas em aplicações de engenharia. Por exemplo, é necessário estudar mais a fundo como obter um plasma de maior densidade enquanto se considera o problema de filtragem de íons no plasma; como projetar a estrutura do dispositivo de homogeneização de gases para suprimir efetivamente a pré-reação na cavidade em baixas temperaturas; como projetar o aquecedor do equipamento epitaxial de baixa temperatura para evitar faíscas ou campos eletromagnéticos que afetem o plasma a uma pressão específica da cavidade.

Contribuição esperada

Espera-se que este campo se torne uma direção potencial de desenvolvimento e faça contribuições importantes para o desenvolvimento da próxima geração de dispositivos optoeletrônicos. Com a atenção especial e a promoção vigorosa dos investigadores, este campo crescerá numa direcção de desenvolvimento potencial no futuro e fará contribuições importantes para o desenvolvimento da próxima geração de dispositivos (optoelectrónicos).