2024-08-27
1. Tầm quan trọng của vật liệu dựa trên GaN
Vật liệu bán dẫn dựa trên GaN được sử dụng rộng rãi trong chế tạo các thiết bị quang điện tử, thiết bị điện tử công suất và thiết bị vi sóng tần số vô tuyến do các đặc tính tuyệt vời của chúng như đặc tính vùng cấm rộng, cường độ trường đánh thủng cao và độ dẫn nhiệt cao. Những thiết bị này đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như chiếu sáng bán dẫn, nguồn ánh sáng cực tím trạng thái rắn, quang điện mặt trời, màn hình laser, màn hình hiển thị linh hoạt, thông tin di động, nguồn điện, phương tiện năng lượng mới, lưới điện thông minh, v.v., và công nghệ và thị trường ngày càng trưởng thành hơn.
Hạn chế của công nghệ epitaxy truyền thống
Các công nghệ tăng trưởng epiticular truyền thống cho các vật liệu dựa trên GaN nhưMOCVDVàMBEthường yêu cầu điều kiện nhiệt độ cao, không áp dụng được cho các chất nền vô định hình như thủy tinh và nhựa vì những vật liệu này không thể chịu được nhiệt độ tăng trưởng cao hơn. Ví dụ, kính nổi thường được sử dụng sẽ mềm đi ở điều kiện vượt quá 600°C. Nhu cầu nhiệt độ thấpcông nghệ epitaxy: Với nhu cầu ngày càng tăng về các thiết bị quang điện tử (điện tử) linh hoạt và chi phí thấp, nhu cầu về thiết bị epiticular sử dụng năng lượng điện trường bên ngoài để bẻ khóa tiền chất phản ứng ở nhiệt độ thấp. Công nghệ này có thể được thực hiện ở nhiệt độ thấp, thích ứng với các đặc tính của chất nền vô định hình và mang lại khả năng chế tạo các thiết bị (quang điện tử) chi phí thấp và linh hoạt.
2. Cấu trúc tinh thể của vật liệu nền GaN
Kiểu cấu trúc tinh thể
Các vật liệu dựa trên GaN chủ yếu bao gồm GaN, InN, AlN và các dung dịch rắn bậc ba và bậc bốn của chúng, với ba cấu trúc tinh thể là wurtzite, sphalerite và muối đá, trong đó cấu trúc wurtzite ổn định nhất. Cấu trúc sphalerit là pha siêu bền, có thể chuyển hóa thành cấu trúc wurtzite ở nhiệt độ cao và có thể tồn tại trong cấu trúc wurtzite dưới dạng các đứt gãy xếp chồng ở nhiệt độ thấp hơn. Cấu trúc đá muối là pha áp suất cao của GaN và chỉ có thể xuất hiện trong điều kiện áp suất cực cao.
Đặc tính của mặt phẳng tinh thể và chất lượng tinh thể
Các mặt phẳng tinh thể phổ biến bao gồm mặt phẳng c cực, mặt phẳng s bán phân cực, mặt phẳng r, mặt phẳng n và mặt phẳng a không phân cực và mặt phẳng m. Thông thường, các màng mỏng dựa trên GaN thu được bằng phương pháp epit Wax trên nền sapphire và Si có định hướng tinh thể mặt phẳng c.
3. Yêu cầu công nghệ Epitaxy và giải pháp thực hiện
Sự cần thiết của sự thay đổi công nghệ
Với sự phát triển của tin học và trí tuệ, nhu cầu về các thiết bị quang điện tử và thiết bị điện tử có xu hướng chi phí thấp và linh hoạt. Để đáp ứng những nhu cầu này, cần thay đổi công nghệ epiticular hiện có của vật liệu gốc GaN, đặc biệt là phát triển công nghệ epiticular có thể thực hiện ở nhiệt độ thấp để thích ứng với đặc tính của chất nền vô định hình.
Phát triển công nghệ epiticular nhiệt độ thấp
Công nghệ epiticular nhiệt độ thấp dựa trên nguyên lýlắng đọng hơi vật lý (PVD)Vàlắng đọng hơi hóa học (CVD), bao gồm phún xạ magnetron phản ứng, MBE được hỗ trợ bằng plasma (PA-MBE), lắng đọng xung laser (PLD), lắng đọng phún xạ xung (PSD), MBE được hỗ trợ bằng laser (LMBE), CVD plasma từ xa (RPCVD), CVD tăng cường di chuyển ( MEA-CVD), MOCVD tăng cường huyết tương từ xa (RPPEMOCVD), MOCVD tăng cường hoạt động (REMOCVD), MOCVD huyết tương cộng hưởng cyclotron điện tử tăng cường (ECR-PEMOCVD) và MOCVD huyết tương ghép cảm ứng (ICP-MOCVD), v.v.
4. Công nghệ epitaxy nhiệt độ thấp dựa trên nguyên lý PVD
Các loại công nghệ
Bao gồm phún xạ magnetron phản ứng, MBE được hỗ trợ bằng plasma (PA-MBE), lắng đọng xung laser (PLD), lắng đọng phún xạ xung (PSD) và MBE được hỗ trợ bằng laser (LMBE).
Đặc tính kỹ thuật
Những công nghệ này cung cấp năng lượng bằng cách sử dụng sự ghép nối trường bên ngoài để ion hóa nguồn phản ứng ở nhiệt độ thấp, do đó làm giảm nhiệt độ nứt của nó và đạt được sự tăng trưởng epiticular ở nhiệt độ thấp của vật liệu dựa trên GaN. Ví dụ, công nghệ phún xạ magnetron phản ứng tạo ra từ trường trong quá trình phún xạ để tăng động năng của các electron và tăng xác suất va chạm với N2 và Ar để tăng cường phún xạ mục tiêu. Đồng thời, nó cũng có thể giam giữ plasma mật độ cao phía trên mục tiêu và giảm sự bắn phá của các ion lên bề mặt.
Thử thách
Mặc dù sự phát triển của các công nghệ này giúp tạo ra các thiết bị quang điện tử linh hoạt và chi phí thấp nhưng chúng cũng phải đối mặt với những thách thức về chất lượng phát triển, độ phức tạp của thiết bị và chi phí. Ví dụ, công nghệ PVD thường yêu cầu độ chân không cao, có thể ngăn chặn hiệu quả phản ứng trước và đưa vào một số thiết bị giám sát tại chỗ phải hoạt động trong điều kiện chân không cao (như RHEED, đầu dò Langmuir, v.v.), nhưng nó làm tăng khó khăn lắng đọng đồng đều diện tích lớn, và chi phí vận hành và bảo trì của chân không cao là cao.
5. Công nghệ epiticular nhiệt độ thấp dựa trên nguyên lý CVD
Các loại công nghệ
Bao gồm CVD huyết tương từ xa (RPCVD), CVD phát sáng sau được tăng cường di chuyển (MEA-CVD), MOCVD được tăng cường huyết tương từ xa (RPPEMOCVD), MOCVD được tăng cường hoạt động (REMOCVD), MOCVD plasma cộng hưởng cyclotron điện tử được tăng cường (ECR-PEMOCVD) và MOCVD huyết tương kết hợp cảm ứng ( ICP-MOCVD).
Ưu điểm kỹ thuật
Những công nghệ này đạt được sự phát triển của vật liệu bán dẫn III-nitride như GaN và InN ở nhiệt độ thấp hơn bằng cách sử dụng các nguồn plasma và cơ chế phản ứng khác nhau, có lợi cho việc lắng đọng đồng đều trên diện rộng và giảm chi phí. Ví dụ, công nghệ CVD plasma từ xa (RPCVD) sử dụng nguồn ECR làm máy tạo plasma, đây là máy tạo plasma áp suất thấp có thể tạo ra plasma mật độ cao. Đồng thời, thông qua công nghệ quang phổ phát quang plasma (OES), phổ 391 nm liên kết với N2+ gần như không thể phát hiện được phía trên lớp nền, từ đó làm giảm sự bắn phá bề mặt mẫu bởi các ion năng lượng cao.
Cải thiện chất lượng tinh thể
Chất lượng tinh thể của lớp epitaxy được cải thiện bằng cách lọc hiệu quả các hạt tích điện năng lượng cao. Ví dụ, công nghệ MEA-CVD sử dụng nguồn HCP để thay thế nguồn RPCVD plasma ECR, khiến nó phù hợp hơn để tạo ra plasma mật độ cao. Ưu điểm của nguồn HCP là không bị ô nhiễm oxy do cửa sổ điện môi thạch anh gây ra và nó có mật độ plasma cao hơn nguồn plasma ghép điện dung (CCP).
6. Tóm tắt và triển vọng
Hiện trạng công nghệ epitaxy nhiệt độ thấp
Thông qua nghiên cứu và phân tích tài liệu, hiện trạng của công nghệ epit Wax nhiệt độ thấp được phác thảo, bao gồm các đặc tính kỹ thuật, kết cấu thiết bị, điều kiện làm việc và kết quả thử nghiệm. Những công nghệ này cung cấp năng lượng thông qua sự ghép nối trường bên ngoài, giảm nhiệt độ tăng trưởng một cách hiệu quả, thích ứng với các đặc tính của chất nền vô định hình và mang lại khả năng chuẩn bị các thiết bị điện tử (opto) chi phí thấp và linh hoạt.
Hướng nghiên cứu trong tương lai
Công nghệ epit Wax nhiệt độ thấp có triển vọng ứng dụng rộng rãi nhưng vẫn đang trong giai đoạn thăm dò. Nó đòi hỏi nghiên cứu chuyên sâu từ cả khía cạnh thiết bị và quy trình để giải quyết các vấn đề trong ứng dụng kỹ thuật. Ví dụ, cần nghiên cứu sâu hơn về cách thu được plasma có mật độ cao hơn đồng thời xem xét vấn đề lọc ion trong plasma; cách thiết kế cấu trúc của thiết bị đồng nhất khí để ngăn chặn hiệu quả phản ứng trước trong khoang ở nhiệt độ thấp; cách thiết kế bộ gia nhiệt của thiết bị epiticular nhiệt độ thấp để tránh phát ra tia lửa điện hoặc trường điện từ ảnh hưởng đến plasma ở một áp suất khoang nhất định.
Đóng góp dự kiến
Dự kiến lĩnh vực này sẽ trở thành hướng phát triển tiềm năng và đóng góp quan trọng cho sự phát triển của thế hệ thiết bị quang điện tử tiếp theo. Với sự quan tâm sâu sắc và sự thúc đẩy mạnh mẽ của các nhà nghiên cứu, lĩnh vực này sẽ phát triển thành một hướng phát triển đầy tiềm năng trong tương lai và có những đóng góp quan trọng cho sự phát triển của thế hệ thiết bị (quang điện tử) tiếp theo.