เทคโนโลยี epitaxy อุณหภูมิต่ำที่ใช้ GAN

1. ความสำคัญของวัสดุที่ใช้ GAN

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ GAN มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการเตรียมอุปกรณ์ออพโตอิเล็กทรอนิกส์อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พลังงานและอุปกรณ์ไมโครเวฟความถี่วิทยุเนื่องจากคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมของพวกเขาเช่นลักษณะ bandgap กว้างความแรงของสนามสลายสูงและการนำความร้อนสูง อุปกรณ์เหล่านี้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเช่นแสงเซมิคอนดักเตอร์แหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตโซลิดสเตตโซลด์สเตตโซลาร์เซลล์แสงอาทิตย์จอแสดงผลเลเซอร์หน้าจอแสดงผลที่ยืดหยุ่น

ข้อ จำกัด ของเทคโนโลยี epitaxy แบบดั้งเดิม

เทคโนโลยีการเจริญเติบโตของ epitaxial แบบดั้งเดิมสำหรับวัสดุที่ใช้ GAN เช่นmocvdและmbeมักจะต้องใช้เงื่อนไขอุณหภูมิสูงซึ่งไม่สามารถใช้กับพื้นผิวอสัณฐานเช่นแก้วและพลาสติกได้เนื่องจากวัสดุเหล่านี้ไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิการเจริญเติบโตที่สูงขึ้นได้ ตัวอย่างเช่นแก้วลอยน้ำที่ใช้กันทั่วไปจะอ่อนลงภายใต้เงื่อนไขเกิน 600 ° C ความต้องการอุณหภูมิต่ำเทคโนโลยี Epitaxy: ด้วยความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับอุปกรณ์ Optoelectronic (อิเล็กทรอนิกส์) ที่มีต้นทุนต่ำ เทคโนโลยีนี้สามารถดำเนินการที่อุณหภูมิต่ำปรับให้เข้ากับลักษณะของพื้นผิวอสัณฐานและให้ความเป็นไปได้ในการเตรียมอุปกรณ์ราคาประหยัดและยืดหยุ่น (ออปโตอิเล็กทรอนิกส์)

2. โครงสร้างผลึกของวัสดุที่ใช้ GAN

ประเภทโครงสร้างผลึก

วัสดุที่ใช้ GAN ส่วนใหญ่ ได้แก่ Gan, Inn, Aln และสารละลายที่เป็นของแข็งที่ประกอบไปด้วยสี่และ Quaternary โดยมีโครงสร้างผลึกสามชนิดของ Wurtzite, sphalerite และเกลือหินซึ่งโครงสร้าง Wurtzite มีความเสถียรมากที่สุด โครงสร้าง sphalerite เป็นเฟส metastable ซึ่งสามารถเปลี่ยนเป็นโครงสร้าง wurtzite ที่อุณหภูมิสูงและสามารถมีอยู่ในโครงสร้าง wurtzite ในรูปแบบของความผิดพลาดในการซ้อนที่อุณหภูมิต่ำกว่า โครงสร้างเกลือหินเป็นเฟสแรงดันสูงของ GAN และสามารถปรากฏขึ้นภายใต้สภาวะแรงดันสูงมากเท่านั้น

การศึกษาลักษณะของระนาบคริสตัลและคุณภาพคริสตัล

ระนาบคริสตัลทั่วไป ได้แก่ Polar C-plane, Semi-Polar S-plane, R-plane, N-plane และ Non-Polar Plane และ M-plane โดยปกติแล้วฟิล์มบางที่ใช้ GAN ที่ได้รับจาก epitaxy บนพื้นผิวแซฟไฟร์และ Si คือการวางแนวคริสตัล C-plane

3. ความต้องการเทคโนโลยี epitaxy และโซลูชั่นการใช้งาน

ความจำเป็นของการเปลี่ยนแปลงทางเทคโนโลยี

ด้วยการพัฒนาข้อมูลและข่าวกรองความต้องการอุปกรณ์ออพโตอิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีแนวโน้มที่จะมีราคาต่ำและยืดหยุ่น เพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านี้จำเป็นต้องเปลี่ยนเทคโนโลยี epitaxial ที่มีอยู่ของวัสดุที่ใช้ GAN โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการพัฒนาเทคโนโลยี epitaxial ที่สามารถดำเนินการที่อุณหภูมิต่ำเพื่อปรับให้เข้ากับลักษณะของพื้นผิวอสัณฐาน

การพัฒนาเทคโนโลยี epitaxial อุณหภูมิต่ำ

เทคโนโลยี epitaxial อุณหภูมิต่ำตามหลักการของการสะสมไอทางกายภาพ (PVD)และการสะสมไอสารเคมี (CVD)รวมถึงการสปัตเตอร์แมกนีตรอนแบบปฏิกิริยา, MBE ที่ช่วยพลาสมา (PA-MBE), การสะสมด้วยเลเซอร์พัลซิ่ง (PLD), การทับถมของพัลส์สปัตเตอร์ (PSD), เลเซอร์ช่วย MBE (LMBE) (RPEMOCVD), กิจกรรมที่ปรับปรุงกิจกรรม MOCVD (REMOCVD), อิเล็กตรอนไซโคลตรอนเรโซแนนซ์พลาสม่าที่ปรับปรุงแล้ว MOCVD (ECR-PEMOCVD) และพลาสมา MOCVD (ICP-MOCVD) ฯลฯ

4. เทคโนโลยี epitaxy อุณหภูมิต่ำตามหลักการ PVD

ประเภทเทคโนโลยี

รวมถึงการสปัตเตอร์แมกนีตรอนปฏิกิริยา, MBE ช่วยพลาสมา (PA-MBE), การสะสมด้วยเลเซอร์พัลซิ่ง (PLD), การทับถมของพัลซิ่งสปัตเตอร์ (PSD) และ MBE ช่วยเลเซอร์ (LMBE)

คุณสมบัติทางเทคนิค

เทคโนโลยีเหล่านี้ให้พลังงานโดยใช้การมีเพศสัมพันธ์นอกสนามเพื่อทำให้เกิดแหล่งปฏิกิริยาที่อุณหภูมิต่ำซึ่งจะช่วยลดอุณหภูมิการแคร็กและทำให้การเจริญเติบโตของ epitaxial อุณหภูมิต่ำของวัสดุที่ใช้ GAN ตัวอย่างเช่นเทคโนโลยีการสปัตเตอร์แมกนีตรอนปฏิกิริยาแนะนำสนามแม่เหล็กในระหว่างกระบวนการสปัตเตอร์เพื่อเพิ่มพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนและเพิ่มความน่าจะเป็นของการชนกับ N2 และ AR เพื่อเพิ่มการสปัตเตอร์เป้าหมาย ในเวลาเดียวกันก็สามารถ จำกัด พลาสมาที่มีความหนาแน่นสูงเหนือเป้าหมายและลดการทิ้งระเบิดของไอออนบนพื้นผิว

ความท้าทาย

แม้ว่าการพัฒนาเทคโนโลยีเหล่านี้ทำให้สามารถเตรียมอุปกรณ์ออพโตอิเล็กทรอนิกส์ที่มีต้นทุนต่ำและยืดหยุ่นได้ แต่พวกเขายังเผชิญกับความท้าทายในแง่ของคุณภาพการเติบโตความซับซ้อนของอุปกรณ์และต้นทุน ตัวอย่างเช่นเทคโนโลยี PVD มักจะต้องมีระดับสุญญากาศสูงซึ่งสามารถยับยั้งปฏิกิริยาก่อนและแนะนำอุปกรณ์ตรวจสอบในแหล่งกำเนิดได้อย่างมีประสิทธิภาพซึ่งจะต้องทำงานภายใต้สุญญากาศสูง (เช่น rheed, โพรบ langmuir ฯลฯ ) แต่มันจะเพิ่มความยากลำบากของการสะสมในพื้นที่ขนาดใหญ่

5. เทคโนโลยี epitaxial อุณหภูมิต่ำตามหลักการ CVD

ประเภทเทคโนโลยี

รวมถึงระยะไกลพลาสม่า CVD (RPCVD) การย้ายถิ่นที่เพิ่มขึ้น Afterglow CVD (MEA-CVD) พลาสมาระยะไกลที่เพิ่มขึ้น MOCVD (RPEMOCVD) กิจกรรมที่เพิ่มขึ้น MOCVD (REMOCVD), พลาสมาอิเล็กตรอน (ICP-MOCVD)

ข้อได้เปรียบทางเทคนิค

เทคโนโลยีเหล่านี้บรรลุการเติบโตของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ III-nitride เช่น GaN และ Inn ที่อุณหภูมิต่ำกว่าโดยใช้แหล่งพลาสมาและกลไกการเกิดปฏิกิริยาที่แตกต่างกันซึ่งเอื้อต่อการสะสมเครื่องแบบขนาดใหญ่และการลดต้นทุน ตัวอย่างเช่นเทคโนโลยีระยะไกลพลาสมา CVD (RPCVD) ใช้แหล่งกำเนิด ECR เป็นเครื่องกำเนิดพลาสมาซึ่งเป็นเครื่องกำเนิดพลาสมาแรงดันต่ำที่สามารถสร้างพลาสมาที่มีความหนาแน่นสูง ในเวลาเดียวกันผ่านเทคโนโลยีพลาสมา luminescence spectroscopy (OES) สเปกตรัม 391 นาโนเมตรที่เกี่ยวข้องกับ N2+ นั้นแทบจะไม่สามารถตรวจจับได้เหนือพื้นผิวจึงช่วยลดการทิ้งระเบิดของพื้นผิวตัวอย่างโดยไอออนพลังงานสูง

ปรับปรุงคุณภาพคริสตัล

คุณภาพคริสตัลของชั้น epitaxial ได้รับการปรับปรุงโดยการกรองอนุภาคที่มีประจุพลังงานสูงอย่างมีประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่นเทคโนโลยี MEA-CVD ใช้แหล่ง HCP เพื่อแทนที่แหล่งพลาสมา ECR ของ RPCVD ทำให้เหมาะสำหรับการสร้างพลาสมาที่มีความหนาแน่นสูง ข้อได้เปรียบของแหล่งกำเนิด HCP คือไม่มีการปนเปื้อนของออกซิเจนที่เกิดจากหน้าต่างควอตซ์ไดอิเล็กทริกและมีความหนาแน่นของพลาสม่าสูงกว่าแหล่งพลาสมา capacitive coupling (CCP)

6. สรุปและมุมมอง

สถานะปัจจุบันของเทคโนโลยี epitaxy อุณหภูมิต่ำ

ผ่านการวิจัยและวิเคราะห์วรรณกรรมสถานะปัจจุบันของเทคโนโลยี epitaxy ที่อุณหภูมิต่ำได้รับการอธิบายรวมถึงลักษณะทางเทคนิคโครงสร้างอุปกรณ์สภาพการทำงานและผลการทดลอง เทคโนโลยีเหล่านี้ให้พลังงานผ่านการเชื่อมต่อสนามภายนอกลดอุณหภูมิการเจริญเติบโตอย่างมีประสิทธิภาพปรับให้เข้ากับลักษณะของพื้นผิวอสัณฐานและให้ความเป็นไปได้ในการเตรียมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ราคาประหยัดและยืดหยุ่น (Opto)

ทิศทางการวิจัยในอนาคต

เทคโนโลยี epitaxy อุณหภูมิต่ำมีโอกาสในการใช้งานที่กว้างขวาง แต่ก็ยังอยู่ในขั้นตอนการสำรวจ มันต้องการการวิจัยเชิงลึกจากทั้งอุปกรณ์และกระบวนการเพื่อแก้ปัญหาในการใช้งานทางวิศวกรรม ตัวอย่างเช่นมีความจำเป็นที่จะต้องศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการรับพลาสม่าความหนาแน่นที่สูงขึ้นในขณะที่พิจารณาปัญหาการกรองไอออนในพลาสมา วิธีการออกแบบโครงสร้างของอุปกรณ์การทำให้เป็นเนื้อเดียวกันก๊าซเพื่อยับยั้งปฏิกิริยาก่อนเกิดปฏิกิริยาที่อุณหภูมิต่ำ วิธีการออกแบบเครื่องทำความร้อนของอุปกรณ์ epitaxial ที่อุณหภูมิต่ำเพื่อหลีกเลี่ยงการประกายไฟหรือสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีผลต่อพลาสมาที่ความดันโพรงเฉพาะ

ผลงานที่คาดหวัง

คาดว่าฟิลด์นี้จะกลายเป็นทิศทางการพัฒนาที่มีศักยภาพและมีส่วนร่วมที่สำคัญในการพัฒนาอุปกรณ์ออพโตอิเล็กทรอนิกส์รุ่นต่อไป ด้วยความสนใจอย่างกระตือรือร้นและการส่งเสริมนักวิจัยอย่างจริงจังสาขานี้จะเติบโตไปสู่ทิศทางการพัฒนาที่มีศักยภาพในอนาคตและมีส่วนร่วมที่สำคัญในการพัฒนาอุปกรณ์รุ่นต่อไป (optoelectronic)