Technologie d'épitaxie à basse température basée sur GaN

1. L'importance des matériaux à base de GaN

Les matériaux semi-conducteurs à base de GaN sont largement utilisés dans la préparation de dispositifs optoélectroniques, de dispositifs électroniques de puissance et de dispositifs micro-ondes radiofréquence en raison de leurs excellentes propriétés telles que des caractéristiques de large bande interdite, une intensité de champ de claquage élevée et une conductivité thermique élevée. Ces dispositifs ont été largement utilisés dans des industries telles que l'éclairage à semi-conducteurs, les sources de lumière ultraviolette à semi-conducteurs, l'énergie solaire photovoltaïque, l'affichage laser, les écrans d'affichage flexibles, les communications mobiles, les alimentations électriques, les véhicules à énergie nouvelle, les réseaux intelligents, etc., et la technologie et le marché devient plus mature.

Limites de la technologie d'épitaxie traditionnelle

Technologies traditionnelles de croissance épitaxiale pour les matériaux à base de GaN tels queMOMCVetMBEnécessitent généralement des conditions de température élevées, qui ne sont pas applicables aux substrats amorphes tels que le verre et les plastiques car ces matériaux ne peuvent pas résister à des températures de croissance plus élevées. Par exemple, le verre flotté couramment utilisé se ramollira dans des conditions supérieures à 600°C. Demande de basse températuretechnologie d'épitaxie: Avec la demande croissante de dispositifs optoélectroniques (électroniques) flexibles et peu coûteux, il existe une demande d'équipements épitaxiaux qui utilisent l'énergie d'un champ électrique externe pour craquer les précurseurs de réaction à basse température. Cette technologie peut être réalisée à basse température, s'adaptant aux caractéristiques des substrats amorphes et offrant la possibilité de préparer des dispositifs (optoélectroniques) flexibles et peu coûteux.

2. Structure cristalline des matériaux à base de GaN

Type de structure cristalline

Les matériaux à base de GaN comprennent principalement GaN, InN, AlN et leurs solutions solides ternaires et quaternaires, avec trois structures cristallines de wurtzite, de sphalérite et de sel gemme, parmi lesquelles la structure wurtzite est la plus stable. La structure sphalérite est une phase métastable, qui peut être transformée en structure wurtzite à haute température, et peut exister dans la structure wurtzite sous la forme de défauts d'empilement à des températures plus basses. La structure du sel gemme est la phase haute pression du GaN et ne peut apparaître que dans des conditions de pression extrêmement élevée.

Caractérisation des plans cristallins et de la qualité des cristaux

Les plans cristallins courants comprennent le plan c polaire, le plan s semi-polaire, le plan r, le plan n et le plan a et m non polaires. Habituellement, les films minces à base de GaN obtenus par épitaxie sur des substrats saphir et Si sont des orientations cristallines dans le plan c.

3. Exigences technologiques en matière d'épitaxie et solutions de mise en œuvre

Nécessité du changement technologique

Avec le développement de l'informatisation et de l'intelligence, la demande de dispositifs optoélectroniques et d'appareils électroniques tend à être peu coûteuse et flexible. Afin de répondre à ces besoins, il est nécessaire de faire évoluer la technologie d'épitaxie existante des matériaux à base de GaN, notamment pour développer une technologie d'épitaxie réalisable à basse température pour s'adapter aux caractéristiques des substrats amorphes.

Développement de la technologie épitaxiale à basse température

Technologie épitaxiale à basse température basée sur les principes dedépôt physique en phase vapeur (PVD)etdépôt chimique en phase vapeur (MCV), y compris la pulvérisation magnétron réactive, le MBE assisté par plasma (PA-MBE), le dépôt laser pulsé (PLD), le dépôt par pulvérisation pulsée (PSD), le MBE assisté par laser (LMBE), le CVD plasma à distance (RPCVD), le CVD à rémanence améliorée par migration ( MEA-CVD), MOCVD amélioré par plasma à distance (RPEMOCVD), MOCVD amélioré par activité (REMOCVD), MOCVD amélioré par plasma à résonance cyclotron électronique (ECR-PEMOCVD) et MOCVD par plasma à couplage inductif (ICP-MOCVD), etc.

4. Technologie d'épitaxie à basse température basée sur le principe PVD

Types de technologies

Y compris la pulvérisation magnétron réactive, le MBE assisté par plasma (PA-MBE), le dépôt laser pulsé (PLD), le dépôt par pulvérisation pulsée (PSD) et le MBE assisté par laser (LMBE).

Caractéristiques techniques

Ces technologies fournissent de l'énergie en utilisant un couplage de champ externe pour ioniser la source de réaction à basse température, réduisant ainsi sa température de craquage et permettant une croissance épitaxiale à basse température de matériaux à base de GaN. Par exemple, la technologie de pulvérisation magnétron réactive introduit un champ magnétique pendant le processus de pulvérisation pour augmenter l'énergie cinétique des électrons et augmenter la probabilité de collision avec N2 et Ar afin d'améliorer la pulvérisation cible. Dans le même temps, il peut également confiner le plasma haute densité au-dessus de la cible et réduire le bombardement d'ions sur le substrat.

Défis

Bien que le développement de ces technologies ait permis de préparer des dispositifs optoélectroniques flexibles et peu coûteux, elles sont également confrontées à des défis en termes de qualité de croissance, de complexité des équipements et de coût. Par exemple, la technologie PVD nécessite généralement un degré de vide poussé, ce qui peut supprimer efficacement la pré-réaction et introduire certains équipements de surveillance in situ qui doivent fonctionner sous vide poussé (tels que RHEED, sonde Langmuir, etc.), mais cela augmente la difficulté. de dépôt uniforme sur une grande surface, et le coût d'exploitation et de maintenance du vide poussé est élevé.

5. Technologie épitaxiale à basse température basée sur le principe MCV

Types de technologies

Y compris le CVD à plasma à distance (RPCVD), le CVD à rémanence améliorée par migration (MEA-CVD), le MOCVD à plasma à distance amélioré (RPEMOCVD), le MOCVD à activité améliorée (REMOCVD), le MOCVD à plasma à résonance cyclotron électronique amélioré (ECR-PEMOCVD) et le MOCVD à plasma à couplage inductif ( ICP-MOCVD).

Avantages techniques

Ces technologies permettent la croissance de matériaux semi-conducteurs au nitrure III tels que GaN et InN à des températures plus basses en utilisant différentes sources de plasma et mécanismes de réaction, ce qui favorise un dépôt uniforme sur de grandes surfaces et une réduction des coûts. Par exemple, la technologie CVD à plasma à distance (RPCVD) utilise une source ECR comme générateur de plasma, qui est un générateur de plasma basse pression capable de générer du plasma haute densité. Dans le même temps, grâce à la technologie de spectroscopie de luminescence par plasma (OES), le spectre de 391 nm associé au N2+ est presque indétectable au-dessus du substrat, réduisant ainsi le bombardement de la surface de l'échantillon par des ions à haute énergie.

Améliorer la qualité des cristaux

La qualité cristalline de la couche épitaxiale est améliorée grâce au filtrage efficace des particules chargées à haute énergie. Par exemple, la technologie MEA-CVD utilise une source HCP pour remplacer la source de plasma ECR du RPCVD, la rendant ainsi plus adaptée à la génération de plasma haute densité. L'avantage de la source HCP est qu'il n'y a pas de contamination par l'oxygène causée par la fenêtre diélectrique en quartz et qu'elle a une densité de plasma plus élevée que la source de plasma à couplage capacitif (CCP).

6. Résumé et perspectives

L'état actuel de la technologie d'épitaxie à basse température

Grâce à la recherche et à l'analyse de la littérature, l'état actuel de la technologie d'épitaxie à basse température est décrit, y compris les caractéristiques techniques, la structure de l'équipement, les conditions de travail et les résultats expérimentaux. Ces technologies fournissent de l'énergie via un couplage de champ externe, réduisent efficacement la température de croissance, s'adaptent aux caractéristiques des substrats amorphes et offrent la possibilité de préparer des dispositifs (opto)électroniques flexibles et peu coûteux.

Orientations futures de la recherche

La technologie de l’épitaxie à basse température a de larges perspectives d’application, mais elle en est encore au stade exploratoire. Cela nécessite des recherches approfondies tant du point de vue de l’équipement que du processus pour résoudre les problèmes liés aux applications d’ingénierie. Par exemple, il est nécessaire d’étudier plus en détail comment obtenir un plasma de plus haute densité tout en considérant le problème du filtrage des ions dans le plasma ; comment concevoir la structure du dispositif d'homogénéisation des gaz pour supprimer efficacement la pré-réaction dans la cavité à basse température ; comment concevoir le chauffage de l'équipement épitaxial à basse température pour éviter les étincelles ou les champs électromagnétiques affectant le plasma à une pression de cavité spécifique.

Contribution attendue

On s'attend à ce que ce domaine devienne une direction de développement potentielle et apporte d'importantes contributions au développement de la prochaine génération de dispositifs optoélectroniques. Grâce à la vive attention et à la promotion vigoureuse des chercheurs, ce domaine deviendra une direction de développement potentielle à l'avenir et apportera d'importantes contributions au développement de la prochaine génération de dispositifs (optoélectroniques).