فناوری اپیتاکسی در دمای پایین مبتنی بر GaN

1. اهمیت مواد مبتنی بر GaN

مواد نیمه هادی مبتنی بر GaN به طور گسترده در تهیه دستگاه های الکترونیک نوری، دستگاه های الکترونیکی قدرت و دستگاه های مایکروویو فرکانس رادیویی به دلیل خواص عالی آنها مانند ویژگی های باند گپ گسترده، قدرت میدان شکست بالا و هدایت حرارتی بالا استفاده می شود. این دستگاه ها به طور گسترده در صنایعی مانند روشنایی نیمه هادی، منابع نور ماوراء بنفش حالت جامد، فتوولتائیک خورشیدی، نمایشگر لیزری، صفحه نمایش انعطاف پذیر، ارتباطات سیار، منابع تغذیه، وسایل نقلیه انرژی نو، شبکه های هوشمند و غیره و فناوری و بازار بالغ تر می شود.

محدودیت های تکنولوژی اپیتاکسی سنتی

فن آوری های رشد همپایه سنتی برای مواد مبتنی بر GaN مانندMOCVDوMBEمعمولاً به شرایط دمایی بالا نیاز دارند که برای بسترهای آمورف مانند شیشه و پلاستیک قابل استفاده نیستند زیرا این مواد نمی توانند دمای رشد بالاتر را تحمل کنند. به عنوان مثال، شیشه فلوت که معمولاً استفاده می شود، در شرایط بیش از 600 درجه سانتی گراد نرم می شود. تقاضا برای دمای پایینتکنولوژی اپیتاکسی: با افزایش تقاضا برای دستگاه های اپتوالکترونیکی (الکترونیکی) کم هزینه و انعطاف پذیر، تقاضا برای تجهیزات اپیتاکسیال وجود دارد که از انرژی میدان الکتریکی خارجی برای شکستن پیش سازهای واکنش در دماهای پایین استفاده می کنند. این فناوری را می توان در دماهای پایین با تطبیق با ویژگی های زیرلایه های آمورف انجام داد و امکان تهیه دستگاه های ارزان قیمت و انعطاف پذیر (اپتوالکترونیک) را فراهم کرد.

2. ساختار کریستالی مواد مبتنی بر GaN

نوع ساختار کریستالی

مواد مبتنی بر GaN عمدتاً شامل GaN، InN، AlN و محلول‌های جامد سه‌تایی و چهارتایی آن‌ها، با سه ساختار کریستالی ورتزیت، اسفالریت و سنگ نمک هستند که در میان آنها ساختار ورتزیت پایدارترین است. ساختار اسفالریت یک فاز ناپایدار است که می تواند در دمای بالا به ساختار ورتزیت تبدیل شود و می تواند در ساختار ورتزیت به صورت گسل های انباشته در دماهای پایین تر وجود داشته باشد. ساختار سنگ نمک فاز پرفشار GaN است و فقط در شرایط فشار بسیار بالا ظاهر می شود.

خصوصیات صفحات کریستالی و کیفیت کریستال

صفحات کریستالی متداول شامل صفحه c قطبی، صفحه s نیمه قطبی، صفحه r، صفحه n و صفحه a و m غیر قطبی است. معمولاً لایه‌های نازک مبتنی بر GaN که با اپیتاکسی روی لایه‌های یاقوت کبود و سی به‌دست می‌آیند، جهت‌های کریستالی صفحه c هستند.

3. الزامات تکنولوژی Epitaxy و راه حل های پیاده سازی

ضرورت تغییر تکنولوژیک

با توسعه اطلاعات و هوشمندی، تقاضا برای دستگاه‌های الکترونیک نوری و دستگاه‌های الکترونیکی کم‌هزینه و انعطاف‌پذیر است. به منظور برآوردن این نیازها، تغییر تکنولوژی همپایی موجود در مواد مبتنی بر GaN ضروری است، به ویژه برای توسعه فناوری همپایی که می‌تواند در دماهای پایین برای انطباق با ویژگی‌های زیرلایه‌های آمورف انجام شود.

توسعه فناوری اپیتاکسیال در دمای پایین

تکنولوژی اپیتاکسیال در دمای پایین بر اساس اصولرسوب فیزیکی بخار (PVD)ورسوب شیمیایی بخار (CVD)از جمله کندوپاش مگنترون راکتیو، MBE به کمک پلاسما (PA-MBE)، رسوب لیزر پالسی (PLD)، رسوب کندوپاش پالسی (PSD)، MBE با کمک لیزر (LMBE)، CVD پلاسما از راه دور (RPCVD)، مهاجرت افزایش یافته پس‌تابش CVD ( MEA-CVD)، MOCVD افزایش‌یافته پلاسما از راه دور (RPEMOCVD)، MOCVD افزایش‌یافته فعالیت (REMOCVD)، پلاسمای سیکلوترون رزونانس افزایش‌یافته MOCVD (ECR-PEMOCVD) و MOCVD پلاسما جفت‌شده القایی (ICP-MOCVD) و غیره.

4. تکنولوژی اپیتاکسی در دمای پایین بر اساس اصل PVD

انواع فناوری

از جمله کندوپاش مگنترون واکنشی، MBE با کمک پلاسما (PA-MBE)، رسوب لیزر پالسی (PLD)، رسوب کندوپاش پالسی (PSD) و MBE به کمک لیزر (LMBE).

ویژگی های فنی

این فناوری‌ها انرژی را با استفاده از جفت میدان خارجی برای یونیزه کردن منبع واکنش در دمای پایین فراهم می‌کنند و در نتیجه دمای ترک خوردگی آن را کاهش می‌دهند و به رشد همپایی در دمای پایین مواد مبتنی بر GaN دست می‌یابند. به عنوان مثال، فناوری کندوپاش مگنترون واکنشی یک میدان مغناطیسی را در طول فرآیند کندوپاش معرفی می کند تا انرژی جنبشی الکترون ها را افزایش دهد و احتمال برخورد با N2 و Ar را افزایش دهد تا کندوپاش هدف را افزایش دهد. در عین حال، می‌تواند پلاسمای با چگالی بالا را در بالای هدف محدود کرده و بمباران یون‌ها را بر روی بستر کاهش دهد.

چالش ها

اگرچه توسعه این فناوری ها امکان تهیه دستگاه های الکترونیک نوری کم هزینه و انعطاف پذیر را فراهم کرده است، اما از نظر کیفیت رشد، پیچیدگی تجهیزات و هزینه نیز با چالش هایی مواجه هستند. به عنوان مثال، فناوری PVD معمولاً به درجه خلاء بالایی نیاز دارد، که می تواند به طور مؤثری پیش واکنش را سرکوب کند و برخی تجهیزات نظارتی درجا را معرفی کند که باید تحت خلاء بالا کار کنند (مانند RHEED، کاوشگر لانگمویر و غیره)، اما دشواری را افزایش می دهد. از رسوب یکنواخت منطقه بزرگ، و هزینه عملیات و نگهداری خلاء بالا بالا است.

5. تکنولوژی اپیتاکسیال دمای پایین بر اساس اصل CVD

انواع فناوری

شامل CVD پلاسما از راه دور (RPCVD)، CVD پس‌درخشش افزایش‌یافته مهاجرت (MEA-CVD)، MOCVD افزایش‌یافته پلاسما از راه دور (RPEMOCVD)، MOCVD افزایش‌یافته فعالیت (REMOCVD)، رزونانس سیکلوترون الکترونی MOCVD افزایش‌یافته پلاسمایی (ECR-PEMOCVD inductively) ICP-MOCVD).

مزایای فنی

این فناوری‌ها رشد مواد نیمه‌رسانای III-نیترید مانند GaN و InN را در دماهای پایین‌تر با استفاده از منابع پلاسما و مکانیسم‌های واکنش مختلف به دست می‌آورند که منجر به رسوب یکنواخت در سطح وسیع و کاهش هزینه می‌شود. به عنوان مثال، فناوری CVD پلاسما از راه دور (RPCVD) از یک منبع ECR به عنوان ژنراتور پلاسما استفاده می کند، که یک ژنراتور پلاسما با فشار پایین است که می تواند پلاسمای با چگالی بالا تولید کند. در عین حال، از طریق فناوری طیف‌سنجی لومینسانس پلاسما (OES)، طیف 391 نانومتری مرتبط با N2+ تقریباً در بالای بستر غیرقابل تشخیص است و در نتیجه بمباران سطح نمونه توسط یون‌های پر انرژی را کاهش می‌دهد.

بهبود کیفیت کریستال

کیفیت کریستالی لایه اپیتاکسیال با فیلتر کردن موثر ذرات باردار با انرژی بالا بهبود می یابد. به عنوان مثال، فناوری MEA-CVD از یک منبع HCP برای جایگزینی منبع پلاسمایی ECR RPCVD استفاده می کند و آن را برای تولید پلاسمای با چگالی بالا مناسب تر می کند. مزیت منبع HCP این است که هیچ آلودگی اکسیژن ناشی از پنجره دی الکتریک کوارتز وجود ندارد و چگالی پلاسما بالاتری نسبت به منبع پلاسمای کوپلینگ خازنی (CCP) دارد.

6. خلاصه و چشم انداز

وضعیت فعلی فناوری اپیتاکسی در دمای پایین

از طریق تحقیق و تجزیه و تحلیل ادبیات، وضعیت فعلی فناوری اپیتاکسی در دمای پایین، از جمله ویژگی‌های فنی، ساختار تجهیزات، شرایط کاری و نتایج تجربی، مشخص می‌شود. این فناوری‌ها انرژی را از طریق کوپلینگ میدان خارجی تأمین می‌کنند، دمای رشد را به طور مؤثر کاهش می‌دهند، با ویژگی‌های بسترهای آمورف سازگار می‌شوند و امکان تهیه دستگاه‌های الکترونیکی کم‌هزینه و انعطاف‌پذیر (opto) را فراهم می‌کنند.

جهت گیری های تحقیقاتی آینده

فناوری اپیتاکسی در دمای پایین چشم انداز کاربرد گسترده ای دارد، اما هنوز در مرحله اکتشافی است. این نیاز به تحقیقات عمیق از هر دو جنبه تجهیزات و فرآیند برای حل مشکلات در کاربردهای مهندسی دارد. به عنوان مثال، بررسی بیشتر چگونگی به دست آوردن پلاسمای چگالی بالاتر با در نظر گرفتن مشکل فیلتر یونی در پلاسما ضروری است. نحوه طراحی ساختار دستگاه همگن سازی گاز برای سرکوب موثر پیش واکنش در حفره در دماهای پایین. نحوه طراحی بخاری تجهیزات اپیتاکسیال با دمای پایین برای جلوگیری از جرقه یا میدان های الکترومغناطیسی که بر پلاسما در یک فشار حفره خاص تأثیر می گذارد.

سهم مورد انتظار

انتظار می رود که این زمینه به یک جهت توسعه بالقوه تبدیل شود و کمک های مهمی به توسعه نسل بعدی دستگاه های الکترونیک نوری کند. با توجه شدید و ارتقاء شدید محققان، این زمینه به یک جهت توسعه بالقوه در آینده تبدیل خواهد شد و کمک های مهمی به توسعه نسل بعدی دستگاه های (اپتوالکترونیک) خواهد کرد.