เทคโนโลยี epitaxy อุณหภูมิต่ำที่ใช้ GaN

1. ความสำคัญของวัสดุที่ใช้ GaN

วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ GaN ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการเตรียมอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง และอุปกรณ์ไมโครเวฟความถี่วิทยุ เนื่องจากมีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยม เช่น คุณลักษณะแถบความถี่ที่กว้าง ความแรงของสนามไฟฟ้าที่พังทลายสูง และค่าการนำความร้อนสูง อุปกรณ์เหล่านี้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น ไฟส่องสว่างแบบเซมิคอนดักเตอร์ แหล่งกำเนิดแสงอัลตราไวโอเลตโซลิดสเตท เซลล์แสงอาทิตย์ จอภาพเลเซอร์ หน้าจอแสดงผลแบบยืดหยุ่น การสื่อสารเคลื่อนที่ อุปกรณ์จ่ายไฟ ยานพาหนะพลังงานใหม่ กริดอัจฉริยะ ฯลฯ และเทคโนโลยีและ ตลาดมีความเป็นผู้ใหญ่มากขึ้น

ข้อจำกัดของเทคโนโลยี epitaxy แบบดั้งเดิม

เทคโนโลยีการเจริญเติบโตแบบอีพิเทกเซียลแบบดั้งเดิมสำหรับวัสดุที่ใช้ GaN เช่นกระทรวงสาธารณสุขและเอ็มบีอีมักจะต้องใช้สภาวะที่มีอุณหภูมิสูง ซึ่งไม่สามารถใช้ได้กับพื้นผิวที่ไม่มีรูปร่าง เช่น แก้วและพลาสติก เนื่องจากวัสดุเหล่านี้ไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิการเจริญเติบโตที่สูงขึ้นได้ ตัวอย่างเช่น กระจกโฟลตที่ใช้กันทั่วไปจะนิ่มลงภายใต้สภาวะที่เกิน 600°C ความต้องการอุณหภูมิต่ำเทคโนโลยี epitaxy: ด้วยความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ (อิเล็กทรอนิกส์) ที่มีต้นทุนต่ำและมีความยืดหยุ่น จึงมีความต้องการอุปกรณ์เอพิเทเชียลที่ใช้พลังงานสนามไฟฟ้าภายนอกเพื่อแตกสารตั้งต้นของปฏิกิริยาที่อุณหภูมิต่ำ เทคโนโลยีนี้สามารถดำเนินการที่อุณหภูมิต่ำ ปรับให้เข้ากับลักษณะของพื้นผิวอสัณฐาน และให้ความเป็นไปได้ในการเตรียมอุปกรณ์ (ออปโตอิเล็กทรอนิกส์) ที่มีต้นทุนต่ำและยืดหยุ่น

2. โครงสร้างผลึกของวัสดุที่ใช้ GaN

ประเภทโครงสร้างคริสตัล

วัสดุที่ใช้ GaN ส่วนใหญ่ประกอบด้วย GaN, InN, AlN และสารละลายของแข็งแบบไตรภาคและควอเทอร์นารี โดยมีโครงสร้างผลึกสามแบบ ได้แก่ เวิร์ตไซต์ สฟาเลอไรต์ และเกลือสินเธาว์ ซึ่งในจำนวนนี้โครงสร้างของเวิร์ตไซต์มีความเสถียรมากที่สุด โครงสร้างสฟาเลอไรต์เป็นเฟสที่สามารถแพร่กระจายได้ ซึ่งสามารถเปลี่ยนเป็นโครงสร้างเวิร์ตไซต์ได้ที่อุณหภูมิสูง และสามารถมีอยู่ในโครงสร้างเวิร์ตไซต์ในรูปแบบของรอยเลื่อนแบบซ้อนได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า โครงสร้างเกลือสินเธาว์เป็นเฟสแรงดันสูงของ GaN และสามารถปรากฏได้ภายใต้สภาวะความกดดันที่สูงมากเท่านั้น

การศึกษาคุณลักษณะของระนาบคริสตัลและคุณภาพของคริสตัล

ระนาบคริสตัลทั่วไป ได้แก่ ระนาบ c ขั้ว, ระนาบ s กึ่งขั้ว, ระนาบ r, ระนาบ n และระนาบ a และระนาบ m ที่ไม่มีขั้ว โดยปกติแล้วฟิล์มบางที่ใช้ GaN ที่ได้จาก epitaxy บนพื้นผิวแซฟไฟร์และ Si จะเป็นการวางแนวคริสตัลระนาบ c

3. ข้อกำหนดด้านเทคโนโลยี Epitaxy และโซลูชั่นการใช้งาน

ความจำเป็นของการเปลี่ยนแปลงทางเทคโนโลยี

ด้วยการพัฒนาด้านข้อมูลข่าวสารและความฉลาด ความต้องการอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มีแนวโน้มที่จะมีต้นทุนต่ำและมีความยืดหยุ่น เพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านี้ จำเป็นต้องเปลี่ยนเทคโนโลยี epitaxis ที่มีอยู่ของวัสดุที่ใช้ GaN โดยเฉพาะอย่างยิ่งเพื่อพัฒนาเทคโนโลยี epitaxis ที่สามารถดำเนินการได้ที่อุณหภูมิต่ำเพื่อปรับให้เข้ากับลักษณะของพื้นผิวอสัณฐาน

การพัฒนาเทคโนโลยีเอพิแทกเซียลที่อุณหภูมิต่ำ

เทคโนโลยี epitaxis ที่อุณหภูมิต่ำตามหลักการของการสะสมไอทางกายภาพ (พีวีดี)และการสะสมไอสารเคมี (ซีวีดี)รวมถึงการสปัตเตอร์แมกนีตรอนที่ทำปฏิกิริยา, MBE ที่ช่วยพลาสมา (PA-MBE), การสะสมของเลเซอร์แบบพัลซิ่ง (PLD), การสะสมของพัลส์สปัตเตอร์ (PSD), MBE ที่ใช้เลเซอร์ช่วย (LMBE), CVD พลาสมาระยะไกล (RPCVD), การโยกย้ายที่ปรับปรุง CVD แสงระเรื่อ ( MEA-CVD), MOCVD ที่ได้รับการปรับปรุงด้วยพลาสมาระยะไกล (RPEMOCVD), MOCVD ที่ได้รับการปรับปรุงฤทธิ์ (REMOCVD), MOCVD พลาสมาแบบเรโซแนนซ์ของอิเล็กตรอน ไซโคลตรอน (ECR-PEMOCVD) และ MOCVD พลาสมาที่ควบคู่แบบเหนี่ยวนำ (ICP-MOCVD) เป็นต้น

4. เทคโนโลยี epitaxy อุณหภูมิต่ำตามหลักการ พีวีดี

ประเภทเทคโนโลยี

รวมถึงการสปัตเตอร์แมกนีตรอนที่ทำปฏิกิริยา, MBE ที่ใช้พลาสมาช่วย (PA-MBE), การสะสมของพัลส์เลเซอร์ (PLD), การสะสมของสปัตเตอร์แบบพัลส์ (PSD) และ MBE ที่ใช้เลเซอร์ช่วย (LMBE)

คุณสมบัติทางเทคนิค

เทคโนโลยีเหล่านี้ให้พลังงานโดยใช้การเชื่อมต่อสนามภายนอกเพื่อทำให้แหล่งกำเนิดปฏิกิริยาแตกตัวเป็นไอออนที่อุณหภูมิต่ำ ซึ่งช่วยลดอุณหภูมิการแตกร้าวและทำให้เกิดการเติบโตของ epitaxx ที่อุณหภูมิต่ำของวัสดุที่ใช้ GaN ตัวอย่างเช่น เทคโนโลยีแมกนีตรอนสปัตเตอร์ริ่งปฏิกิริยาแนะนำสนามแม่เหล็กในระหว่างกระบวนการสปัตเตอร์เพื่อเพิ่มพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอน และเพิ่มความน่าจะเป็นที่จะชนกับ N2 และ Ar เพื่อปรับปรุงการสปัตเตอร์เป้าหมาย ในเวลาเดียวกัน ก็ยังสามารถจำกัดพลาสมาความหนาแน่นสูงให้อยู่เหนือเป้าหมาย และลดการกระหน่ำของไอออนบนซับสเตรตได้

ความท้าทาย

แม้ว่าการพัฒนาเทคโนโลยีเหล่านี้ทำให้สามารถเตรียมอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่มีต้นทุนต่ำและยืดหยุ่นได้ แต่ก็ยังเผชิญกับความท้าทายในแง่ของคุณภาพการเติบโต ความซับซ้อนของอุปกรณ์ และต้นทุน ตัวอย่างเช่น เทคโนโลยี PVD มักต้องใช้ระดับสุญญากาศสูง ซึ่งสามารถระงับปฏิกิริยาก่อนเกิดปฏิกิริยาได้อย่างมีประสิทธิภาพ และแนะนำอุปกรณ์ตรวจสอบในแหล่งกำเนิดบางอย่างที่ต้องทำงานภายใต้สุญญากาศสูง (เช่น RHEED, โพรบ Langmuir ฯลฯ) แต่จะเพิ่มความยากขึ้น ของการสะสมสม่ำเสมอในพื้นที่ขนาดใหญ่ และค่าใช้จ่ายในการดำเนินการและบำรุงรักษาของสุญญากาศสูงอยู่ในระดับสูง

5. เทคโนโลยี epitaxis ที่อุณหภูมิต่ำตามหลักการ ซีวีดี

ประเภทเทคโนโลยี

รวมถึง CVD พลาสมาระยะไกล (RPCVD), CVD แสงระเรื่อที่เพิ่มขึ้นของการอพยพ (MEA-CVD), MOCVD พลาสมาที่ได้รับการปรับปรุงระยะไกล (RPEMOCVD), MOCVD ที่ได้รับการปรับปรุงฤทธิ์ (REMOCVD), MOCVD พลาสมาเรโซแนนซ์ของอิเล็กตรอน ไซโคลตรอน (ECR-PEMOCVD) และ MOCVD พลาสมาที่ควบคู่แบบเหนี่ยวนำ ( ICP-MOCVD)

ข้อดีทางเทคนิค

เทคโนโลยีเหล่านี้ทำให้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ III-ไนไตรด์สามารถเติบโตได้ เช่น GaN และ InN ที่อุณหภูมิต่ำกว่า โดยใช้แหล่งกำเนิดพลาสมาและกลไกปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน ซึ่งเอื้อต่อการสะสมตัวในพื้นที่ขนาดใหญ่และการลดต้นทุน ตัวอย่างเช่น เทคโนโลยีพลาสมา CVD ระยะไกล (RPCVD) ใช้แหล่งกำเนิด ECR เป็นเครื่องกำเนิดพลาสมา ซึ่งเป็นเครื่องกำเนิดพลาสมาแรงดันต่ำที่สามารถสร้างพลาสมาความหนาแน่นสูงได้ ในเวลาเดียวกัน ด้วยเทคโนโลยีพลาสมาเรืองแสงสเปกโทรสโกปี (OES) สเปกตรัม 391 นาโนเมตรที่เกี่ยวข้องกับ N2+ แทบจะตรวจไม่พบเหนือสารตั้งต้น จึงช่วยลดการกระหน่ำที่พื้นผิวตัวอย่างด้วยไอออนพลังงานสูง

ปรับปรุงคุณภาพคริสตัล

คุณภาพผลึกของชั้นอีพิแทกเซียลได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นโดยการกรองอนุภาคที่มีประจุพลังงานสูงอย่างมีประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่น เทคโนโลยี MEA-CVD ใช้แหล่งกำเนิด HCP เพื่อแทนที่แหล่งพลาสมา ECR ของ RPCVD ทำให้เหมาะสำหรับการสร้างพลาสมาความหนาแน่นสูงมากขึ้น ข้อดีของแหล่งกำเนิด HCP คือไม่มีการปนเปื้อนของออกซิเจนที่เกิดจากหน้าต่างไดอิเล็กตริกของควอตซ์ และมีความหนาแน่นของพลาสมาสูงกว่าแหล่งกำเนิดพลาสม่าแบบคาปาซิทีฟคัปปลิ้ง (CCP)

6. สรุปและแนวโน้ม

สถานะปัจจุบันของเทคโนโลยี epitaxy อุณหภูมิต่ำ

ด้วยการวิจัยและวิเคราะห์วรรณกรรม สถานะปัจจุบันของเทคโนโลยี epitaxy อุณหภูมิต่ำได้รับการสรุป รวมถึงลักษณะทางเทคนิค โครงสร้างอุปกรณ์ สภาพการทำงาน และผลการทดลอง เทคโนโลยีเหล่านี้ให้พลังงานผ่านการคัปปลิ้งสนามภายนอก ลดอุณหภูมิการเจริญเติบโตได้อย่างมีประสิทธิภาพ ปรับให้เข้ากับลักษณะของซับสเตรตอสัณฐาน และให้ความเป็นไปได้ในการเตรียมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ (ออปโต) ที่มีต้นทุนต่ำและยืดหยุ่น

ทิศทางการวิจัยในอนาคต

เทคโนโลยี epitaxy ที่อุณหภูมิต่ำมีแนวโน้มการใช้งานในวงกว้าง แต่ยังอยู่ในขั้นตอนการสอบสวน จำเป็นต้องมีการวิจัยเชิงลึกทั้งในด้านอุปกรณ์และกระบวนการเพื่อแก้ไขปัญหาในการใช้งานทางวิศวกรรม ตัวอย่างเช่น มีความจำเป็นต้องศึกษาเพิ่มเติมถึงวิธีการได้รับพลาสมาที่มีความหนาแน่นสูงขึ้นพร้อมกับพิจารณาปัญหาการกรองไอออนในพลาสมา วิธีการออกแบบโครงสร้างของอุปกรณ์ทำให้แก๊สเป็นเนื้อเดียวกันเพื่อระงับปฏิกิริยาล่วงหน้าในคาวิตี้ที่อุณหภูมิต่ำอย่างมีประสิทธิภาพ วิธีการออกแบบเครื่องทำความร้อนของอุปกรณ์เอพิแทกเซียลอุณหภูมิต่ำเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดประกายไฟหรือสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ส่งผลต่อพลาสมาที่ความดันโพรงเฉพาะ

ผลงานที่คาดหวัง

คาดว่าสาขานี้จะกลายเป็นทิศทางการพัฒนาที่มีศักยภาพและมีส่วนสำคัญในการพัฒนาอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์รุ่นต่อไป ด้วยความสนใจอย่างกระตือรือร้นและการส่งเสริมอย่างแข็งขันของนักวิจัย สาขานี้จะเติบโตไปสู่ทิศทางการพัฒนาที่มีศักยภาพในอนาคต และมีส่วนสำคัญในการพัฒนาอุปกรณ์ (ออปโตอิเล็กทรอนิกส์) รุ่นต่อไป