Teknologi epitaksi suhu rendah berbasis GaN

1. Pentingnya material berbasis GaN

Bahan semikonduktor berbasis GaN banyak digunakan dalam pembuatan perangkat optoelektronik, perangkat elektronika daya, dan perangkat gelombang mikro frekuensi radio karena sifatnya yang sangat baik seperti karakteristik celah pita yang lebar, kekuatan medan tembus yang tinggi, dan konduktivitas termal yang tinggi. Perangkat ini telah banyak digunakan dalam industri seperti penerangan semikonduktor, sumber cahaya ultraviolet solid-state, fotovoltaik surya, tampilan laser, layar tampilan fleksibel, komunikasi seluler, pasokan listrik, kendaraan energi baru, jaringan pintar, dll., serta teknologi dan pasar menjadi lebih matang.

Keterbatasan teknologi epitaksi tradisional

Teknologi pertumbuhan epitaksi tradisional untuk material berbasis GaN sepertiMOCVDDanMBEbiasanya memerlukan kondisi suhu tinggi, yang tidak berlaku untuk substrat amorf seperti kaca dan plastik karena bahan ini tidak dapat menahan suhu pertumbuhan yang lebih tinggi. Misalnya, kaca apung yang biasa digunakan akan melunak pada kondisi melebihi 600°C. Permintaan suhu rendahteknologi epitaksi: Dengan meningkatnya permintaan akan perangkat optoelektronik (elektronik) yang berbiaya rendah dan fleksibel, terdapat permintaan akan peralatan epitaksi yang menggunakan energi medan listrik eksternal untuk memecahkan prekursor reaksi pada suhu rendah. Teknologi ini dapat dilakukan pada suhu rendah, beradaptasi dengan karakteristik substrat amorf, dan memberikan kemungkinan untuk menyiapkan perangkat (optoelektronik) yang berbiaya rendah dan fleksibel.

2. Struktur kristal bahan berbasis GaN

Jenis struktur kristal

Bahan berbasis GaN terutama mencakup GaN, InN, AlN dan larutan padat terner dan kuaternernya, dengan tiga struktur kristal wurtzit, sfalerit, dan garam batu, di antaranya struktur wurtzit adalah yang paling stabil. Struktur sfalerit merupakan fase metastabil, yang dapat berubah menjadi struktur wurtzit pada suhu tinggi, dan dapat berada dalam struktur wurtzit dalam bentuk sesar bertumpuk pada suhu lebih rendah. Struktur garam batu adalah fase GaN bertekanan tinggi dan hanya dapat muncul dalam kondisi tekanan sangat tinggi.

Karakterisasi bidang kristal dan kualitas kristal

Bidang kristal yang umum meliputi bidang c polar, bidang s semi-polar, bidang r, bidang n, dan bidang a dan m non-polar. Biasanya, film tipis berbasis GaN yang diperoleh melalui epitaksi pada substrat safir dan Si adalah orientasi kristal bidang-c.

3. Persyaratan teknologi epitaksi dan solusi implementasi

Perlunya perubahan teknologi

Dengan berkembangnya informatisasi dan kecerdasan, permintaan perangkat optoelektronik dan perangkat elektronik cenderung berbiaya rendah dan fleksibel. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut, perlu adanya perubahan pada teknologi epitaksi bahan berbasis GaN yang sudah ada, khususnya mengembangkan teknologi epitaksi yang dapat dilakukan pada suhu rendah untuk beradaptasi dengan karakteristik substrat amorf.

Pengembangan teknologi epitaksi suhu rendah

Teknologi epitaksi suhu rendah berdasarkan prinsipdeposisi uap fisik (PVD)Danpengendapan uap kimia (CVD), termasuk sputtering magnetron reaktif, MBE berbantuan plasma (PA-MBE), deposisi laser berdenyut (PLD), deposisi sputtering berdenyut (PSD), MBE berbantuan laser (LMBE), CVD plasma jarak jauh (RPCVD), CVD pijaran yang ditingkatkan migrasi ( MEA-CVD), MOCVD yang ditingkatkan plasma jarak jauh (RPEMOCVD), MOCVD yang ditingkatkan aktivitas (REMOCVD), MOCVD yang ditingkatkan plasma resonansi siklotron elektron (ECR-PEMOCVD) dan MOCVD plasma yang digabungkan secara induktif (ICP-MOCVD), dll.

4. Teknologi epitaksi suhu rendah berdasarkan prinsip PVD

Jenis teknologi

Termasuk sputtering magnetron reaktif, MBE berbantuan plasma (PA-MBE), deposisi laser berdenyut (PLD), deposisi sputtering berdenyut (PSD) dan MBE berbantuan laser (LMBE).

Fitur teknis

Teknologi ini menyediakan energi dengan menggunakan kopling medan eksternal untuk mengionisasi sumber reaksi pada suhu rendah, sehingga mengurangi suhu retaknya dan mencapai pertumbuhan epitaksi suhu rendah pada bahan berbasis GaN. Misalnya, teknologi sputtering magnetron reaktif memperkenalkan medan magnet selama proses sputtering untuk meningkatkan energi kinetik elektron dan meningkatkan kemungkinan tumbukan dengan N2 dan Ar untuk meningkatkan sputtering target. Pada saat yang sama, ia juga dapat membatasi plasma berdensitas tinggi di atas target dan mengurangi pemboman ion pada substrat.

Tantangan

Meskipun perkembangan teknologi ini memungkinkan pembuatan perangkat optoelektronik yang berbiaya rendah dan fleksibel, teknologi ini juga menghadapi tantangan dalam hal kualitas pertumbuhan, kompleksitas peralatan, dan biaya. Misalnya, teknologi PVD biasanya memerlukan tingkat vakum yang tinggi, yang secara efektif dapat menekan pra-reaksi dan memperkenalkan beberapa peralatan pemantauan in-situ yang harus bekerja di bawah vakum tinggi (seperti RHEED, probe Langmuir, dll.), namun hal ini meningkatkan kesulitan deposisi seragam di area yang luas, dan biaya pengoperasian dan pemeliharaan vakum tinggi tinggi.

5. Teknologi epitaksi suhu rendah berdasarkan prinsip CVD

Jenis teknologi

Termasuk CVD plasma jarak jauh (RPCVD), CVD pijaran yang ditingkatkan migrasi (MEA-CVD), MOCVD yang ditingkatkan plasma jarak jauh (RPEMOCVD), MOCVD yang ditingkatkan aktivitas (REMOCVD), MOCVD yang ditingkatkan plasma resonansi siklotron elektron (ECR-PEMOCVD) dan MOCVD plasma yang digabungkan secara induktif ( ICP-MOCVD).

Keuntungan teknis

Teknologi ini mencapai pertumbuhan bahan semikonduktor III-nitrida seperti GaN dan InN pada suhu yang lebih rendah dengan menggunakan sumber plasma dan mekanisme reaksi yang berbeda, yang kondusif untuk pengendapan seragam di area yang luas dan pengurangan biaya. Misalnya teknologi remote plasma CVD (RPCVD) yang menggunakan sumber ECR sebagai generator plasma, yaitu generator plasma bertekanan rendah yang dapat menghasilkan plasma dengan kepadatan tinggi. Pada saat yang sama, melalui teknologi spektroskopi pendaran plasma (OES), spektrum 391 nm yang terkait dengan N2+ hampir tidak terdeteksi di atas substrat, sehingga mengurangi pemboman permukaan sampel oleh ion berenergi tinggi.

Meningkatkan kualitas kristal

Kualitas kristal lapisan epitaksi ditingkatkan dengan menyaring partikel bermuatan energi tinggi secara efektif. Misalnya, teknologi MEA-CVD menggunakan sumber HCP untuk menggantikan sumber plasma ECR dari RPCVD, sehingga lebih cocok untuk menghasilkan plasma dengan kepadatan tinggi. Keuntungan dari sumber HCP adalah tidak ada kontaminasi oksigen yang disebabkan oleh jendela dielektrik kuarsa, dan memiliki kepadatan plasma yang lebih tinggi dibandingkan sumber plasma kopling kapasitif (CCP).

6. Ringkasan dan Outlook

Status teknologi epitaksi suhu rendah saat ini

Melalui penelitian dan analisis literatur, status terkini teknologi epitaksi suhu rendah diuraikan, termasuk karakteristik teknis, struktur peralatan, kondisi kerja, dan hasil eksperimen. Teknologi ini menyediakan energi melalui penggabungan medan eksternal, secara efektif mengurangi suhu pertumbuhan, beradaptasi dengan karakteristik substrat amorf, dan memberikan kemungkinan untuk menyiapkan perangkat elektronik (opto) yang berbiaya rendah dan fleksibel.

Arah penelitian di masa depan

Teknologi epitaksi suhu rendah memiliki prospek penerapan yang luas, namun masih dalam tahap eksplorasi. Diperlukan penelitian mendalam baik dari aspek peralatan maupun proses untuk memecahkan permasalahan dalam aplikasi teknik. Misalnya, perlu dipelajari lebih lanjut cara mendapatkan plasma dengan kepadatan lebih tinggi sambil mempertimbangkan masalah penyaringan ion dalam plasma; bagaimana merancang struktur alat homogenisasi gas untuk secara efektif menekan pra-reaksi di rongga pada suhu rendah; bagaimana merancang pemanas peralatan epitaksi suhu rendah untuk menghindari percikan atau medan elektromagnetik yang mempengaruhi plasma pada tekanan rongga tertentu.

Kontribusi yang diharapkan

Bidang ini diharapkan menjadi arah pengembangan yang potensial dan memberikan kontribusi penting bagi pengembangan perangkat optoelektronik generasi berikutnya. Dengan perhatian yang besar dan promosi yang gencar dari para peneliti, bidang ini akan tumbuh menjadi arah pengembangan potensial di masa depan dan memberikan kontribusi penting bagi pengembangan perangkat (optoelektronik) generasi berikutnya.