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GaN基低温外延技术

2024年07月19日 14:59 浏览：45 来源：小萍子

概述

GaN基材料的重要性

GaN基半导体材料因其宽禁带特性、高击穿场强、高热导率等优异性能，被广泛应用于光电子器件、电力电子器件及射频微波器件的制备。这些器件在半导体照明、固态紫外光源、太阳能光伏、激光显示、柔性显示屏、移动通信、电源、新能源汽车、智能电网等产业得到了广泛的应用，技术和市场都日趋成熟。

传统外延技术的局限性

传统GaN基材料的外延生长技术如MOCVD、MBE等通常需要高温条件，这对于非晶衬底如玻璃、塑料等是不适用的，因为这些材料不能耐受较高的生长温度。例如，常用的浮法玻璃在超过600°C的条件下就会软化。

低温外延技术的需求：随着对低成本和柔性化光（电）子器件的需求增加，催生了在低温下利用外电场能量裂解反应前驱体的外延设备的需求。这种技术能够在低温下进行，适应非晶衬底的特点，为制备低成本和柔性化的（光）电子器件提供了可能。

GaN基材料的晶体结构

晶体结构类型

GaN基材料主要包括GaN、InN、AlN及其三元和四元固溶体，具有纤锌矿、闪锌矿和岩盐三种晶体结构，其中纤锌矿结构最为稳定。闪锌矿结构是亚稳相，在高温下可以转变成纤锌矿结构，较低温度下能够以堆垛层错的形式存在于纤锌矿结构中。岩盐结构是GaN的高压相，只有在极端高压条件下才能出现。

晶面和晶体质量表征

常见的晶面包括极性的c面、半极性的s面、r面、n面，以及非极性的a面、m面。通常在蓝宝石和Si衬底上外延得到的GaN基薄膜是c面结晶取向。

外延技术需求及实现方案

技术变革的必要性

随着信息化和智能化的发展，对光电子器件和电子器件的需求趋向于低成本和柔性化。为了满足这些需求，需要对现有的GaN基材料外延技术进行变革，特别是开发能够在低温下进行的外延技术，以适应非晶衬底的特点。

低温外延技术的开发

基于物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）原理的低温外延技术，包括反应磁控溅射、等离子体辅助MBE（PA-MBE）、脉冲激光沉积（PLD）、脉冲溅射沉积（PSD）、激光辅助MBE（LMBE）、远程等离子体CVD（RPCVD）、迁移增强余晖CVD（MEA-CVD）、远程等离子体增强MOCVD（RPEMOCVD）、活性增强MOCVD（REMOCVD）、电子回旋共振等离子体增强MOCVD（ECR-PEMOCVD）和电感应耦合等离子体MOCVD（ICP-MOCVD）等。

基于PVD原理的低温外延技术

技术种类

包括反应磁控溅射、等离子体辅助MBE（PA-MBE）、脉冲激光沉积（PLD）、脉冲溅射沉积（PSD）及激光辅助MBE（LMBE）等。

技术特点

这些技术通过利用外场耦合的方式提供能量，使反应源在低温下离化，从而降低其裂解温度，实现GaN基材料的低温外延生长。例如，反应磁控溅射技术通过在溅射过程中引入磁场，增加电子动能，提高与N2和Ar的碰撞概率来增强靶材溅射，同时还能将高密度的等离子体限制在靶材上方，降低离子对衬底的轰击。

面临的挑战

虽然这些技术的发展为制备低成本、柔性化的光电子器件提供了可能，但同时也面临着生长质量、设备复杂性和成本等方面的挑战。例如，PVD技术通常需要较高的真空度，这样虽然可以有效抑制预反应，并引入一些必须在高真空下工作的原位监控设备（如RHEED、朗缪探针等），但是增加了大面积均匀沉积的难度，且高真空的运行维护成本较高。

基于CVD原理的低温外延技术

技术种类

包括远程等离子CVD（RPCVD）、迁移增强余晖CVD（MEA-CVD）、远程等离子体增强MOCVD（RPEMOCVD）、活性增强MOCVD（REMOCVD）、电子回旋共振等离子体增强MOCVD（ECR-PEMOCVD）和电感应耦合等离子体MOCVD（ICP-MOCVD）。

技术优势

这些技术通过使用不同的等离子体源和反应机制，实现了在较低温度下生长III族氮化物半导体材料，如GaN和InN，有利于实现大面积均匀沉积和降低成本。例如，远程等离子体CVD（RPCVD）技术通过使用ECR源作为等离子体发生装置，这是一种低气压等离子体发生装置，能够产生高密度的等离子体，同时通过等离子体发光光谱（OES）技术，在衬底上方几乎检测不到与N2+相关的391 nm光谱，从而减轻了高能离子对样品表面的轰击。

提高晶体质量

通过有效过滤高能带电粒子，提高了外延层的晶体质量。例如，MEA-CVD技术使用了HCP源替代了RPCVD的ECR等离子体源，使其更适合产生高密度的等离子体。HCP源的优点是没有石英介质窗带来的氧污染，相比于电容耦合（CCP）等离子体源有着更高的等离子体密度。

总结与展望

低温外延技术的发展现状

通过文献调研和分析，概述了低温外延技术的发展现状，包括技术特点、设备结构、工作条件和实验结果。这些技术通过外场耦合的方式提供能量，有效降低生长温度，适应非晶衬底的特点，为制备低成本和柔性化的（光）电子器件提供了可能。

未来研究方向

低温外延技术具有广阔应用前景，但仍处于探索阶段，需要从设备和工艺两方面深入研究，解决工程化应用中的问题。例如，需要进一步研究如何获得更高密度的等离子体，同时考虑等离子体中离子的过滤问题；如何设计匀气装置的结构，以有效抑制低温下腔内发生的预反应；如何设计低温外延设备的加热器，以避免在特定腔体压强下发生打火现象或电磁场对等离子体产生影响等。

预期贡献

预计该领域将成为一个有潜力的发展方向，为下一代光（电）子器件的开发做出重要贡献。随着研究者的热切关注和大力推动，该领域在未来将会成长为一个颇具潜力的发展方向，为下一代（光）电子器件的开发作出重要贡献。