تقنية الفوقية ذات درجة الحرارة المنخفضة القائمة على GaN

1. أهمية المواد المعتمدة على GaN

تُستخدم مواد أشباه الموصلات القائمة على GaN على نطاق واسع في تحضير الأجهزة الإلكترونية الضوئية وأجهزة الطاقة الإلكترونية وأجهزة الميكروويف ذات التردد الراديوي نظرًا لخصائصها الممتازة مثل خصائص فجوة النطاق الواسعة وقوة مجال الانهيار العالية والتوصيل الحراري العالي. وقد تم استخدام هذه الأجهزة على نطاق واسع في صناعات مثل إضاءة أشباه الموصلات، ومصادر الضوء فوق البنفسجية ذات الحالة الصلبة، والطاقة الشمسية الكهروضوئية، وشاشات الليزر، وشاشات العرض المرنة، والاتصالات المتنقلة، وإمدادات الطاقة، ومركبات الطاقة الجديدة، والشبكات الذكية، وما إلى ذلك، والتكنولوجيا و السوق أصبحت أكثر نضجا.

حدود التكنولوجيا التقليدية الفوقية

تقنيات النمو الفوقي التقليدية للمواد المعتمدة على GaN مثلموكفدوإم بي إيتتطلب عادةً ظروف درجات حرارة عالية، والتي لا تنطبق على الركائز غير المتبلورة مثل الزجاج والبلاستيك لأن هذه المواد لا يمكنها تحمل درجات حرارة النمو المرتفعة. على سبيل المثال، الزجاج المصقول شائع الاستخدام سوف يصبح لينًا في ظل ظروف تتجاوز 600 درجة مئوية. الطلب على درجات الحرارة المنخفضةتقنية الفوقية: مع تزايد الطلب على الأجهزة الإلكترونية البصرية (الإلكترونية) المرنة ومنخفضة التكلفة، هناك طلب على المعدات الفوقي التي تستخدم طاقة المجال الكهربائي الخارجي لتكسير سلائف التفاعل عند درجات حرارة منخفضة. ويمكن تنفيذ هذه التكنولوجيا في درجات حرارة منخفضة، والتكيف مع خصائص الركائز غير المتبلورة، وتوفير إمكانية إعداد أجهزة (إلكترونية ضوئية) منخفضة التكلفة ومرنة.

2. التركيب البلوري للمواد المعتمدة على GaN

نوع الهيكل البلوري

تشتمل المواد المعتمدة على GaN بشكل أساسي على GaN وInN وAlN ومحاليلها الصلبة الثلاثية والرباعية، مع ثلاثة هياكل بلورية من wurtzite وsphalerite والملح الصخري، ومن بينها بنية wurtzite هي الأكثر استقرارًا. إن بنية السفاليريت هي مرحلة شبه مستقرة، والتي يمكن تحويلها إلى بنية الورتزيت عند درجة حرارة عالية، ويمكن أن توجد في بنية الورتزيت في شكل أخطاء متراصة عند درجات حرارة منخفضة. هيكل الملح الصخري هو مرحلة الضغط العالي من GaN ويمكن أن يظهر فقط في ظل ظروف الضغط العالي للغاية.

توصيف الطائرات البلورية وجودة الكريستال

تشمل المستويات البلورية الشائعة المستوى c القطبي، والمستوى s شبه القطبي، والمستوى r، والمستوى n، والمستوى غير القطبي a والمستوى m. عادةً ما تكون الأغشية الرقيقة المستندة إلى GaN والتي تم الحصول عليها عن طريق التنضيد على ركائز الياقوت والسيليكون عبارة عن اتجاهات بلورية على شكل c.

3. متطلبات تقنية Epitaxy وحلول التنفيذ

ضرورة التغير التكنولوجي

مع تطور المعلوماتية والذكاء، أصبح الطلب على الأجهزة الإلكترونية البصرية والأجهزة الإلكترونية منخفض التكلفة ومرنًا. من أجل تلبية هذه الاحتياجات، من الضروري تغيير التكنولوجيا الفوقي الحالية للمواد القائمة على GaN، وخاصة لتطوير التكنولوجيا الفوقي التي يمكن تنفيذها في درجات حرارة منخفضة للتكيف مع خصائص الركائز غير المتبلورة.

تطوير تكنولوجيا الفوقي لدرجات الحرارة المنخفضة

التكنولوجيا الفوقي لدرجات الحرارة المنخفضة على أساس مبادئترسيب البخار الفيزيائي (PVD)وترسيب البخار الكيميائي (الأمراض القلبية الوعائية)، بما في ذلك الرش المغنطروني التفاعلي، MBE بمساعدة البلازما (PA-MBE)، ترسيب الليزر النبضي (PLD)، ترسيب الاخرق النبضي (PSD)، MBE بمساعدة الليزر (LMBE)، الأمراض القلبية الوعائية البلازما عن بعد (RPCVD)، تعزيز الهجرة الشفق CVD ( MEA-CVD) ، MOCVD المعزز بالبلازما عن بعد (RPEMOCVD) ، MOCVD المعزز للنشاط (REMOCVD) ، بلازما الرنين السيكلوتروني المعزز MOCVD (ECR-PEMOCVD) والبلازما المقترنة حثيًا MOCVD (ICP-MOCVD) ، إلخ.

4. تكنولوجيا النضوج ذات درجة الحرارة المنخفضة على أساس مبدأ PVD

أنواع التكنولوجيا

بما في ذلك رش المغنطرون التفاعلي، وMBE بمساعدة البلازما (PA-MBE)، وترسيب الليزر النبضي (PLD)، وترسيب الرش النبضي (PSD)، وMBE بمساعدة الليزر (LMBE).

الميزات التقنية

توفر هذه التقنيات الطاقة عن طريق استخدام اقتران المجال الخارجي لتأيين مصدر التفاعل عند درجة حرارة منخفضة، وبالتالي تقليل درجة حرارة التشقق وتحقيق نمو فوقي منخفض الحرارة للمواد المعتمدة على GaN. على سبيل المثال، تقدم تقنية الرش المغنطروني التفاعلي مجالًا مغناطيسيًا أثناء عملية الرش لزيادة الطاقة الحركية للإلكترونات وزيادة احتمال الاصطدام مع N2 وAr لتعزيز الرش المستهدف. وفي الوقت نفسه، يمكنه أيضًا حصر البلازما عالية الكثافة فوق الهدف وتقليل قصف الأيونات على الركيزة.

التحديات

على الرغم من أن تطور هذه التقنيات جعل من الممكن إعداد أجهزة إلكترونية بصرية مرنة ومنخفضة التكلفة، إلا أنها تواجه أيضًا تحديات من حيث جودة النمو وتعقيد المعدات والتكلفة. على سبيل المثال، تتطلب تقنية PVD عادةً درجة فراغ عالية، والتي يمكنها قمع التفاعل المسبق بشكل فعال وإدخال بعض معدات المراقبة في الموقع التي يجب أن تعمل تحت فراغ عالٍ (مثل RHEED، ومسبار Langmuir، وما إلى ذلك)، ولكنها تزيد من الصعوبة من الترسيب الموحد لمساحة كبيرة، وتكلفة التشغيل والصيانة للفراغ العالي مرتفعة.

5. تكنولوجيا الفوقي ذات درجة الحرارة المنخفضة على أساس مبدأ الأمراض القلبية الوعائية

أنواع التكنولوجيا

بما في ذلك الأمراض القلبية الوعائية للبلازما عن بعد (RPCVD)، والأمراض القلبية الوعائية المعززة للهجرة بعد التوهج (MEA-CVD)، وMOCVD المعزز بالبلازما عن بعد (RPEMOCVD)، وMOCVD المعزز للنشاط (REMOCVD)، وبلازما رنين السيكلوترون الإلكتروني المحسنة MOCVD (ECR-PEMOCVD) والبلازما المقترنة حثيًا MOCVD ( برنامج المقارنات الدولية-MOCVD).

المزايا التقنية

تحقق هذه التقنيات نمو مواد أشباه الموصلات من نيتريد III، مثل GaN وInN في درجات حرارة منخفضة باستخدام مصادر بلازما وآليات تفاعل مختلفة، مما يفضي إلى ترسيب موحد على مساحة كبيرة وخفض التكلفة. على سبيل المثال، تستخدم تقنية CVD للبلازما عن بعد (RPCVD) مصدر ECR كمولد بلازما، وهو مولد بلازما منخفض الضغط يمكنه توليد بلازما عالية الكثافة. في الوقت نفسه، من خلال تقنية التحليل الطيفي للبلازما (OES)، فإن الطيف 391 نانومتر المرتبط بـ N2+ يكاد يكون غير قابل للاكتشاف فوق الركيزة، مما يقلل من قصف سطح العينة بواسطة الأيونات عالية الطاقة.

تحسين جودة الكريستال

تم تحسين الجودة البلورية للطبقة الفوقي من خلال التصفية الفعالة للجزيئات المشحونة عالية الطاقة. على سبيل المثال، تستخدم تقنية MEA-CVD مصدر HCP ليحل محل مصدر بلازما ECR لـ RPCVD، مما يجعلها أكثر ملاءمة لتوليد بلازما عالية الكثافة. تتمثل ميزة مصدر HCP في عدم وجود تلوث للأكسجين ناتج عن نافذة الكوارتز العازلة، وله كثافة بلازما أعلى من مصدر بلازما اقتران السعة (CCP).

6. الملخص والتوقعات

الوضع الحالي لتكنولوجيا النضوج ذات درجة الحرارة المنخفضة

من خلال البحث والتحليل الأدبي، تم تحديد الوضع الحالي لتكنولوجيا الفوقية ذات درجات الحرارة المنخفضة، بما في ذلك الخصائص التقنية وهيكل المعدات وظروف العمل والنتائج التجريبية. توفر هذه التقنيات الطاقة من خلال اقتران المجال الخارجي، وتقلل بشكل فعال من درجة حرارة النمو، وتتكيف مع خصائص الركائز غير المتبلورة، وتوفر إمكانية إعداد أجهزة إلكترونية مرنة ومنخفضة التكلفة (بصريات).

اتجاهات البحث المستقبلية

تتمتع تقنية الفوقية ذات درجات الحرارة المنخفضة بآفاق تطبيق واسعة، لكنها لا تزال في المرحلة الاستكشافية. يتطلب الأمر بحثًا متعمقًا من جوانب المعدات والعمليات لحل المشكلات في التطبيقات الهندسية. على سبيل المثال، من الضروري مواصلة دراسة كيفية الحصول على بلازما ذات كثافة أعلى مع النظر في مشكلة ترشيح الأيونات في البلازما؛ كيفية تصميم هيكل جهاز تجانس الغاز لقمع التفاعل المسبق بشكل فعال في التجويف عند درجات حرارة منخفضة؛ كيفية تصميم سخان المعدات الفوقي ذات درجة الحرارة المنخفضة لتجنب إثارة أو المجالات الكهرومغناطيسية التي تؤثر على البلازما عند ضغط تجويف محدد.

المساهمة المتوقعة

ومن المتوقع أن يصبح هذا المجال اتجاهًا محتملاً للتنمية ويقدم مساهمات مهمة في تطوير الجيل القادم من الأجهزة الإلكترونية الضوئية. ومع الاهتمام الشديد والترويج القوي للباحثين، سوف ينمو هذا المجال ليصبح اتجاهًا تطويريًا محتملاً في المستقبل وسيقدم مساهمات مهمة في تطوير الجيل القادم من الأجهزة (الإلكترونية الضوئية).