GaNベースの低温エピタキシー技術

1. GaN系材料の重要性

GaNベースの半導体材料は、広いバンドギャップ特性、高い破壊電界強度、高い熱伝導率などの優れた特性により、光電子デバイス、パワーエレクトロニクスデバイス、高周波マイクロ波デバイスの製造に広く使用されています。これらのデバイスは、半導体照明、固体紫外光源、太陽光発電、レーザーディスプレイ、フレキシブルディスプレイスクリーン、モバイル通信、電源、新エネルギー車、スマートグリッドなどの業界で広く使用されており、その技術と市場はより成熟しつつあります。

従来のエピタキシー技術の限界

以下のような GaN ベース材料の従来のエピタキシャル成長技術MOCVDそしてMBE通常、高温条件が必要ですが、ガラスやプラスチックなどのアモルファス基板には適用できません。これらの材料はより高い成長温度に耐えられないためです。例えば、一般的に使用されているフロートガラスは600℃を超える条件下では軟化してしまいます。低温需要エピタキシー技術：低コストでフレキシブルな光電子（電子）デバイスの需要が高まるにつれ、外部電場エネルギーを使用して低温で反応前駆体を分解するエピタキシャル装置の需要が高まっています。この技術は低温で実行でき、アモルファス基板の特性に適応し、低コストでフレキシブルな（光電子）デバイスを製造する可能性をもたらします。

2. GaN系材料の結晶構造

結晶構造の種類

GaN系材料には主にGaN、InN、AlN、およびそれらの三元系および四元系固溶体が含まれ、ウルツ鉱、閃亜鉛鉱、岩塩の3つの結晶構造があり、その中でウルツ鉱構造が最も安定です。閃亜鉛鉱構造は準安定相であり、高温ではウルツ鉱構造に変態することができ、低温では積層欠陥の形でウルツ鉱構造中に存在することができます。岩塩構造は GaN の高圧相であり、極度の高圧条件下でのみ現れます。

結晶面と結晶品質の特性評価

一般的な結晶面には、極性の c 面、半極性の s 面、r 面、n 面、および非極性の a 面および m 面が含まれます。通常、サファイアやSi基板上にエピタキシャル成長させて得られるGaN系薄膜の結晶方位はc面です。

3. エピタキシー技術の要件と実装ソリューション

技術革新の必要性

情報化とインテリジェンスの発展に伴い、オプトエレクトロニクスデバイスと電子デバイスに対する需要は、低コストかつ柔軟になる傾向があります。これらのニーズに応えるためには、既存のGaN系材料のエピタキシャル技術を変革し、特にアモルファス基板の特性に合わせた低温でのエピタキシャル技術の開発が必要である。

低温エピタキシャル技術の開発

の原理に基づく低温エピタキシャル技術物理蒸着 (PVD)そして化学蒸着 (CVD)、反応性マグネトロン スパッタリング、プラズマ支援 MBE (PA-MBE)、パルス レーザー堆積 (PLD)、パルス スパッタリング堆積 (PSD)、レーザー支援 MBE (LMBE)、リモート プラズマ CVD (RPCVD)、マイグレーション強化残光 CVD を含む ( MEA-CVD）、リモートプラズマ増強MOCVD（RPEMOCVD）、活性増強MOCVD（REMOCVD）、電子サイクロトロン共鳴プラズマ増強MOCVD（ECR-PEMOCVD）、誘導結合プラズマMOCVD（ICP-MOCVD）など。

4. PVD原理に基づく低温エピタキシャル技術

テクノロジーの種類

反応性マグネトロン スパッタリング、プラズマ支援 MBE (PA-MBE)、パルス レーザー堆積 (PLD)、パルス スパッタリング堆積 (PSD)、およびレーザー支援 MBE (LMBE) が含まれます。

技術的特徴

これらの技術は、外部電界結合を利用して低温で反応源をイオン化することでエネルギーを供給し、それによってクラッキング温度を低下させ、GaN ベース材料の低温エピタキシャル成長を実現します。たとえば、反応性マグネトロン スパッタリング技術は、スパッタリング プロセス中に磁場を導入して電子の運動エネルギーを増加させ、N2 および Ar との衝突確率を高めてターゲットのスパッタリングを強化します。同時に、ターゲット上に高密度プラズマを閉じ込めて、基板へのイオンの衝突を軽減することもできます。

課題

これらの技術の発展により、低コストでフレキシブルな光電子デバイスの製造が可能になりましたが、成長の質、装置の複雑さ、コストの点で課題にも直面しています。たとえば、PVD 技術には通常、高い真空度が必要です。これにより、事前反応を効果的に抑制し、高真空下で動作する必要がある現場モニタリング装置 (RHEED、ラングミュア プローブなど) を導入できますが、難易度が高くなります。大面積均一な成膜が可能であり、高真空の維持管理コストが高くつきます。

5. CVD原理による低温エピタキシャル技術

テクノロジーの種類

リモート プラズマ CVD (RPCVD)、マイグレーション強化アフターグロー CVD (MEA-CVD)、リモート プラズマ強化 MOCVD (RPEMOCVD)、活性強化 MOCVD (REMOCVD)、電子サイクロトロン共鳴プラズマ強化 MOCVD (ECR-PEMOCVD)、誘導結合プラズマ MOCVD ( ICP-MOCVD）。

技術的な利点

これらの技術は、異なるプラズマ源と反応機構を使用することで、GaNやInNなどのIII族窒化物半導体材料の低温成長を実現し、大面積での均一な成膜とコスト削減に貢献します。例えば、リモート プラズマ CVD (RPCVD) 技術では、高密度プラズマを生成できる低圧プラズマ発生装置である ECR 源をプラズマ発生装置として使用します。同時に、プラズマ発光分光法 (OES) 技術により、N2+ に関連する 391 nm スペクトルは基板上ではほとんど検出されなくなり、高エネルギーイオンによるサンプル表面の衝撃が軽減されます。

結晶の品質を向上させる

高エネルギー荷電粒子を効果的にフィルタリングすることにより、エピタキシャル層の結晶品質が向上します。たとえば、MEA-CVD テクノロジーは、RPCVD の ECR プラズマ ソースの代わりに HCP ソースを使用するため、高密度プラズマの生成により適しています。 HCP ソースの利点は、石英誘電体窓によって引き起こされる酸素汚染がなく、容量結合 (CCP) プラズマ ソースよりもプラズマ密度が高いことです。

6. まとめと展望

低温エピタキシー技術の現状

文献調査と分析を通じて、技術的特徴、装置構造、作業条件、実験結果など、低温エピタキシー技術の現状を概説します。これらの技術は、外部場結合を通じてエネルギーを提供し、成長温度を効果的に下げ、アモルファス基板の特性に適応し、低コストでフレキシブルな（光）電子デバイスを製造する可能性を提供します。

今後の研究の方向性

低温エピタキシー技術には幅広い応用の可能性がありますが、まだ探索段階にあります。エンジニアリング用途の問題を解決するには、機器とプロセスの両方の側面からの徹底的な研究が必要です。例えば、プラズマ中のイオンフィルタリングの問題を考慮しながら、より高密度のプラズマを得る方法をさらに研究する必要がある。低温におけるキャビティ内の予反応を効果的に抑制するガス均質化装置の構造をどのように設計するか。特定のキャビティ圧力でプラズマに影響を与えるスパークや電磁場を回避するために、低温エピタキシャル装置のヒーターを設計する方法。

期待される貢献

この分野は潜在的な発展方向となり、次世代の光電子デバイスの開発に重要な貢献をすると期待されています。研究者の熱い注目と精力的な昇進により、この分野は将来の潜在的な発展方向に成長し、次世代（光電子）デバイスの開発に重要な貢献をするでしょう。