الحبوب الدائمة المؤكسدة وتكنولوجيا النمو الفوقي-Ⅱ

2. نمو الأغشية الرقيقة الفوقي

توفر الركيزة طبقة دعم مادية أو طبقة موصلة لأجهزة الطاقة Ga2O3. الطبقة المهمة التالية هي طبقة القناة أو الطبقة الفوقية المستخدمة لمقاومة الجهد ونقل الموجة الحاملة. من أجل زيادة جهد الانهيار وتقليل مقاومة التوصيل، تعد السماكة التي يمكن التحكم فيها وتركيز المنشطات، بالإضافة إلى الجودة المثالية للمواد، من بعض المتطلبات الأساسية. عادةً ما يتم ترسيب الطبقات الفوقية Ga2O3 عالية الجودة باستخدام تنضيد الشعاع الجزيئي (MBE)، وترسيب البخار الكيميائي العضوي المعدني (MOCVD)، وترسيب بخار الهاليد (HVPE)، وترسيب الليزر النبضي (PLD)، وتقنيات الترسيب المعتمدة على الضباب CVD.

الجدول 2: بعض التقنيات الفوقي التمثيلية

2.1 طريقة MBE

تشتهر تقنية MBE بقدرتها على إنتاج أفلام β-Ga2O3 عالية الجودة وخالية من العيوب مع تطعيم من النوع n يمكن التحكم فيه نظرًا لبيئة الفراغ العالية للغاية ونقاء المواد العالي. ونتيجة لذلك، فقد أصبحت واحدة من أكثر تقنيات ترسيب الأغشية الرقيقة β-Ga2O3 التي تمت دراستها على نطاق واسع وربما تسويقها تجاريًا. بالإضافة إلى ذلك، نجحت طريقة MBE أيضًا في إعداد طبقة رقيقة عالية الجودة ومنخفضة المنشطات β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3. يمكن لـ MBE مراقبة بنية السطح وتشكله في الوقت الفعلي بدقة الطبقة الذرية باستخدام حيود الإلكترون عالي الطاقة الانعكاسي (RHEED). ومع ذلك، لا تزال أفلام β-Ga2O3 المزروعة باستخدام تقنية MBE تواجه العديد من التحديات، مثل معدل النمو المنخفض وصغر حجم الفيلم. ووجدت الدراسة أن معدل النمو كان في حدود (010)>(001)>(−201)>(100). في ظل ظروف غنية بـ Ga قليلاً تتراوح من 650 إلى 750 درجة مئوية، يُظهر β-Ga2O3 (010) نموًا مثاليًا مع سطح أملس ومعدل نمو مرتفع. باستخدام هذه الطريقة، تم تحقيق نفوق β-Ga2O3 بنجاح بخشونة RMS تبلغ 0.1 نانومتر. β-Ga2O3 في بيئة غنية بـ Ga، تظهر في الشكل أفلام MBE المزروعة في درجات حرارة مختلفة. نجحت شركة Novel Crystal Technology Inc. في إنتاج رقائق 10 × 15 مم 2 β-Ga2O3MBE. إنها توفر ركائز بلورية أحادية β-Ga2O3 عالية الجودة (010) بسماكة 500 ميكرومتر وXRD FWHM أقل من 150 ثانية قوسية. الركيزة مخدرة Sn أو Fe مخدرة. تحتوي الركيزة الموصلة المغطاة بـ Sn على تركيز منشط يتراوح من 1E18 إلى 9E18cm−3، في حين أن الركيزة شبه العازلة المخدرة بالحديد لها مقاومة أعلى من 10E10 Ω cm.

2.2 طريقة MOCVD

تستخدم MOCVD المركبات العضوية المعدنية كمواد أولية لإنتاج الأغشية الرقيقة، وبالتالي تحقيق إنتاج تجاري واسع النطاق. عند زراعة Ga2O3 باستخدام طريقة MOCVD، عادةً ما يتم استخدام ثلاثي ميثيل جاليوم (TMGa) وثلاثي إيثيل جاليوم (TEGa) وGa (فورمات ثنائي بنتيل جلايكول) كمصدر Ga، بينما يتم استخدام H2O أو O2 أو N2O كمصدر للأكسجين. يتطلب النمو باستخدام هذه الطريقة عمومًا درجات حرارة عالية (> 800 درجة مئوية). تتمتع هذه التقنية بالقدرة على تحقيق تركيز حامل منخفض وتنقل الإلكترون في درجات الحرارة العالية والمنخفضة، لذلك فهي ذات أهمية كبيرة لتحقيق أجهزة طاقة β-Ga2O3 عالية الأداء. بالمقارنة مع طريقة نمو MBE، تتمتع MOCVD بميزة تحقيق معدلات نمو عالية جدًا لأفلام β-Ga2O3 بسبب خصائص النمو في درجات الحرارة العالية والتفاعلات الكيميائية.

الشكل 7: صورة β-Ga2O3 (010) AFM

الشكل 8: β-Ga2O3 العلاقة بينμ ومقاومة الصفائح المقاسة بواسطة Hall ودرجة الحرارة

2.3 طريقة HVPE

HVPE هي تقنية الفوقي الناضجة وقد تم استخدامها على نطاق واسع في النمو الفوقي لأشباه الموصلات المركبة III-V. HVPE معروفة بتكلفة الإنتاج المنخفضة، ومعدل النمو السريع، وسمك الفيلم العالي. تجدر الإشارة إلى أن HVPEβ-Ga2O3 يُظهر عادةً مورفولوجيا سطحية خشنة وكثافة عالية من العيوب والحفر السطحية. لذلك، يلزم إجراء عمليات تلميع كيميائية وميكانيكية قبل تصنيع الجهاز. تستخدم تقنية HVPE الخاصة بـ β-Ga2O3 عادةً GaCl الغازي وO2 كسلائف لتعزيز تفاعل درجة الحرارة العالية لمصفوفة (001) β-Ga2O3. ويبين الشكل 9 حالة السطح ومعدل نمو الفيلم الفوقي كدالة لدرجة الحرارة. في السنوات الأخيرة، حققت شركة Novel Crystal Technology Inc. اليابانية نجاحًا تجاريًا كبيرًا في HVPE الفوقي المتجانس β-Ga2O3، مع سماكة الطبقة الفوقية من 5 إلى 10 ميكرومتر وأحجام الرقاقة من 2 و4 بوصات. بالإضافة إلى ذلك، دخلت أيضًا الرقاقات المتجانسة الفوقية HVPE β-Ga2O3 بسمك 20 ميكرومتر والتي تنتجها شركة China Electronics Technology Group Corporation مرحلة التسويق.

الشكل 9: طريقة HVPE β-Ga2O3

2.4 طريقة PLD

تُستخدم تقنية PLD بشكل أساسي لترسيب أفلام الأكسيد المعقدة والهياكل المتغايرة. أثناء عملية نمو PLD، تقترن طاقة الفوتون بالمادة المستهدفة من خلال عملية انبعاث الإلكترون. على النقيض من MBE، تتشكل جزيئات مصدر PLD بواسطة إشعاع الليزر ذو طاقة عالية للغاية (> 100 فولت) ويتم ترسيبها لاحقًا على ركيزة ساخنة. ومع ذلك، أثناء عملية الاجتثاث، ستؤثر بعض الجزيئات عالية الطاقة بشكل مباشر على سطح المادة، مما يؤدي إلى خلق عيوب نقطية وبالتالي تقليل جودة الفيلم. على غرار طريقة MBE، يمكن استخدام RHEED لمراقبة البنية السطحية ومورفولوجيا المادة في الوقت الفعلي أثناء عملية ترسيب PLD β-Ga2O3، مما يسمح للباحثين بالحصول على معلومات النمو بدقة. من المتوقع أن تعمل طريقة PLD على إنتاج أفلام β-Ga2O3 عالية التوصيل، مما يجعلها حل تلامس أومي محسّن في أجهزة الطاقة Ga2O3.

الشكل 10: صورة AFM لـ Si Doped Ga2O3

2.5 طريقة MIST-CVD

MIST-CVD هي تقنية بسيطة نسبيًا وفعالة من حيث التكلفة لنمو الأغشية الرقيقة. تشتمل طريقة الأمراض القلبية الوعائية هذه على تفاعل رش مادة مذرية على الركيزة لتحقيق ترسيب الأغشية الرقيقة. ومع ذلك، حتى الآن، لا يزال Ga2O3 المزروع باستخدام رذاذ CVD يفتقر إلى الخصائص الكهربائية الجيدة، مما يترك مجالًا كبيرًا للتحسين والتحسين في المستقبل.