3. Επιταξιακή ανάπτυξη λεπτής μεμβράνης
Το υπόστρωμα παρέχει ένα φυσικό στρώμα στήριξης ή αγώγιμο στρώμα για συσκευές ισχύος Ga2O3. Το επόμενο σημαντικό στρώμα είναι το στρώμα καναλιού ή επιταξιακό στρώμα που χρησιμοποιείται για την αντίσταση τάσης και τη μεταφορά του φορέα. Προκειμένου να αυξηθεί η τάση διάσπασης και να ελαχιστοποιηθεί η αντίσταση αγωγιμότητας, το ελεγχόμενο πάχος και η συγκέντρωση ντόπινγκ, καθώς και η βέλτιστη ποιότητα υλικού, είναι ορισμένες προϋποθέσεις. Τα υψηλής ποιότητας επιταξιακά στρώματα Ga2O3 συνήθως εναποτίθενται χρησιμοποιώντας τεχνικές εναπόθεσης με μοριακή δέσμη (MBE), μεταλλική οργανική χημική εναπόθεση ατμού (MOCVD), εναπόθεση ατμού αλογονιδίου (HVPE), εναπόθεση παλμικού λέιζερ (PLD) και ομίχλη CVD.
Πίνακας 2 Μερικές αντιπροσωπευτικές επιταξιακές τεχνολογίες
Μέθοδος 3.1 MBE
Η τεχνολογία MBE είναι γνωστή για την ικανότητά της να αναπτύσσει υψηλής ποιότητας φιλμ β-Ga2O3 χωρίς ελαττώματα με ελεγχόμενο ντόπινγκ τύπου n λόγω του εξαιρετικά υψηλού περιβάλλοντος κενού και της υψηλής καθαρότητας υλικού. Ως αποτέλεσμα, έχει γίνει μια από τις πιο ευρέως μελετημένες και δυνητικά εμπορευματοποιημένες τεχνολογίες εναπόθεσης λεπτής μεμβράνης β-Ga2O3. Επιπλέον, η μέθοδος MBE παρασκεύασε επίσης με επιτυχία ένα υψηλής ποιότητας, χαμηλής πρόσμιξης ετεροδομής β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 στρώμα λεπτής μεμβράνης. Το MBE μπορεί να παρακολουθεί τη δομή και τη μορφολογία της επιφάνειας σε πραγματικό χρόνο με ακρίβεια ατομικού στρώματος χρησιμοποιώντας περίθλαση ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας ανάκλασης (RHEED). Ωστόσο, τα φιλμ β-Ga2O3 που αναπτύσσονται χρησιμοποιώντας τεχνολογία MBE εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν πολλές προκλήσεις, όπως χαμηλό ρυθμό ανάπτυξης και μικρό μέγεθος φιλμ. Η μελέτη διαπίστωσε ότι ο ρυθμός ανάπτυξης ήταν της τάξης του (010)>(001)>(−201)>(100). Κάτω από ελαφρώς πλούσιες σε Ga σε συνθήκες 650 έως 750°C, το β-Ga2O3 (010) παρουσιάζει βέλτιστη ανάπτυξη με λεία επιφάνεια και υψηλό ρυθμό ανάπτυξης. Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, επιτεύχθηκε επιτυχώς η β-Ga2O3 επιταξία με τραχύτητα RMS 0,1 nm. β-Ga2O3 Σε περιβάλλον πλούσιο σε Ga, τα φιλμ MBE που αναπτύσσονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες φαίνονται στο σχήμα. Η Novel Crystal Technology Inc. παρήγαγε επιτυχώς επιταξιακά γκοφρέτες β-Ga2O3MBE 10 × 15 mm2. Παρέχουν μονοκρυσταλλικά υποστρώματα β-Ga2O3 υψηλής ποιότητας (010) προσανατολισμού με πάχος 500 μm και XRD FWHM κάτω από 150 δευτερόλεπτα τόξου. Το υπόστρωμα είναι ντοπαρισμένο με Sn ή ντοπαρισμένο με Fe. Το αγώγιμο υπόστρωμα με πρόσμειξη Sn έχει συγκέντρωση ντόπινγκ από 1E18 έως 9E18cm−3, ενώ το ημιμονωτικό υπόστρωμα με πρόσμειξη σιδήρου έχει ειδική ειδική αντίσταση μεγαλύτερη από 10E10 Ω cm.
3.2 Μέθοδος MOCVD
Το MOCVD χρησιμοποιεί μεταλλικές οργανικές ενώσεις ως πρόδρομα υλικά για την ανάπτυξη λεπτών μεμβρανών, επιτυγχάνοντας έτσι μεγάλης κλίμακας εμπορική παραγωγή. Κατά την καλλιέργεια του Ga2O3 με τη μέθοδο MOCVD, το τριμεθυλγάλλιο (TMGa), το τριαιθυλογάλλιο (TEGa) και το Ga (μυρμηκικός διπεντυλική γλυκόλη) χρησιμοποιούνται συνήθως ως πηγή Ga, ενώ τα H2O, O2 ή N2O χρησιμοποιούνται ως πηγή οξυγόνου. Η ανάπτυξη χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο απαιτεί γενικά υψηλές θερμοκρασίες (>800°C). Αυτή η τεχνολογία έχει τη δυνατότητα να επιτύχει χαμηλή συγκέντρωση φορέα και κινητικότητα ηλεκτρονίων υψηλής και χαμηλής θερμοκρασίας, επομένως έχει μεγάλη σημασία για την υλοποίηση συσκευών ισχύος β-Ga2O3 υψηλής απόδοσης. Σε σύγκριση με τη μέθοδο ανάπτυξης MBE, το MOCVD έχει το πλεονέκτημα ότι επιτυγχάνει πολύ υψηλούς ρυθμούς ανάπτυξης μεμβρανών β-Ga2O3 λόγω των χαρακτηριστικών της ανάπτυξης σε υψηλή θερμοκρασία και των χημικών αντιδράσεων.
Εικόνα 7 β-Ga2O3 (010) Εικόνα AFM
Σχήμα 8 β-Ga2O3 Η σχέση μεταξύ μ και αντίστασης φύλλου μετρούμενη από Hall και θερμοκρασία
3.3 Μέθοδος HVPE
Το HVPE είναι μια ώριμη επιταξιακή τεχνολογία και έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στην επιταξιακή ανάπτυξη σύνθετων ημιαγωγών III-V. Το HVPE είναι γνωστό για το χαμηλό κόστος παραγωγής, τον γρήγορο ρυθμό ανάπτυξης και το υψηλό πάχος φιλμ. Πρέπει να σημειωθεί ότι το HVPEβ-Ga2O3 συνήθως παρουσιάζει τραχιά μορφολογία επιφάνειας και υψηλή πυκνότητα επιφανειακών ελαττωμάτων και κοιλωμάτων. Επομένως, απαιτούνται χημικές και μηχανικές διεργασίες στίλβωσης πριν από την κατασκευή της συσκευής. Η τεχνολογία HVPE για την επιταξία β-Ga2O3 συνήθως χρησιμοποιεί αέρια GaCl και O2 ως πρόδρομες ουσίες για την προώθηση της αντίδρασης υψηλής θερμοκρασίας της μήτρας (001) β-Ga2O3. Το Σχήμα 9 δείχνει την κατάσταση της επιφάνειας και τον ρυθμό ανάπτυξης του επιταξιακού φιλμ ως συνάρτηση της θερμοκρασίας. Τα τελευταία χρόνια, η Novel Crystal Technology Inc. της Ιαπωνίας έχει σημειώσει σημαντική εμπορική επιτυχία στο HVPE ομοεπιταξιακό β-Ga2O3, με πάχη επιταξιακού στρώματος 5 έως 10 μm και μεγέθη γκοφρέτας 2 και 4 ίντσες. Επιπλέον, στο στάδιο εμπορευματοποίησης έχουν εισέλθει και οι ομοεπιταξιακές γκοφρέτες HVPE β-Ga2O3 πάχους 20 μm που παράγονται από την China Electronics Technology Group Corporation.
Εικόνα 9 Μέθοδος HVPE β-Ga2O3
3.4 Μέθοδος PLD
Η τεχνολογία PLD χρησιμοποιείται κυρίως για την εναπόθεση σύνθετων μεμβρανών οξειδίου και ετεροδομών. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανάπτυξης PLD, η ενέργεια των φωτονίων συνδέεται με το υλικό στόχο μέσω της διαδικασίας εκπομπής ηλεκτρονίων. Σε αντίθεση με το MBE, τα σωματίδια πηγής PLD σχηματίζονται από ακτινοβολία λέιζερ με εξαιρετικά υψηλή ενέργεια (>100 eV) και στη συνέχεια εναποτίθενται σε ένα θερμαινόμενο υπόστρωμα. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αφαίρεσης, ορισμένα σωματίδια υψηλής ενέργειας θα επηρεάσουν άμεσα την επιφάνεια του υλικού, δημιουργώντας σημειακά ελαττώματα και επομένως μειώνοντας την ποιότητα του φιλμ. Παρόμοια με τη μέθοδο MBE, το RHEED μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση της επιφανειακής δομής και της μορφολογίας του υλικού σε πραγματικό χρόνο κατά τη διαδικασία εναπόθεσης PLD β-Ga2O3, επιτρέποντας στους ερευνητές να λάβουν με ακρίβεια πληροφορίες ανάπτυξης. Η μέθοδος PLD αναμένεται να αναπτύξει εξαιρετικά αγώγιμα φιλμ β-Ga2O3, καθιστώντας την μια βελτιστοποιημένη λύση ωμικής επαφής σε συσκευές ισχύος Ga2O3.
Εικόνα 10 Εικόνα AFM του Si ντοπαρισμένου Ga2O3
3.5 Μέθοδος MIST-CVD
Το MIST-CVD είναι μια σχετικά απλή και οικονομικά αποδοτική τεχνολογία ανάπτυξης λεπτής μεμβράνης. Αυτή η μέθοδος CVD περιλαμβάνει την αντίδραση ψεκασμού ενός ψεκασμένου προδρόμου σε ένα υπόστρωμα για την επίτευξη εναπόθεσης λεπτής μεμβράνης. Ωστόσο, μέχρι στιγμής, το Ga2O3 που καλλιεργείται με χρήση ομίχλης CVD εξακολουθεί να στερείται καλών ηλεκτρικών ιδιοτήτων, γεγονός που αφήνει πολλά περιθώρια βελτίωσης και βελτιστοποίησης στο μέλλον.
Ώρα δημοσίευσης: 30 Μαΐου 2024