فن آوری رشد دانه های ایستاده اکسید شده و اپیتاکسیال-Ⅱ

2. رشد لایه نازک اپیتاکسیال

زیرلایه یک لایه پشتیبانی فیزیکی یا لایه رسانا برای دستگاه های قدرت Ga2O3 فراهم می کند. لایه مهم بعدی لایه کانال یا لایه اپیتاکسیال است که برای مقاومت ولتاژ و انتقال حامل استفاده می شود. به منظور افزایش ولتاژ شکست و به حداقل رساندن مقاومت رسانایی، ضخامت قابل کنترل و غلظت دوپینگ و همچنین کیفیت مطلوب مواد، پیش نیازهایی است. لایه‌های اپیتاکسیال Ga2O3 با کیفیت بالا معمولاً با استفاده از روش‌های رسوب‌گذاری بر اساس پرتوهای مولکولی (MBE)، رسوب‌دهی بخار شیمیایی آلی فلزی (MOCVD)، رسوب‌گذاری بخار هالید (HVPE)، رسوب‌گذاری لیزری پالسی (PLD) و روش‌های رسوب‌گذاری مبتنی بر مه CVD رسوب می‌کنند.

جدول 2 برخی از فناوری های اپیتاکسیال معرف

روش 2.1 MBE

فناوری MBE به دلیل توانایی در رشد فیلم‌های β-Ga2O3 با کیفیت بالا و بدون نقص با دوپینگ نوع n قابل کنترل به دلیل محیط خلاء بسیار بالا و خلوص مواد بالا مشهور است. در نتیجه، به یکی از گسترده‌ترین و بالقوه‌ترین فناوری‌های رسوب لایه نازک β-Ga2O3 تجاری‌سازی شده تبدیل شده است. علاوه بر این، روش MBE همچنین با موفقیت یک لایه لایه نازک نازک β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 با ساختار ناهمگن با کیفیت بالا و کم دوپ تهیه کرد. MBE می تواند ساختار و مورفولوژی سطح را در زمان واقعی با دقت لایه اتمی با استفاده از پراش الکترونی با انرژی بالا (RHEED) نظارت کند. با این حال، فیلم‌های β-Ga2O3 که با استفاده از فناوری MBE رشد می‌کنند، هنوز با چالش‌های زیادی مانند نرخ رشد کم و اندازه فیلم کوچک روبرو هستند. این مطالعه نشان داد که نرخ رشد به ترتیب (010)>(001)>(-201)>(100) بود. تحت شرایط کمی غنی از Ga در دمای 650 تا 750 درجه سانتیگراد، β-Ga2O3 (010) رشد مطلوبی را با سطح صاف و سرعت رشد بالا نشان می دهد. با استفاده از این روش، اپیتاکسی β-Ga2O3 با زبری RMS 0.1 نانومتر با موفقیت به دست آمد. β-Ga2O3 در یک محیط غنی از Ga، فیلم های MBE رشد یافته در دماهای مختلف در شکل نشان داده شده است. شرکت Novel Crystal Technology با موفقیت ویفرهای 10 × 15mm2 β-Ga2O3MBE را با موفقیت تولید کرده است. آنها بسترهای تک کریستالی β-Ga2O3 با کیفیت بالا (010) را با ضخامت 500 میکرومتر و XRD FWHM زیر 150 ثانیه قوس ارائه می کنند. بستر دوپ شده با Sn یا Fe دوپ شده است. زیرلایه رسانای دوپ شده Sn دارای غلظت دوپینگ 1E18 تا 9E18cm-3 است، در حالی که بستر نیمه عایق دوپ شده با آهن دارای مقاومتی بالاتر از 10E10 Ω سانتی متر است.

2.2 روش MOCVD

MOCVD از ترکیبات آلی فلزی به عنوان مواد پیش ساز برای رشد لایه های نازک استفاده می کند و در نتیجه به تولید تجاری در مقیاس بزرگ دست می یابد. هنگام رشد Ga2O3 با استفاده از روش MOCVD، تری متیل گالیوم (TMGa)، تری اتیل گالیوم (TEGa) و Ga (دی پنتیل گلیکول فرمات) معمولا به عنوان منبع Ga استفاده می شود، در حالی که از H2O، O2 یا N2O به عنوان منبع اکسیژن استفاده می شود. رشد با استفاده از این روش عموماً به دمای بالا (> 800 درجه سانتیگراد) نیاز دارد. این فناوری پتانسیل دستیابی به غلظت حامل کم و تحرک الکترون در دمای بالا و پایین را دارد، بنابراین برای تحقق دستگاه های قدرت β-Ga2O3 با کارایی بالا از اهمیت بالایی برخوردار است. در مقایسه با روش رشد MBE، MOCVD به دلیل ویژگی‌های رشد در دمای بالا و واکنش‌های شیمیایی، مزیت دستیابی به نرخ رشد بسیار بالای فیلم‌های β-Ga2O3 را دارد.

شکل 7 β-Ga2O3 (010) تصویر AFM

شکل 8 β-Ga2O3 رابطه بین μ و مقاومت ورق اندازه گیری شده توسط هال و دما

2.3 روش HVPE

HVPE یک فناوری اپیتاکسیال بالغ است و به طور گسترده در رشد همپایی نیمه هادی های مرکب III-V استفاده شده است. HVPE به دلیل هزینه تولید پایین، سرعت رشد سریع و ضخامت بالای فیلم شناخته شده است. لازم به ذکر است که HVPEβ-Ga2O3 معمولاً مورفولوژی سطح ناهموار و تراکم بالایی از عیوب سطحی و حفره ها را نشان می دهد. بنابراین قبل از ساخت دستگاه نیاز به انجام فرآیندهای پرداخت شیمیایی و مکانیکی است. فناوری HVPE برای اپیتاکسی β-Ga2O3 معمولاً از گازهای GaCl و O2 به عنوان پیش سازها برای ترویج واکنش دمای بالا ماتریس β-Ga2O3 (001) استفاده می کند. شکل 9 وضعیت سطح و سرعت رشد فیلم اپیتاکسیال را به عنوان تابعی از دما نشان می دهد. در سال‌های اخیر، Novel Crystal Technology Inc. ژاپن به موفقیت تجاری قابل توجهی در HVPE homoepitaxial β-Ga2O3، با ضخامت لایه همپایی 5 تا 10 میکرومتر و اندازه‌های ویفر 2 و 4 اینچ دست یافته است. علاوه بر این، ویفرهای هومواپیتاکسیال HVPE β-Ga2O3 با ضخامت 20 میکرومتر تولید شده توسط China Electronics Technology Group Corporation نیز وارد مرحله تجاری سازی شده است.

شکل 9 روش HVPE β-Ga2O3

2.4 روش PLD

فناوری PLD عمدتاً برای رسوب گذاری فیلم های اکسیدی پیچیده و ساختارهای ناهمسان استفاده می شود. در طول فرآیند رشد PLD، انرژی فوتون از طریق فرآیند انتشار الکترون به ماده هدف جفت می شود. برخلاف MBE، ذرات منبع PLD توسط تابش لیزر با انرژی بسیار بالا (> 100 eV) تشکیل می‌شوند و متعاقباً روی یک بستر گرم شده رسوب می‌کنند. با این حال، در طول فرآیند فرسایش، برخی از ذرات پرانرژی مستقیماً بر روی سطح مواد تأثیر می‌گذارند و نقص‌های نقطه‌ای ایجاد می‌کنند و در نتیجه کیفیت فیلم را کاهش می‌دهند. مشابه روش MBE، RHEED را می توان برای نظارت بر ساختار سطح و مورفولوژی مواد در زمان واقعی در طول فرآیند رسوب گذاری PLD β-Ga2O3 مورد استفاده قرار داد و به محققان اجازه می دهد اطلاعات رشد را به طور دقیق به دست آورند. انتظار می‌رود که روش PLD باعث رشد لایه‌های β-Ga2O3 بسیار رسانا شود و آن را به یک راه‌حل تماس اهمی بهینه در دستگاه‌های قدرت Ga2O3 تبدیل کند.

شکل 10 تصویر AFM از Ga2O3 دوپ شده Si

2.5 روش MIST-CVD

MIST-CVD یک فناوری رشد لایه نازک نسبتا ساده و مقرون به صرفه است. این روش CVD شامل واکنش پاشش یک پیش ماده اتمیزه شده روی یک بستر برای رسیدن به رسوب لایه نازک است. با این حال، تا کنون، Ga2O3 رشد یافته با استفاده از مه CVD هنوز فاقد خواص الکتریکی خوب است، که فضای زیادی برای بهبود و بهینه سازی در آینده باقی می گذارد.