ઓક્સિડાઇઝ્ડ સ્ટેન્ડિંગ ગ્રેઇન અને એપિટેક્સિયલ ગ્રોથ ટેકનોલોજી-Ⅱ

2. એપિટેક્સિયલ પાતળી ફિલ્મ વૃદ્ધિ

સબસ્ટ્રેટ Ga2O3 પાવર ઉપકરણો માટે ભૌતિક આધાર સ્તર અથવા વાહક સ્તર પ્રદાન કરે છે. આગળનું મહત્વનું સ્તર એ ચેનલ સ્તર અથવા એપિટેક્સિયલ સ્તર છે જેનો ઉપયોગ વોલ્ટેજ પ્રતિકાર અને વાહક પરિવહન માટે થાય છે. બ્રેકડાઉન વોલ્ટેજ વધારવા અને વહન પ્રતિકાર ઘટાડવા માટે, નિયંત્રણ કરી શકાય તેવી જાડાઈ અને ડોપિંગ સાંદ્રતા તેમજ શ્રેષ્ઠ સામગ્રી ગુણવત્તા, કેટલીક પૂર્વજરૂરીયાતો છે. ઉચ્ચ ગુણવત્તાની Ga2O3 એપિટેક્સિયલ સ્તરો સામાન્ય રીતે મોલેક્યુલર બીમ એપિટાક્સી (MBE), મેટલ ઓર્ગેનિક કેમિકલ વેપર ડિપોઝિશન (MOCVD), હલાઈડ વેપર ડિપોઝિશન (HVPE), પલ્સ્ડ લેસર ડિપોઝિશન (PLD), અને ફોગ CVD આધારિત ડિપોઝિશન તકનીકોનો ઉપયોગ કરીને જમા કરવામાં આવે છે.

કોષ્ટક 2 કેટલીક પ્રતિનિધિ એપિટેક્સિયલ ટેક્નોલોજીઓ

2.1 MBE પદ્ધતિ

MBE ટેક્નોલોજી તેના અતિ-ઉચ્ચ વેક્યૂમ વાતાવરણ અને ઉચ્ચ સામગ્રી શુદ્ધતાને કારણે નિયંત્રણક્ષમ n-ટાઈપ ડોપિંગ સાથે ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળી, ખામી-મુક્ત β-Ga2O3 ફિલ્મો વિકસાવવાની ક્ષમતા માટે જાણીતી છે. પરિણામે, તે સૌથી વધુ વ્યાપકપણે અભ્યાસ કરાયેલ અને સંભવિત રૂપે વ્યાપારીકૃત β-Ga2O3 પાતળી ફિલ્મ ડિપોઝિશન તકનીકોમાંની એક બની ગઈ છે. વધુમાં, MBE પદ્ધતિએ પણ સફળતાપૂર્વક ઉચ્ચ-ગુણવત્તાવાળી, ઓછી ડોપવાળી હેટરોસ્ટ્રક્ચર β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 પાતળું ફિલ્મ સ્તર તૈયાર કર્યું. MBE પ્રતિબિંબ ઉચ્ચ ઊર્જા ઇલેક્ટ્રોન વિવર્તન (RHEED) નો ઉપયોગ કરીને અણુ સ્તરની ચોકસાઇ સાથે વાસ્તવિક સમયમાં સપાટીની રચના અને મોર્ફોલોજીનું નિરીક્ષણ કરી શકે છે. જો કે, MBE ટેક્નોલોજીનો ઉપયોગ કરીને ઉગાડવામાં આવેલી β-Ga2O3 ફિલ્મો હજુ પણ ઘણા પડકારોનો સામનો કરે છે, જેમ કે નીચો વૃદ્ધિ દર અને નાની ફિલ્મનું કદ. અભ્યાસમાં જાણવા મળ્યું છે કે વૃદ્ધિ દર (010)>(001)>(−201)>(100) ના ક્રમમાં હતો. 650 થી 750 ડિગ્રી સેલ્સિયસની સહેજ Ga-સમૃદ્ધ પરિસ્થિતિઓમાં, β-Ga2O3 (010) એક સરળ સપાટી અને ઉચ્ચ વૃદ્ધિ દર સાથે શ્રેષ્ઠ વૃદ્ધિ દર્શાવે છે. આ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને, β-Ga2O3 એપિટાક્સી 0.1 nm ની RMS રફનેસ સાથે સફળતાપૂર્વક પ્રાપ્ત કરવામાં આવી હતી. β-Ga2O3 ગા-સમૃદ્ધ વાતાવરણમાં, વિવિધ તાપમાને ઉગાડવામાં આવતી MBE ફિલ્મો આકૃતિમાં બતાવવામાં આવી છે. નોવેલ ક્રિસ્ટલ ટેક્નોલોજી ઇન્ક.એ સફળતાપૂર્વક 10 × 15mm2 β-Ga2O3MBE વેફર્સનું ઉત્પાદિત કર્યું છે. તેઓ 500 μm અને XRD FWHM 150 આર્ક સેકન્ડથી નીચેની જાડાઈ સાથે ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળા (010) લક્ષી β-Ga2O3 સિંગલ ક્રિસ્ટલ સબસ્ટ્રેટ પ્રદાન કરે છે. સબસ્ટ્રેટ Sn ડોપેડ અથવા Fe ડોપેડ છે. Sn-ડોપ્ડ વાહક સબસ્ટ્રેટમાં 1E18 થી 9E18cm−3 ની ડોપિંગ સાંદ્રતા હોય છે, જ્યારે આયર્ન-ડોપ્ડ અર્ધ-ઇન્સ્યુલેટિંગ સબસ્ટ્રેટમાં 10E10 Ω સેમી કરતા વધારે પ્રતિકારકતા હોય છે.

2.2 MOCVD પદ્ધતિ

MOCVD પાતળી ફિલ્મો ઉગાડવા માટે પુરોગામી સામગ્રી તરીકે મેટલ ઓર્ગેનિક સંયોજનોનો ઉપયોગ કરે છે, જેનાથી મોટા પાયે વ્યાપારી ઉત્પાદન પ્રાપ્ત થાય છે. જ્યારે MOCVD પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને Ga2O3 ઉગાડવામાં આવે છે, ત્યારે ટ્રાઈમેથાઈલગેલિયમ (TMGa), ટ્રાયથિલગેલિયમ (TEGa) અને Ga (ડીપેન્ટાઈલ ગ્લાયકોલ ફોર્મેટ) નો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે Ga સ્ત્રોત તરીકે થાય છે, જ્યારે H2O, O2 અથવા N2O નો ઉપયોગ ઓક્સિજન સ્ત્રોત તરીકે થાય છે. આ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને વૃદ્ધિ માટે સામાન્ય રીતે ઊંચા તાપમાન (>800°C)ની જરૂર પડે છે. આ ટેક્નોલોજીમાં ઓછી વાહક સાંદ્રતા અને ઉચ્ચ અને નીચા તાપમાનની ઈલેક્ટ્રોન ગતિશીલતા હાંસલ કરવાની ક્ષમતા છે, તેથી તે ઉચ્ચ-પ્રદર્શન β-Ga2O3 પાવર ઉપકરણોની અનુભૂતિ માટે ખૂબ મહત્વ ધરાવે છે. MBE વૃદ્ધિ પદ્ધતિની તુલનામાં, MOCVDને ઉચ્ચ-તાપમાન વૃદ્ધિ અને રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓના લક્ષણોને કારણે β-Ga2O3 ફિલ્મોના ખૂબ ઊંચા વૃદ્ધિ દર હાંસલ કરવાનો ફાયદો છે.

આકૃતિ 7 β-Ga2O3 (010) AFM છબી

આકૃતિ 8 β-Ga2O3 હોલ અને તાપમાન દ્વારા માપવામાં આવેલ μ અને શીટ પ્રતિકાર વચ્ચેનો સંબંધ

2.3 HVPE પદ્ધતિ

HVPE એ પરિપક્વ એપિટેક્સિયલ ટેક્નોલોજી છે અને III-V કમ્પાઉન્ડ સેમિકન્ડક્ટર્સની એપિટેક્સિયલ વૃદ્ધિમાં વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે. HVPE તેની ઓછી ઉત્પાદન કિંમત, ઝડપી વૃદ્ધિ દર અને ઉચ્ચ ફિલ્મની જાડાઈ માટે જાણીતું છે. એ નોંધવું જોઈએ કે HVPEβ-Ga2O3 સામાન્ય રીતે રફ સપાટી આકારવિજ્ઞાન અને સપાટીની ખામીઓ અને ખાડાઓની ઊંચી ઘનતા દર્શાવે છે. તેથી, ઉપકરણનું ઉત્પાદન કરતા પહેલા રાસાયણિક અને યાંત્રિક પોલિશિંગ પ્રક્રિયાઓ જરૂરી છે. β-Ga2O3 એપિટાક્સી માટેની HVPE ટેક્નોલોજી સામાન્ય રીતે (001) β-Ga2O3 મેટ્રિક્સની ઉચ્ચ-તાપમાન પ્રતિક્રિયાને પ્રોત્સાહન આપવા માટે પૂર્વગામી તરીકે વાયુયુક્ત GaCl અને O2 નો ઉપયોગ કરે છે. આકૃતિ 9 તાપમાનના કાર્ય તરીકે એપિટેક્સિયલ ફિલ્મની સપાટીની સ્થિતિ અને વૃદ્ધિ દર દર્શાવે છે. તાજેતરના વર્ષોમાં, જાપાનની નોવેલ ક્રિસ્ટલ ટેક્નોલોજી ઇન્ક. એ HVPE હોમોપીટેક્સિયલ β-Ga2O3 માં નોંધપાત્ર વ્યાપારી સફળતા હાંસલ કરી છે, જેમાં 5 થી 10 μm ની એપિટેક્સિયલ સ્તરની જાડાઈ અને 2 અને 4 ઇંચની વેફર સાઇઝ છે. વધુમાં, ચાઈના ઈલેક્ટ્રોનિક્સ ટેક્નોલોજી ગ્રુપ કોર્પોરેશન દ્વારા ઉત્પાદિત 20 μm જાડા HVPE β-Ga2O3 હોમોપીટેક્સિયલ વેફર્સ પણ વ્યાપારીકરણના તબક્કામાં પ્રવેશ્યા છે.

આકૃતિ 9 HVPE પદ્ધતિ β-Ga2O3

2.4 PLD પદ્ધતિ

PLD ટેક્નોલોજીનો ઉપયોગ મુખ્યત્વે જટિલ ઓક્સાઇડ ફિલ્મો અને હેટરોસ્ટ્રક્ચર્સ જમા કરવા માટે થાય છે. PLD વૃદ્ધિ પ્રક્રિયા દરમિયાન, ઇલેક્ટ્રોન ઉત્સર્જન પ્રક્રિયા દ્વારા લક્ષ્ય સામગ્રી સાથે ફોટોન ઊર્જા જોડવામાં આવે છે. MBE થી વિપરીત, PLD સ્ત્રોત કણો અત્યંત ઉચ્ચ ઊર્જા (>100 eV) સાથે લેસર રેડિયેશન દ્વારા રચાય છે અને ત્યારબાદ ગરમ સબસ્ટ્રેટ પર જમા થાય છે. જો કે, નિવારણ પ્રક્રિયા દરમિયાન, કેટલાક ઉચ્ચ-ઊર્જા કણો સામગ્રીની સપાટી પર સીધી અસર કરશે, બિંદુ ખામીઓ સર્જશે અને આમ ફિલ્મની ગુણવત્તામાં ઘટાડો કરશે. MBE પદ્ધતિની જેમ, RHEED નો ઉપયોગ PLD β-Ga2O3 ડિપોઝિશન પ્રક્રિયા દરમિયાન વાસ્તવિક સમયમાં સામગ્રીની સપાટીની રચના અને મોર્ફોલોજી પર દેખરેખ રાખવા માટે થઈ શકે છે, જેનાથી સંશોધકો વૃદ્ધિની માહિતી ચોક્કસ રીતે મેળવી શકે છે. PLD પદ્ધતિથી અત્યંત વાહક β-Ga2O3 ફિલ્મોની વૃદ્ધિ થવાની ધારણા છે, જે તેને Ga2O3 પાવર ઉપકરણોમાં ઑપ્ટિમાઇઝ ઓહ્મિક સંપર્ક ઉકેલ બનાવે છે.

આકૃતિ 10 Si ડોપેડ Ga2O3 ની AFM છબી

2.5 MIST-CVD પદ્ધતિ

MIST-CVD એ પ્રમાણમાં સરળ અને ખર્ચ-અસરકારક પાતળી ફિલ્મ વૃદ્ધિ તકનીક છે. આ CVD પદ્ધતિમાં પાતળી ફિલ્મ ડિપોઝિશન હાંસલ કરવા માટે સબસ્ટ્રેટ પર અણુકૃત પુરોગામી છાંટવાની પ્રતિક્રિયાનો સમાવેશ થાય છે. જો કે, અત્યાર સુધી, મિસ્ટ CVD નો ઉપયોગ કરીને ઉગાડવામાં આવેલ Ga2O3 માં હજુ પણ સારા વિદ્યુત ગુણધર્મોનો અભાવ છે, જે ભવિષ્યમાં સુધારણા અને ઑપ્ટિમાઇઝેશન માટે ઘણી જગ્યા છોડે છે.