תבואה עומדת מחומצנת וטכנולוגיית גידול אפיטקסיאלית-Ⅱ

2. צמיחת סרט דק אפיטקסיאלי

המצע מספק שכבת תמיכה פיזית או שכבה מוליכה עבור התקני כוח Ga2O3. השכבה החשובה הבאה היא שכבת התעלה או השכבה האפיטקסיאלית המשמשת להתנגדות מתח והובלת נושא. על מנת להגביר את מתח התפרקות ולמזער את התנגדות ההולכה, עובי וריכוז סימום ניתנים לשליטה, כמו גם איכות חומר אופטימלית, הם כמה תנאים מוקדמים. שכבות אפיטקסיאליות באיכות גבוהה של Ga2O3 מופקדות בדרך כלל באמצעות אפיטקסיה מולקולרית של קרן מולקולרית (MBE), שקיעת אדים כימית אורגנית של מתכת (MOCVD), שקיעת אדי הליד (HVPE), שקיעת לייזר פעימה (PLD) וטכניקות שקיעה מבוססות CVD ערפל.

טבלה 2 כמה טכנולוגיות אפיטקסיאליות מייצגות

שיטת 2.1 MBE

טכנולוגיית MBE ידועה ביכולתה לגדל סרטי β-Ga2O3 באיכות גבוהה ללא פגמים עם סימום מסוג n לשליטה בשל סביבת הוואקום הגבוהה במיוחד וטוהר החומר הגבוה. כתוצאה מכך, היא הפכה לאחת הטכנולוגיות הנחקרות ביותר ובפוטנציה למסחור של β-Ga2O3 דק סרט דק. בנוסף, שיטת MBE גם הכינה בהצלחה שכבת סרט דק של β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 באיכות גבוהה, עם רמות מסוימות נמוכה. MBE יכול לנטר מבנה ומורפולוגיה של פני השטח בזמן אמת עם דיוק שכבה אטומית על ידי שימוש בדיפרקציית אלקטרונים באנרגיה גבוהה של השתקפות (RHEED). עם זאת, סרטי β-Ga2O3 שגדלו באמצעות טכנולוגיית MBE עדיין מתמודדים עם אתגרים רבים, כגון קצב צמיחה נמוך וגודל סרט קטן. המחקר מצא שקצב הצמיחה היה בסדר גודל של (010)>(001)>(−201)>(100). בתנאים מעט עשירים ב-Ga של 650 עד 750 מעלות צלזיוס, β-Ga2O3 (010) מציג צמיחה אופטימלית עם משטח חלק וקצב צמיחה גבוה. באמצעות שיטה זו, אפיטקסיית β-Ga2O3 הושגה בהצלחה עם חספוס RMS של 0.1 ננומטר. β-Ga2O3 בסביבה עשירה ב-Ga, סרטי MBE שגדלו בטמפרטורות שונות מוצגים באיור. Novel Crystal Technology Inc. ייצרה בהצלחה אפיתקסיאלית פרוסות β-Ga2O3MBE בגודל 10 × 15 מ"מ. הם מספקים מצעי גביש חד-גבישים בעלי אוריינטציה גבוהה (010) עם β-Ga2O3 בעובי של 500 מיקרומטר ו-XRD FWHM מתחת ל-150 שניות קשת. המצע מסומם Sn או Fe מסומם. למצע המוליך המסומם ב-Sn יש ריכוז סימום של 1E18 עד 9E18cm-3, בעוד שלמצע הבידוד למחצה המסומם בברזל יש התנגדות גבוהה מ-10E10 Ω ס"מ.

2.2 שיטת MOCVD

MOCVD משתמש בתרכובות אורגניות של מתכת כחומרים מקדימים לגידול סרטים דקים, ובכך משיג ייצור מסחרי בקנה מידה גדול. כאשר מגדלים Ga2O3 בשיטת MOCVD, משמשים בדרך כלל טרימתיל-גליום (TMGa), טריאתיל-גליום (TEGa) ו-Ga (דיפנטיל גליקול פורמט) כמקור Ga, בעוד H2O, O2 או N2O משמשים כמקור החמצן. גידול בשיטה זו דורש בדרך כלל טמפרטורות גבוהות (מעל 800 מעלות צלזיוס). לטכנולוגיה זו יש פוטנציאל להשיג ריכוז נשא נמוך וניידות אלקטרונים בטמפרטורה גבוהה ונמוכה, ולכן יש לה משמעות רבה למימוש התקני הספק β-Ga2O3 בעלי ביצועים גבוהים. בהשוואה לשיטת הגידול MBE, ל-MOCVD יש יתרון בהשגת שיעורי צמיחה גבוהים מאוד של סרטי β-Ga2O3 בשל המאפיינים של צמיחה בטמפרטורה גבוהה ותגובות כימיות.

איור 7 תמונת β-Ga2O3 (010) AFM

איור 8 β-Ga2O3 הקשר בין μ והתנגדות היריעות נמדד על ידי הול וטמפרטורה

2.3 שיטת HVPE

HVPE היא טכנולוגיה אפיטקסיאלית בוגרת ונמצאת בשימוש נרחב בגידול האפיטקסיאלי של מוליכים למחצה מורכבים III-V. HVPE ידוע בעלות הייצור הנמוכה שלו, קצב הצמיחה המהיר ועובי הסרט הגבוה שלו. יש לציין כי HVPEβ-Ga2O3 בדרך כלל מציג מורפולוגיה של פני השטח מחוספסים וצפיפות גבוהה של פגמים ובורות פני השטח. לכן נדרשים תהליכי ליטוש כימיים ומכאניים לפני ייצור המכשיר. טכנולוגיית HVPE לאפיטקסיה של β-Ga2O3 משתמשת בדרך כלל ב-GaCl ו-O2 בגז כמבשרים כדי לקדם את התגובה בטמפרטורה גבוהה של מטריצת (001) β-Ga2O3. איור 9 מציג את מצב פני השטח וקצב הצמיחה של הסרט האפיטקסיאלי כפונקציה של הטמפרטורה. בשנים האחרונות, Novel Crystal Technology Inc. של יפן השיגה הצלחה מסחרית משמעותית ב-HVPE β-Ga2O3 הומי-אפיטקסיאלי, עם עובי שכבה אפיטקסיאלית של 5 עד 10 מיקרומטר וגודל פרוסות של 2 ו-4 אינץ'. בנוסף, פרוסות HVPE β-Ga2O3 הומיאפיטקסיאליות בעובי 20 מיקרומטר המיוצרות על ידי China Electronics Technology Group Corporation נכנסו גם הן לשלב המסחור.

איור 9 שיטת HVPE β-Ga2O3

2.4 שיטת PLD

טכנולוגיית PLD משמשת בעיקר להפקדת סרטי תחמוצת מורכבים והטרו-מבנים. במהלך תהליך הצמיחה של PLD, אנרגיית הפוטונים מחוברת לחומר היעד באמצעות תהליך פליטת האלקטרונים. בניגוד ל-MBE, חלקיקי מקור PLD נוצרים על ידי קרינת לייזר עם אנרגיה גבוהה במיוחד (>100 eV) ולאחר מכן מופקדים על מצע מחומם. עם זאת, במהלך תהליך האבלציה, חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה ישפיעו ישירות על פני החומר, ויצרו פגמים נקודתיים ובכך יפחיתו את איכות הסרט. בדומה לשיטת MBE, ניתן להשתמש ב-RHEED כדי לנטר את מבנה פני השטח והמורפולוגיה של החומר בזמן אמת במהלך תהליך השקעת PLD β-Ga2O3, מה שמאפשר לחוקרים להשיג מידע צמיחה מדויק. שיטת PLD צפויה להצמיח סרטי β-Ga2O3 בעלי מוליכות גבוהה, מה שהופך אותה לפתרון מגע אוהם אופטימלי בהתקני כוח Ga2O3.

איור 10 תמונת AFM של Ga2O3 מסומם בסי

שיטת 2.5 MIST-CVD

MIST-CVD היא טכנולוגיית צמיחת סרט דק פשוטה וחסכונית יחסית. שיטת CVD זו כוללת את התגובה של ריסוס מבשר אטום על מצע כדי להשיג שקיעת סרט דק. עם זאת, עד כה, Ga2O3 שגדל באמצעות ערפל CVD עדיין חסר תכונות חשמליות טובות, מה שמותיר הרבה מקום לשיפור ואופטימיזציה בעתיד.