เกรนยืนออกซิไดซ์และเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของ epitaxis-Ⅱ

2. การเจริญเติบโตของฟิล์มบางในเยื่อบุผิว

วัสดุพิมพ์มีชั้นรองรับทางกายภาพหรือชั้นสื่อกระแสไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้า Ga2O3 ชั้นสำคัญถัดไปคือชั้นแชนเนลหรือชั้นเอพิแทกเซียลที่ใช้สำหรับความต้านทานแรงดันไฟฟ้าและการขนส่งพาหะ เพื่อที่จะเพิ่มแรงดันพังทลายและลดความต้านทานการนำไฟฟ้า ความหนาที่ควบคุมได้และความเข้มข้นของสารต้องห้าม รวมถึงคุณภาพของวัสดุที่เหมาะสม ถือเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นบางประการ โดยทั่วไปชั้น epitaxis ของ Ga2O3 คุณภาพสูงจะถูกสะสมโดยใช้โมเลกุล epitaxy (MBE), การสะสมไอสารเคมีอินทรีย์ของโลหะ (MOCVD), การสะสมไอของเฮไลด์ (HVPE), การสะสมของเลเซอร์แบบพัลซ์ (PLD) และเทคนิคการสะสมของหมอก CVD

ตารางที่ 2 เทคโนโลยี epitaxis ที่เป็นตัวแทนบางอย่าง

2.1 วิธี MBE

เทคโนโลยี MBE มีชื่อเสียงในด้านความสามารถในการสร้างฟิล์ม β-Ga2O3 คุณภาพสูง ปราศจากข้อบกพร่อง พร้อมการเติมสารชนิด n ที่ควบคุมได้ เนื่องจากมีสภาพแวดล้อมสุญญากาศที่สูงเป็นพิเศษและมีความบริสุทธิ์ของวัสดุสูง ด้วยเหตุนี้ จึงได้กลายเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีการสะสมฟิล์มบาง β-Ga2O3 ที่ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางและอาจนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์มากที่สุด นอกจากนี้ วิธี MBE ยังประสบความสำเร็จในการเตรียมชั้นฟิล์มบางที่มีโครงสร้างเฮเทอโรโครงสร้างต่ำ β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 คุณภาพสูงอีกด้วย MBE สามารถตรวจสอบโครงสร้างพื้นผิวและสัณฐานวิทยาแบบเรียลไทม์ด้วยความแม่นยำของชั้นอะตอม โดยใช้การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนพลังงานสูงแบบสะท้อน (RHEED) อย่างไรก็ตาม ฟิล์ม β-Ga2O3 ที่ปลูกโดยใช้เทคโนโลยี MBE ยังคงเผชิญกับความท้าทายมากมาย เช่น อัตราการเติบโตต่ำและขนาดฟิล์มเล็ก การศึกษาพบว่าอัตราการเติบโตอยู่ในลำดับ (010)>(001)>(−201)>(100) ภายใต้สภาวะที่มี Ga-rich เล็กน้อยที่อุณหภูมิ 650 ถึง 750°C β-Ga2O3 (010) มีการเติบโตที่เหมาะสมโดยมีพื้นผิวเรียบและมีอัตราการเติบโตสูง เมื่อใช้วิธีการนี้ β-Ga2O3 epitaxy ประสบความสำเร็จด้วยความหยาบ RMS ที่ 0.1 นาโนเมตร β-Ga2O3 ในสภาพแวดล้อมที่อุดมไปด้วย Ga ฟิล์ม MBE ที่เติบโตที่อุณหภูมิต่างกันจะแสดงในรูป Novel Crystal Technology Inc. ประสบความสำเร็จในการผลิตเวเฟอร์ epitaxis ขนาด 10 × 15mm2 β-Ga2O3MBE โดยให้ซับสเตรตผลึกเดี่ยว β-Ga2O3 คุณภาพสูง (010) ที่มีความหนา 500 μm และ XRD FWHM ต่ำกว่า 150 อาร์ควินาที สารตั้งต้นเป็นแบบ Sn doped หรือ Fe doped สารตั้งต้นที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่เจือด้วย Sn มีความเข้มข้นของสารต้องห้ามที่ 1E18 ถึง 9E18cm−3 ในขณะที่สารตั้งต้นกึ่งฉนวนที่เจือด้วยเหล็กมีความต้านทานสูงกว่า 10E10 Ω cm

2.2 วิธี MOCVD

MOCVD ใช้สารประกอบอินทรีย์ของโลหะเป็นวัสดุตั้งต้นในการผลิตฟิล์มบาง จึงสามารถผลิตเชิงพาณิชย์ได้ในวงกว้าง เมื่อปลูก Ga2O3 โดยใช้วิธี MOCVD มักจะใช้ไตรเมทิลแกลเลียม (TMGa), ไตรเอทิลแกลเลียม (TEGa) และ Ga (รูปแบบไดเพนทิลไกลคอล) เป็นแหล่ง Ga ในขณะที่ H2O, O2 หรือ N2O ถูกใช้เป็นแหล่งออกซิเจน โดยทั่วไปการเจริญเติบโตโดยใช้วิธีนี้ต้องใช้อุณหภูมิสูง (>800°C) เทคโนโลยีนี้มีศักยภาพในการบรรลุความเข้มข้นของพาหะต่ำและการเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนที่อุณหภูมิสูงและต่ำ ดังนั้นจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้า β-Ga2O3 ที่มีประสิทธิภาพสูง เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการเจริญเติบโตของ MBE แล้ว MOCVD มีข้อได้เปรียบในการบรรลุอัตราการเติบโตที่สูงมากของฟิล์ม β-Ga2O3 เนื่องจากลักษณะของการเจริญเติบโตที่อุณหภูมิสูงและปฏิกิริยาทางเคมี

รูปที่ 7 β-Ga2O3 (010) ภาพ AFM

รูปที่ 8 β-Ga2O3 ความสัมพันธ์ระหว่างμและความต้านทานของแผ่นที่วัดโดยฮอลล์และอุณหภูมิ

2.3 วิธี HVPE

HVPE เป็นเทคโนโลยีอีพิแทกเซียลที่เติบโตเต็มที่ และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการเติบโตของอีพิแทกเซียลของสารกึ่งตัวนำสารประกอบ III-V HVPE ขึ้นชื่อในด้านต้นทุนการผลิตต่ำ อัตราการเติบโตที่รวดเร็ว และความหนาของฟิล์มสูง ควรสังเกตว่า HVPEβ-Ga2O3 มักจะแสดงสัณฐานวิทยาของพื้นผิวที่หยาบและมีข้อบกพร่องและหลุมบนพื้นผิวที่มีความหนาแน่นสูง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีกระบวนการขัดเงาด้วยสารเคมีและเชิงกลก่อนการผลิตอุปกรณ์ เทคโนโลยี HVPE สำหรับเอพิแทกซี β-Ga2O3 มักจะใช้ GaCl และ O2 ที่เป็นก๊าซเป็นสารตั้งต้นเพื่อส่งเสริมปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูงของเมทริกซ์ (001) β-Ga2O3 รูปที่ 9 แสดงสภาพพื้นผิวและอัตราการเติบโตของฟิล์มเอพิแทกเซียลตามฟังก์ชันของอุณหภูมิ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา Novel Crystal Technology Inc. ของญี่ปุ่นประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์อย่างมากใน HVPE homoepitaxial β-Ga2O3 โดยมีความหนาของชั้น epitaxis 5 ถึง 10 μm และขนาดเวเฟอร์ 2 และ 4 นิ้ว นอกจากนี้ เวเฟอร์โฮโมอีพิแอกเชียล HVPE β-Ga2O3 หนา 20 μm ที่ผลิตโดย China Electronics Technology Group Corporation ก็เข้าสู่ขั้นตอนการจำหน่ายเชิงพาณิชย์แล้วเช่นกัน

รูปที่ 9 วิธี HVPE β-Ga2O3

2.4 วิธี PLD

เทคโนโลยี PLD ส่วนใหญ่จะใช้เพื่อฝากฟิล์มออกไซด์เชิงซ้อนและโครงสร้างเฮเทอโร ในระหว่างกระบวนการเติบโต PLD พลังงานโฟตอนจะถูกรวมเข้ากับวัสดุเป้าหมายผ่านกระบวนการปล่อยอิเล็กตรอน ตรงกันข้ามกับ MBE อนุภาคแหล่งกำเนิด PLD ถูกสร้างขึ้นโดยการแผ่รังสีเลเซอร์ที่มีพลังงานสูงมาก (>100 eV) และสะสมอยู่บนพื้นผิวที่ให้ความร้อนในเวลาต่อมา อย่างไรก็ตาม ในระหว่างกระบวนการระเหย อนุภาคพลังงานสูงบางส่วนจะส่งผลโดยตรงต่อพื้นผิวของวัสดุ ทำให้เกิดจุดบกพร่อง และทำให้คุณภาพของฟิล์มลดลง เช่นเดียวกับวิธี MBE สามารถใช้ RHEED เพื่อตรวจสอบโครงสร้างพื้นผิวและสัณฐานวิทยาของวัสดุแบบเรียลไทม์ในระหว่างกระบวนการสะสม PLD β-Ga2O3 ช่วยให้นักวิจัยได้รับข้อมูลการเติบโตอย่างแม่นยำ คาดว่าวิธี PLD จะช่วยเพิ่มฟิล์ม β-Ga2O3 ที่มีความนำไฟฟ้าสูง ทำให้เป็นวิธีการแก้ปัญหาการสัมผัสแบบโอห์มมิกในอุปกรณ์จ่ายไฟ Ga2O3

รูปที่ 10 ภาพ AFM ของ Ga2O3 ที่เจือด้วย Si

2.5 วิธี MIST-CVD

MIST-CVD เป็นเทคโนโลยีการเจริญเติบโตของฟิล์มบางที่ค่อนข้างง่ายและคุ้มค่า วิธีการ CVD นี้เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาของการพ่นสารตั้งต้นที่ทำให้เป็นอะตอมลงบนสารตั้งต้นเพื่อให้เกิดการสะสมตัวของฟิล์มบาง อย่างไรก็ตาม จนถึงขณะนี้ Ga2O3 ที่ปลูกโดยใช้หมอก CVD ยังคงขาดคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดี ซึ่งทำให้เหลือพื้นที่อีกมากสำหรับการปรับปรุงและเพิ่มประสิทธิภาพในอนาคต