2. Tăng trưởng màng mỏng epiticular
Chất nền cung cấp lớp hỗ trợ vật lý hoặc lớp dẫn điện cho các thiết bị điện Ga2O3. Lớp quan trọng tiếp theo là lớp kênh hoặc lớp epiticular được sử dụng để kháng điện áp và vận chuyển sóng mang. Để tăng điện áp đánh thủng và giảm thiểu điện trở dẫn, độ dày và nồng độ pha tạp có thể kiểm soát được cũng như chất lượng vật liệu tối ưu là một số điều kiện tiên quyết. Các lớp epiticular Ga2O3 chất lượng cao thường được lắng đọng bằng phương pháp epit Wax chùm phân tử (MBE), lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại (MOCVD), lắng đọng hơi halogenua (HVPE), lắng đọng xung laser (PLD) và kỹ thuật lắng đọng dựa trên sương mù CVD.
Bảng 2 Một số công nghệ epiticular tiêu biểu
2.1 Phương pháp MBE
Công nghệ MBE nổi tiếng với khả năng tạo màng β-Ga2O3 chất lượng cao, không khuyết tật với pha tạp loại n có thể kiểm soát được do môi trường chân không cực cao và độ tinh khiết vật liệu cao. Kết quả là, nó đã trở thành một trong những công nghệ lắng đọng màng mỏng β-Ga2O3 được nghiên cứu rộng rãi nhất và có khả năng thương mại hóa nhất. Ngoài ra, phương pháp MBE còn chế tạo thành công lớp màng mỏng β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 có cấu trúc dị thể chất lượng cao, độ pha tạp thấp. MBE có thể giám sát cấu trúc và hình thái bề mặt trong thời gian thực với độ chính xác của lớp nguyên tử bằng cách sử dụng nhiễu xạ electron năng lượng cao phản xạ (RHEED). Tuy nhiên, màng β-Ga2O3 được tạo ra bằng công nghệ MBE vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức như tốc độ tăng trưởng thấp và kích thước màng nhỏ. Nghiên cứu cho thấy tốc độ tăng trưởng theo thứ tự (010)>(001)>(−201)>(100). Trong điều kiện hơi giàu Ga ở nhiệt độ 650 đến 750°C, β-Ga2O3 (010) thể hiện sự tăng trưởng tối ưu với bề mặt nhẵn và tốc độ tăng trưởng cao. Sử dụng phương pháp này, epit Wax β-Ga2O3 đã đạt được thành công với độ nhám RMS là 0,1 nm. β-Ga2O3 Trong môi trường giàu Ga, màng MBE phát triển ở các nhiệt độ khác nhau được thể hiện trên hình. Novel Crystal Technology Inc. đã sản xuất thành công tấm wafer 10 × 15mm2 β-Ga2O3MBE. Chúng cung cấp các chất nền đơn tinh thể β-Ga2O3 định hướng chất lượng cao (010) với độ dày 500 μm và XRD FWHM dưới 150 giây cung. Chất nền được pha tạp Sn hoặc pha tạp Fe. Chất nền dẫn điện pha tạp Sn có nồng độ pha tạp từ 1E18 đến 9E18cm−3, trong khi chất nền bán cách điện pha tạp sắt có điện trở suất cao hơn 10E10 Ω cm.
2.2 Phương pháp MOCVD
MOCVD sử dụng các hợp chất hữu cơ kim loại làm nguyên liệu tiền thân để phát triển màng mỏng, từ đó đạt được sản xuất thương mại quy mô lớn. Khi trồng Ga2O3 bằng phương pháp MOCVD, trimethylgallium (TMGa), triethylgallium (TEGa) và Ga (dipentyl glycol formate) thường được sử dụng làm nguồn Ga, trong khi H2O, O2 hoặc N2O được sử dụng làm nguồn oxy. Tăng trưởng bằng phương pháp này thường đòi hỏi nhiệt độ cao (>800°C). Công nghệ này có khả năng đạt được nồng độ chất mang thấp và độ linh động của electron ở nhiệt độ cao và thấp, vì vậy nó có ý nghĩa rất lớn đối với việc hiện thực hóa các thiết bị năng lượng β-Ga2O3 hiệu suất cao. So với phương pháp tăng trưởng MBE, MOCVD có ưu điểm là đạt được tốc độ tăng trưởng rất cao của màng β-Ga2O3 do đặc tính tăng trưởng ở nhiệt độ cao và phản ứng hóa học.
Hình 7 Ảnh AFM β-Ga2O3 (010)
Hình 8 β-Ga2O3 Mối quan hệ giữa μ và điện trở tấm được đo bằng Hall và nhiệt độ
2.3 Phương pháp HVPE
HVPE là một công nghệ epiticular trưởng thành và đã được sử dụng rộng rãi trong quá trình tăng trưởng epiticular của chất bán dẫn hợp chất III-V. HVPE được biết đến với chi phí sản xuất thấp, tốc độ tăng trưởng nhanh và độ dày màng cao. Cần lưu ý rằng HVPEβ-Ga2O3 thường có hình thái bề mặt gồ ghề và mật độ khuyết tật bề mặt và rỗ cao. Vì vậy, cần phải có quá trình đánh bóng hóa học và cơ học trước khi sản xuất thiết bị. Công nghệ HVPE cho epit Wax β-Ga2O3 thường sử dụng GaCl dạng khí và O2 làm tiền chất để thúc đẩy phản ứng nhiệt độ cao của nền (001) β-Ga2O3. Hình 9 cho thấy tình trạng bề mặt và tốc độ tăng trưởng của màng epitaxy phụ thuộc vào nhiệt độ. Trong những năm gần đây, Novel Crystal Technology Inc. của Nhật Bản đã đạt được thành công thương mại đáng kể ở HVPE homoepiticular β-Ga2O3, với độ dày lớp epiticular từ 5 đến 10 μm và kích thước wafer là 2 và 4 inch. Ngoài ra, tấm wafer đồng trục HVPE β-Ga2O3 dày 20 μm do Tập đoàn Công nghệ Điện tử Trung Quốc sản xuất cũng đã bước vào giai đoạn thương mại hóa.
Hình 9 Phương pháp HVPE β-Ga2O3
2.4 Phương pháp PLD
Công nghệ PLD chủ yếu được sử dụng để lắng đọng các màng oxit phức tạp và các cấu trúc dị thể. Trong quá trình tăng trưởng PLD, năng lượng photon được ghép với vật liệu mục tiêu thông qua quá trình phát xạ điện tử. Ngược lại với MBE, các hạt nguồn PLD được hình thành bằng bức xạ laser có năng lượng cực cao (>100 eV) và sau đó lắng đọng trên chất nền được nung nóng. Tuy nhiên, trong quá trình mài mòn, một số hạt có năng lượng cao sẽ tác động trực tiếp lên bề mặt vật liệu, tạo ra các khuyết điểm và do đó làm giảm chất lượng của màng. Tương tự như phương pháp MBE, RHEED có thể được sử dụng để theo dõi cấu trúc bề mặt và hình thái của vật liệu theo thời gian thực trong quá trình lắng đọng PLD β-Ga2O3, cho phép các nhà nghiên cứu thu được thông tin tăng trưởng một cách chính xác. Phương pháp PLD dự kiến sẽ phát triển các màng β-Ga2O3 có độ dẫn điện cao, khiến nó trở thành giải pháp tiếp xúc ohmic được tối ưu hóa trong các thiết bị điện Ga2O3.
Hình 10 Ảnh AFM của Ga2O3 pha tạp Si
2.5 Phương pháp MIST-CVD
MIST-CVD là công nghệ tăng trưởng màng mỏng tương đối đơn giản và tiết kiệm chi phí. Phương pháp CVD này liên quan đến phản ứng phun tiền chất nguyên tử hóa lên chất nền để đạt được sự lắng đọng màng mỏng. Tuy nhiên, cho đến nay, Ga2O3 được trồng bằng CVD phun sương vẫn thiếu các đặc tính điện tốt, do đó còn nhiều chỗ cần cải tiến và tối ưu hóa trong tương lai.
Thời gian đăng: 30-05-2024