تكنولوجيا الحبوب الدائمة المؤكسدة والنمو الطبقي-2

2. نمو الطبقة الرقيقة فوق الطبقة

توفر الركيزة طبقة دعم فيزيائية أو طبقة موصلة لأجهزة الطاقة المُصنّعة من أكسيد الغاليوم (Ga2O3). الطبقة المهمة التالية هي طبقة القناة أو الطبقة الفوقية (الإبيتاكسية) المستخدمة لمقاومة الجهد ونقل الناقل. لزيادة جهد الانهيار وتقليل مقاومة التوصيل، يُعدّ التحكم في السُمك وتركيز التشويب، بالإضافة إلى جودة المادة المثلى، من الشروط الأساسية. عادةً ما تُرسّب طبقات الفوقية عالية الجودة من أكسيد الغاليوم (Ga2O3) باستخدام تقنيات الترسيب الشعاعي الجزيئي (MBE)، وترسيب البخار الكيميائي العضوي المعدني (MOCVD)، وترسيب بخار الهاليد (HVPE)، وترسيب الليزر النبضي (PLD)، وترسيب الترسيب الكيميائي البخاري الضبابي (CVD).

الجدول 2 بعض التقنيات الفوقية التمثيلية

2.1 طريقة MBE

تشتهر تقنية MBE بقدرتها على إنتاج أغشية β-Ga2O3 عالية الجودة وخالية من العيوب مع تشويب من النوع n يمكن التحكم فيه بفضل بيئة الفراغ الفائقة ونقاء المادة العالي. ونتيجة لذلك، أصبحت واحدة من أكثر تقنيات ترسيب الأغشية الرقيقة β-Ga2O3 دراسةً على نطاق واسع وإمكانية تسويقها تجاريًا. بالإضافة إلى ذلك، نجحت طريقة MBE أيضًا في إعداد طبقة رقيقة عالية الجودة ومنخفضة التشريب من β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3. يمكن لـ MBE مراقبة بنية السطح وشكله في الوقت الفعلي بدقة الطبقة الذرية باستخدام حيود الإلكترونات عالية الطاقة الانعكاسية (RHEED). ومع ذلك، لا تزال أغشية β-Ga2O3 المزروعة باستخدام تقنية MBE تواجه العديد من التحديات، مثل معدل النمو المنخفض وصغر حجم الغشاء. وجدت الدراسة أن معدل النمو كان في حدود (010)>(001)>(−201)>(100). في ظل ظروف غنية قليلاً بالغاليوم تتراوح بين 650 و750 درجة مئوية، يُظهر β-Ga2O3 (010) نموًا مثاليًا بسطح أملس ومعدل نمو مرتفع. باستخدام هذه الطريقة، تم تحقيق تكاثر β-Ga2O3 بنجاح مع خشونة RMS تبلغ 0.1 نانومتر. في بيئة غنية بالغاليوم، تظهر أغشية MBE المزروعة عند درجات حرارة مختلفة في الشكل. نجحت شركة Novel Crystal Technology Inc. في إنتاج رقائق β-Ga2O3MBE بتقنية التكاثر التراكمي (التكاثر التراكمي) بأبعاد 10 × 15 مم2. توفر هذه الرقائق ركائز بلورية أحادية β-Ga2O3 عالية الجودة (010) موجهة نحو β-Ga2O3 بسمك 500 ميكرومتر وطول عرض كامل عند ذروة أشعة سينية أقل من 150 ثانية قوسية. الركيزة مشوبة بالقصدير أو الحديد. تحتوي الركيزة الموصلة المشبعة بالقصدير على تركيز مشبع يتراوح من 1E18 إلى 9E18cm−3، في حين أن الركيزة شبه العازلة المشبعة بالحديد لها مقاومة أعلى من 10E10 Ω سم.

2.2 طريقة MOCVD

تستخدم تقنية MOCVD مركبات عضوية معدنية كمواد أولية لتنمية الأغشية الرقيقة، مما يحقق إنتاجًا تجاريًا واسع النطاق. عند تنمية Ga2O3 باستخدام طريقة MOCVD، عادةً ما يُستخدم ثلاثي ميثيل الغاليوم (TMGa) وثلاثي إيثيل الغاليوم (TEGa) والغاليوم (فورمات ثنائي بنتيل جليكول) كمصدر للغاليوم، بينما يُستخدم الماء أو الأكسجين أو أكسيد النيتروز كمصدر للأكسجين. يتطلب النمو باستخدام هذه الطريقة درجات حرارة عالية (>800 درجة مئوية). تتمتع هذه التقنية بالقدرة على تحقيق تركيز منخفض للناقلات وحركة الإلكترونات في درجات حرارة عالية ومنخفضة، لذا فهي ذات أهمية كبيرة في تحقيق أجهزة طاقة β-Ga2O3 عالية الأداء. بالمقارنة مع طريقة نمو MBE، تتميز تقنية MOCVD بتحقيق معدلات نمو عالية جدًا لأغشية β-Ga2O3 نظرًا لخصائص النمو في درجات الحرارة العالية والتفاعلات الكيميائية.

الشكل 7: صورة β-Ga2O3 (010) AFM

الشكل 8 β-Ga2O3 العلاقة بين μ ومقاومة الصفيحة المقاسة بواسطة هول ودرجة الحرارة

2.3 طريقة HVPE

HVPE هي تقنية متطورة للنمو الطبقي، وقد استُخدمت على نطاق واسع في النمو الطبقي لأشباه الموصلات المركبة III-V. تتميز HVPE بتكلفة إنتاج منخفضة، ومعدل نمو سريع، وسمك غشاء عالي. تجدر الإشارة إلى أن HVPEβ-Ga2O3 عادةً ما يُظهر سطحًا خشنًا وكثافة عالية من العيوب والحفر السطحية. لذلك، يلزم إجراء عمليات تلميع كيميائية وميكانيكية قبل تصنيع الجهاز. عادةً ما تستخدم تقنية HVPE للنمو الطبقي لـ β-Ga2O3 غازي كلوريد الغاليوم والأكسجين كمواد أولية لتعزيز التفاعل عالي الحرارة لمصفوفة β-Ga2O3 (001). يوضح الشكل 9 حالة السطح ومعدل نمو الغشاء الطبقي كدالة لدرجة الحرارة. في السنوات الأخيرة، حققت شركة نوفيل كريستال تكنولوجي اليابانية نجاحًا تجاريًا ملحوظًا في إنتاج β-Ga2O3 المتجانس من البولي إيثيلين عالي الكثافة (HVPE)، بسماكات طبقة متجانسة تتراوح بين 5 و10 ميكرومتر، ومقاسات رقائق تتراوح بين 2 و4 بوصات. كما دخلت رقائق β-Ga2O3 المتجانسة من البولي إيثيلين عالي الكثافة (HVPE) بسماكة 20 ميكرومتر، والتي تنتجها شركة تشاينا إلكترونيكس تكنولوجي جروب كوربوريشن، مرحلة التسويق التجاري.

الشكل 9 طريقة HVPE β-Ga2O3

2.4 طريقة PLD

تُستخدم تقنية PLD بشكل أساسي لترسيب أغشية الأكسيد المعقدة والهياكل غير المتجانسة. خلال عملية نمو PLD، ترتبط طاقة الفوتون بالمادة المستهدفة من خلال عملية انبعاث الإلكترونات. على عكس تقنية MBE، تتشكل جسيمات مصدر PLD بواسطة إشعاع ليزر عالي الطاقة (>100 إلكترون فولت) وترسب لاحقًا على ركيزة ساخنة. ومع ذلك، أثناء عملية الاستئصال، ستؤثر بعض الجسيمات عالية الطاقة بشكل مباشر على سطح المادة، مما يُحدث عيوبًا نقطية، وبالتالي يقلل من جودة الغشاء. على غرار طريقة MBE، يمكن استخدام RHEED لمراقبة بنية سطح المادة ومورفولوجياها بشكل آني أثناء عملية ترسيب β-Ga2O3 بتقنية PLD، مما يسمح للباحثين بالحصول على معلومات النمو بدقة. من المتوقع أن تُنمّي طريقة PLD أغشية β-Ga2O3 عالية التوصيل، مما يجعلها حل اتصال أومي مُحسّن في أجهزة الطاقة Ga2O3.

الشكل 10 صورة المجهر الذري لـ Ga2O3 الممزوج بالسيليكون

2.5 طريقة الترسيب الكيميائي البخاري للضباب

الترسيب الكيميائي البخاري بالتبخر (MIST-CVD) هي تقنية بسيطة نسبيًا واقتصادية لنمو الأغشية الرقيقة. تتضمن هذه الطريقة تفاعل رشّ مادة أولية مُذرّرة على ركيزة لتحقيق ترسيب الأغشية الرقيقة. مع ذلك، حتى الآن، لا يزال إنتاج Ga2O3 باستخدام الترسيب الكيميائي البخاري بالتبخر يفتقر إلى خصائص كهربائية جيدة، مما يتيح مجالًا واسعًا للتحسين والتطوير في المستقبل.