تقنية الحبيبات القائمة المؤكسدة وتقنية النمو المتناحي - الجزء الثاني

2. نمو الأغشية الرقيقة المتنامية فوقيًا

توفر الركيزة طبقة دعم فيزيائية أو طبقة موصلة لأجهزة الطاقة المصنوعة من أكسيد الغاليوم (Ga2O3). أما الطبقة المهمة التالية فهي طبقة القناة أو الطبقة المترسبة (الإبيتاكسية) المستخدمة لمقاومة الجهد ونقل الشحنات. ولزيادة جهد الانهيار وتقليل مقاومة التوصيل، يُعد التحكم في سمك الطبقة وتركيز التطعيم، بالإضافة إلى جودة المواد المثلى، من المتطلبات الأساسية. تُرسّب طبقات أكسيد الغاليوم (Ga2O3) المترسبة عالية الجودة عادةً باستخدام تقنيات الترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE)، والترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD)، والترسيب بالبخار الهاليد (HVPE)، والترسيب بالليزر النبضي (PLD)، والترسيب الكيميائي للبخار الضبابي (Fog CVD).

الجدول 2: بعض التقنيات التمثيلية للترسيب الطبقي

2.1 طريقة MBE

تُعرف تقنية الترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE) بقدرتها على إنتاج أغشية β-Ga2O3 عالية الجودة وخالية من العيوب، مع إمكانية التحكم في التشويب من النوع n، وذلك بفضل بيئة الفراغ العالي للغاية ونقاء المادة العالي. ونتيجةً لذلك، أصبحت هذه التقنية من أكثر تقنيات ترسيب أغشية β-Ga2O3 الرقيقة دراسةً وإمكانيةً للتسويق التجاري. إضافةً إلى ذلك، نجحت تقنية MBE في تحضير طبقة رقيقة من β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 ذات بنية غير متجانسة عالية الجودة ومنخفضة التشويب. تتيح تقنية MBE مراقبة بنية السطح وشكله في الوقت الحقيقي بدقة على مستوى الطبقة الذرية باستخدام حيود الإلكترونات عالي الطاقة الانعكاسي (RHEED). مع ذلك، لا تزال أغشية β-Ga2O3 المُنمّاة بتقنية MBE تواجه العديد من التحديات، مثل انخفاض معدل النمو وصغر حجم الغشاء. وقد وجدت الدراسة أن معدل النمو كان بالترتيب التالي: (010) > (001) > (−201) > (100). في ظل ظروف غنية بالغاليوم تتراوح بين 650 و750 درجة مئوية، يُظهر β-Ga2O3 (010) نموًا مثاليًا بسطح أملس ومعدل نمو عالٍ. باستخدام هذه الطريقة، تم تحقيق الترسيب الطبقي لـ β-Ga2O3 بنجاح مع خشونة سطحية متوسطة الجذر التربيعي تبلغ 0.1 نانومتر. في بيئة غنية بالغاليوم، تظهر أغشية MBE المُرَسَّبة عند درجات حرارة مختلفة في الشكل. نجحت شركة Novel Crystal Technology Inc. في إنتاج رقائق β-Ga2O3MBE بأبعاد 10 × 15 مم² باستخدام الترسيب الطبقي. توفر الشركة ركائز بلورية أحادية عالية الجودة من β-Ga2O3 موجهة (010) بسماكة 500 ميكرومتر وعرض نصف القيمة القصوى (FWHM) في حيود الأشعة السينية أقل من 150 ثانية قوسية. الركيزة مُطعَّمة بالقصدير أو الحديد. يحتوي الركيزة الموصلة المشوبة بالقصدير على تركيز تشويب من 1E18 إلى 9E18 سم−3، بينما تحتوي الركيزة شبه العازلة المشوبة بالحديد على مقاومة أعلى من 10E10 أوم سم.

2.2 طريقة MOCVD

تستخدم تقنية الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD) مركبات عضوية معدنية كمواد أولية لترسيب أغشية رقيقة، مما يتيح إنتاجًا تجاريًا واسع النطاق. عند ترسيب أكسيد الغاليوم (Ga₂O₃) باستخدام هذه التقنية، يُستخدم عادةً ثلاثي ميثيل الغاليوم (TMGa) وثلاثي إيثيل الغاليوم (TEGa) وثنائي بنتيل جليكول فورمات (Ga) كمصدر للغاليوم، بينما يُستخدم الماء (H₂O) أو الأكسجين (O₂) أو أكسيد النيتروز (N₂O) كمصدر للأكسجين. يتطلب الترسيب بهذه الطريقة درجات حرارة عالية (>800 درجة مئوية). تتميز هذه التقنية بإمكانية تحقيق تركيز منخفض لحاملات الشحنة وحركية إلكترونية عالية ومنخفضة في درجات الحرارة المرتفعة والمنخفضة، مما يجعلها ذات أهمية بالغة لتطوير أجهزة طاقة عالية الأداء من β-Ga₂O₃. بالمقارنة مع طريقة الترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE)، تتميز تقنية MOCVD بتحقيق معدلات نمو عالية جدًا لأغشية β-Ga₂O₃ نظرًا لخصائصها في الترسيب عند درجات حرارة عالية والتفاعلات الكيميائية.

الشكل 7: صورة β-Ga2O3 (010) AFM

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

2.3 طريقة HVPE

تُعدّ تقنية الترسيب الكيميائي للبخار الهيدروجيني (HVPE) تقنيةً ناضجةً للنمو الطبقي، وقد استُخدمت على نطاق واسع في نمو أشباه الموصلات المركبة من النوع III-V. وتتميز هذه التقنية بانخفاض تكلفة إنتاجها، وسرعة نموها، وسماكة طبقاتها العالية. تجدر الإشارة إلى أن طبقة β-Ga2O3 المُرَسَّبة بتقنية HVPE عادةً ما تُظهر سطحًا خشنًا وكثافة عالية من العيوب والحفر السطحية. لذلك، تتطلب عملية تصنيع الجهاز عمليات تلميع كيميائية وميكانيكية. تستخدم تقنية HVPE لنمو طبقة β-Ga2O3 عادةً غازي GaCl وO2 كمواد أولية لتحفيز التفاعل عند درجة حرارة عالية لمصفوفة (001) β-Ga2O3. يوضح الشكل 9 حالة السطح ومعدل نمو الطبقة الطبقية كدالة لدرجة الحرارة. حققت شركة نوفيل كريستال تكنولوجي اليابانية في السنوات الأخيرة نجاحًا تجاريًا ملحوظًا في مجال ترسيب طبقات β-Ga2O3 المتجانسة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار عالي الحرارة (HVPE)، بسماكات طبقات تتراوح بين 5 و10 ميكرومتر، وبأحجام رقائق تتراوح بين 2 و4 بوصات. إضافةً إلى ذلك، دخلت رقائق β-Ga2O3 المتجانسة بتقنية HVPE بسماكة 20 ميكرومتر، والتي تنتجها شركة مجموعة تكنولوجيا الإلكترونيات الصينية، مرحلة التسويق التجاري.

الشكل 9: طريقة الترسيب الكيميائي للبخار الهيدريدي (HVPE) β-Ga2O3

2.4 طريقة PLD

تُستخدم تقنية الترسيب بالليزر النبضي (PLD) بشكل أساسي لترسيب أغشية الأكاسيد المعقدة والهياكل غير المتجانسة. خلال عملية نمو PLD، تنتقل طاقة الفوتون إلى المادة المستهدفة عبر عملية انبعاث الإلكترونات. على عكس تقنية الترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE)، تتشكل جسيمات مصدر PLD بواسطة إشعاع ليزري ذي طاقة عالية للغاية (>100 إلكترون فولت) ثم تُرسّب على ركيزة ساخنة. مع ذلك، خلال عملية الاستئصال، تصطدم بعض الجسيمات عالية الطاقة بسطح المادة مباشرةً، مما يُحدث عيوبًا نقطية ويُقلل من جودة الغشاء. على غرار طريقة MBE، يُمكن استخدام حيود الإلكترونات عالي الطاقة المنعكس (RHEED) لمراقبة بنية سطح المادة وشكلها في الوقت الفعلي أثناء عملية ترسيب β-Ga2O3 بتقنية PLD، مما يسمح للباحثين بالحصول على معلومات دقيقة حول النمو. من المتوقع أن تُنتج طريقة PLD أغشية β-Ga2O3 عالية التوصيل، مما يجعلها حلاً مثاليًا للوصلات الأومية في أجهزة الطاقة المصنوعة من Ga2O3.

الشكل 10: صورة مجهر القوة الذرية (AFM) لـ Ga2O3 المطعّم بالسيليكون

2.5 طريقة MIST-CVD

تُعدّ تقنية الترسيب الكيميائي للبخار بالرذاذ (MIST-CVD) تقنيةً بسيطةً وفعّالةً من حيث التكلفة لنمو الأغشية الرقيقة. تعتمد هذه الطريقة على رشّ مادة أولية مُذرّرة على ركيزة لتحقيق ترسيب الأغشية الرقيقة. مع ذلك، لا يزال أكسيد الغاليوم (Ga2O3) المُنمّى باستخدام هذه التقنية يفتقر إلى الخصائص الكهربائية الجيدة، مما يفتح المجال واسعًا للتحسين والتطوير في المستقبل.