2. Epitaksial nazik təbəqə böyüməsi
Substrat, Ga2O3 güc cihazları üçün fiziki dəstək təbəqəsi və ya keçirici təbəqə təmin edir. Növbəti vacib təbəqə, gərginlik müqaviməti və daşıyıcı daşınması üçün istifadə olunan kanal təbəqəsi və ya epitaksial təbəqədir. Dağılma gərginliyini artırmaq və keçiricilik müqavimətini minimuma endirmək üçün idarə olunan qalınlıq və aşqarlama konsentrasiyası, eləcə də optimal material keyfiyyəti bəzi ilkin şərtlərdir. Yüksək keyfiyyətli Ga2O3 epitaksial təbəqələri adətən molekulyar şüa epitaksisi (MBE), metal üzvi kimyəvi buxar çöküntüsü (MOCVD), halid buxar çöküntüsü (HVPE), impulslu lazer çöküntüsü (PLD) və duman CVD əsaslı çöküntü üsulları ilə çökdürülür.
Cədvəl 2 Bəzi nümunəvi epitaksial texnologiyalar
2.1 MBE metodu
MBE texnologiyası, ultra yüksək vakuum mühiti və yüksək material təmizliyi sayəsində idarəolunan n-tipli aşqarlama ilə yüksək keyfiyyətli, qüsursuz β-Ga2O3 filmləri yetişdirmək qabiliyyəti ilə tanınır. Nəticədə, o, ən geniş öyrənilmiş və potensial olaraq kommersiyalaşdırılan β-Ga2O3 nazik film çökdürmə texnologiyalarından birinə çevrilmişdir. Bundan əlavə, MBE metodu həmçinin yüksək keyfiyyətli, aşağı aşqarlanmış heterostrukturlu β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 nazik film təbəqəsini uğurla hazırlamışdır. MBE, əks etdirmə yüksək enerjili elektron difraksiyasından (RHEED) istifadə edərək, səth quruluşunu və morfologiyasını real vaxt rejimində atom təbəqəsi dəqiqliyi ilə izləyə bilər. Bununla belə, MBE texnologiyasından istifadə edərək yetişdirilən β-Ga2O3 filmləri hələ də aşağı böyümə sürəti və kiçik film ölçüsü kimi bir çox çətinliklərlə üzləşir. Tədqiqat böyümə sürətinin (010)>(001)>(−201)>(100) sırasında olduğunu müəyyən etmişdir. 650-750°C arasında bir qədər Ga ilə zəngin olan şəraitdə β-Ga2O3 (010) hamar səth və yüksək böyümə sürəti ilə optimal böyümə nümayiş etdirir. Bu metoddan istifadə edərək β-Ga2O3 epitaksiyası 0,1 nm RMS pürüzlülüyü ilə uğurla əldə edilmişdir. β-Ga2O3 Ga ilə zəngin olan mühitdə müxtəlif temperaturlarda yetişdirilən MBE filmləri şəkildə göstərilmişdir. Novel Crystal Technology Inc. şirkəti epitaksial olaraq 10 × 15mm2 β-Ga2O3MBE lövhələrini uğurla istehsal etmişdir. Onlar qalınlığı 500 μm və 150 qövs saniyəsindən aşağı XRD FWHM olan yüksək keyfiyyətli (010) yönümlü β-Ga2O3 tək kristal substratlar təmin edir. Substrat Sn və ya Fe ilə zənginləşdirilmişdir. Sn ilə aşqarlanmış keçirici substratın aşqarlanma konsentrasiyası 1E18 ilə 9E18cm−3 arasındadır, dəmir ilə aşqarlanmış yarı izolyasiyaedici substratın isə müqaviməti 10E10 Ω sm-dən yüksəkdir.
2.2 MOCVD metodu
MOCVD, nazik təbəqələr yetişdirmək üçün metal üzvi birləşmələrdən sələf material kimi istifadə edir və bununla da genişmiqyaslı kommersiya istehsalına nail olur. MOCVD metodundan istifadə edərək Ga2O3 yetişdirilərkən, adətən Ga mənbəyi kimi trimetilqallium (TMGa), trietilqallium (TEGa) və Ga (dipentilqlikol format), oksigen mənbəyi kimi isə H2O, O2 və ya N2O istifadə olunur. Bu metoddan istifadə edərək böyümə ümumiyyətlə yüksək temperatur (>800°C) tələb edir. Bu texnologiya aşağı daşıyıcı konsentrasiyasına və yüksək və aşağı temperaturlu elektron hərəkətliliyinə nail olmaq potensialına malikdir, buna görə də yüksək performanslı β-Ga2O3 güc cihazlarının reallaşdırılması üçün böyük əhəmiyyət kəsb edir. MBE böyümə metodu ilə müqayisədə, MOCVD, yüksək temperatur böyüməsi və kimyəvi reaksiyaların xüsusiyyətlərinə görə β-Ga2O3 təbəqələrinin çox yüksək böyümə sürətlərinə nail olmaq üstünlüyünə malikdir.
Şəkil 7 β-Ga2O3 (010) AFM şəkli
Şəkil 8 β-Ga2O3 Hall və temperaturla ölçülən μ və təbəqə müqaviməti arasındakı əlaqə
2.3 HVPE metodu
HVPE yetkin bir epitaksial texnologiyadır və III-V birləşməli yarımkeçiricilərin epitaksial böyüməsində geniş istifadə olunur. HVPE aşağı istehsal xərcləri, sürətli böyümə sürəti və yüksək təbəqə qalınlığı ilə tanınır. Qeyd etmək lazımdır ki, HVPEβ-Ga2O3 adətən kobud səth morfologiyası və səth qüsurlarının və çuxurlarının yüksək sıxlığına malikdir. Buna görə də, cihazı istehsal etməzdən əvvəl kimyəvi və mexaniki cilalama prosesləri tələb olunur. β-Ga2O3 epitaksisi üçün HVPE texnologiyası, adətən (001) β-Ga2O3 matrisinin yüksək temperatur reaksiyasını təşviq etmək üçün qaz halında GaCl və O2-ni sələf kimi istifadə edir. Şəkil 9-da epitaksial təbəqənin səth vəziyyəti və böyümə sürəti temperaturun funksiyası kimi göstərilir. Son illərdə Yaponiyanın Novel Crystal Technology Inc. şirkəti epitaksial təbəqə qalınlığı 5 ilə 10 μm, lövhə ölçüləri isə 2 və 4 düym olan HVPE homoepitaksial β-Ga2O3-də əhəmiyyətli kommersiya uğurları əldə etmişdir. Bundan əlavə, China Electronics Technology Group Corporation tərəfindən istehsal edilən 20 μm qalınlığında HVPE β-Ga2O3 homoepitaksial lövhələri də kommersiyalaşdırma mərhələsinə qədəm qoyub.
Şəkil 9 HVPE metodu β-Ga2O3
2.4 PLD metodu
PLD texnologiyası əsasən mürəkkəb oksid təbəqələri və heterostrukturları çökdürmək üçün istifadə olunur. PLD böyümə prosesi zamanı foton enerjisi elektron emissiya prosesi vasitəsilə hədəf materiala qoşulur. MBE-dən fərqli olaraq, PLD mənbə hissəcikləri son dərəcə yüksək enerjiyə (>100 eV) malik lazer şüalanması ilə əmələ gəlir və sonradan qızdırılmış substrat üzərində çökdürülür. Lakin ablasiya prosesi zamanı bəzi yüksək enerjili hissəciklər material səthinə birbaşa təsir göstərərək nöqtə qüsurları yaradır və beləliklə, təbəqənin keyfiyyətini aşağı salır. MBE metoduna bənzər şəkildə, RHEED, PLD β-Ga2O3 çökdürmə prosesi zamanı materialın səth quruluşunu və morfologiyasını real vaxt rejimində izləmək üçün istifadə edilə bilər ki, bu da tədqiqatçılara böyümə məlumatlarını dəqiq əldə etməyə imkan verir. PLD metodunun yüksək keçiriciliyə malik β-Ga2O3 təbəqələri yetişdirməsi gözlənilir ki, bu da onu Ga2O3 güc cihazlarında optimallaşdırılmış ohmik kontakt həllinə çevirir.
Şəkil 10 Si ilə aşqarlanmış Ga2O3-ün AFM təsviri
2.5 MIST-CVD metodu
MIST-CVD nisbətən sadə və səmərəli nazik təbəqə yetişdirmə texnologiyasıdır. Bu CVD metodu, nazik təbəqə çöküntüsünə nail olmaq üçün atomlaşdırılmış prekursorun substrata püskürtülməsi reaksiyasını əhatə edir. Lakin, bu günə qədər duman CVD istifadə edilərək yetişdirilən Ga2O3 hələ də yaxşı elektrik xüsusiyyətlərinə malik deyil və bu da gələcəkdə təkmilləşdirmə və optimallaşdırma üçün çox yer qoyur.
Yayımlanma vaxtı: 30 may 2024