2. Επιταξιακή ανάπτυξη λεπτής μεμβράνης
Το υπόστρωμα παρέχει ένα φυσικό στρώμα υποστήριξης ή ένα αγώγιμο στρώμα για συσκευές τροφοδοσίας Ga2O3. Το επόμενο σημαντικό στρώμα είναι το στρώμα καναλιού ή το επιταξιακό στρώμα που χρησιμοποιείται για αντίσταση τάσης και μεταφορά φορέων. Προκειμένου να αυξηθεί η τάση διάσπασης και να ελαχιστοποιηθεί η αντίσταση αγωγιμότητας, ορισμένες προϋποθέσεις είναι το ελεγχόμενο πάχος και η συγκέντρωση πρόσμιξης, καθώς και η βέλτιστη ποιότητα υλικού. Τα επιταξιακά στρώματα Ga2O3 υψηλής ποιότητας συνήθως εναποτίθενται χρησιμοποιώντας επιταξία μοριακής δέσμης (MBE), εναπόθεση ατμών μεταλλικών οργανικών χημικών ουσιών (MOCVD), εναπόθεση ατμών αλογονιδίων (HVPE), εναπόθεση παλμικού λέιζερ (PLD) και τεχνικές εναπόθεσης με βάση την ομίχλη CVD.
Πίνακας 2 Ορισμένες αντιπροσωπευτικές επιταξιακές τεχνολογίες
2.1 Μέθοδος MBE
Η τεχνολογία MBE είναι γνωστή για την ικανότητά της να αναπτύσσει υψηλής ποιότητας, χωρίς ελαττώματα, μεμβράνες β-Ga2O3 με ελεγχόμενη πρόσμιξη τύπου n λόγω του εξαιρετικά υψηλού περιβάλλοντος κενού και της υψηλής καθαρότητας του υλικού. Ως αποτέλεσμα, έχει γίνει μια από τις πιο ευρέως μελετημένες και δυνητικά εμπορευματοποιημένες τεχνολογίες εναπόθεσης λεπτών μεμβρανών β-Ga2O3. Επιπλέον, η μέθοδος MBE παρασκεύασε επίσης με επιτυχία ένα στρώμα λεπτής μεμβράνης ετεροδομής β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 υψηλής ποιότητας, χαμηλής πρόσμιξης. Η MBE μπορεί να παρακολουθεί τη δομή και τη μορφολογία της επιφάνειας σε πραγματικό χρόνο με ακρίβεια ατομικής στρώσης χρησιμοποιώντας περίθλαση ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας ανάκλασης (RHEED). Ωστόσο, οι μεμβράνες β-Ga2O3 που αναπτύσσονται χρησιμοποιώντας την τεχνολογία MBE εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν πολλές προκλήσεις, όπως ο χαμηλός ρυθμός ανάπτυξης και το μικρό μέγεθος της μεμβράνης. Η μελέτη διαπίστωσε ότι ο ρυθμός ανάπτυξης ήταν της τάξης των (010)>(001)>(−201)>(100). Υπό συνθήκες ελαφρώς πλούσιες σε Ga, από 650 έως 750°C, το β-Ga2O3 (010) παρουσιάζει βέλτιστη ανάπτυξη με λεία επιφάνεια και υψηλό ρυθμό ανάπτυξης. Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, η επιταξία β-Ga2O3 επιτεύχθηκε με επιτυχία με τραχύτητα RMS 0,1 nm. β-Ga2O3 Σε ένα περιβάλλον πλούσιο σε Ga, οι μεμβράνες MBE που αναπτύχθηκαν σε διαφορετικές θερμοκρασίες φαίνονται στο σχήμα. Η Novel Crystal Technology Inc. παρήγαγε με επιτυχία επιταξιακά wafers β-Ga2O3MBE 10 × 15mm2. Παρέχουν μονοκρυσταλλικά υποστρώματα β-Ga2O3 υψηλής ποιότητας με προσανατολισμό (010) πάχος 500 μm και XRD FWHM κάτω από 150 δευτερόλεπτα τόξου. Το υπόστρωμα είναι προσμιγμένο με Sn ή Fe. Το αγώγιμο υπόστρωμα με προσμίξεις Sn έχει συγκέντρωση προσμίξεων από 1E18 έως 9E18cm−3, ενώ το ημιμονωτικό υπόστρωμα με προσμίξεις σιδήρου έχει ειδική αντίσταση υψηλότερη από 10E10 Ω cm-.
2.2 Μέθοδος MOCVD
Η MOCVD χρησιμοποιεί μεταλλικές οργανικές ενώσεις ως πρόδρομα υλικά για την ανάπτυξη λεπτών μεμβρανών, επιτυγχάνοντας έτσι εμπορική παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Κατά την καλλιέργεια Ga2O3 χρησιμοποιώντας τη μέθοδο MOCVD, το τριμεθυλογάλλιο (TMGa), το τριαιθυλογάλλιο (TEGa) και το Ga (μυρμηκικό διπεντυλογλυκόλης) χρησιμοποιούνται συνήθως ως πηγή Ga, ενώ τα H2O, O2 ή N2O χρησιμοποιούνται ως πηγή οξυγόνου. Η ανάπτυξη με αυτή τη μέθοδο απαιτεί γενικά υψηλές θερμοκρασίες (>800°C). Αυτή η τεχνολογία έχει τη δυνατότητα να επιτύχει χαμηλή συγκέντρωση φορέων και κινητικότητα ηλεκτρονίων σε υψηλή και χαμηλή θερμοκρασία, επομένως έχει μεγάλη σημασία για την υλοποίηση συσκευών ισχύος β-Ga2O3 υψηλής απόδοσης. Σε σύγκριση με τη μέθοδο ανάπτυξης MBE, η MOCVD έχει το πλεονέκτημα της επίτευξης πολύ υψηλών ρυθμών ανάπτυξης μεμβρανών β-Ga2O3 λόγω των χαρακτηριστικών της ανάπτυξης σε υψηλή θερμοκρασία και των χημικών αντιδράσεων.
Εικόνα 7 β-Ga2O3 (010) Εικόνα AFM
Σχήμα 8 β-Ga2O3 Η σχέση μεταξύ μ και αντίστασης φύλλου που μετράται με Hall και θερμοκρασία
2.3 Μέθοδος HVPE
Το HVPE είναι μια ώριμη επιταξιακή τεχνολογία και έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στην επιταξιακή ανάπτυξη σύνθετων ημιαγωγών III-V. Το HVPE είναι γνωστό για το χαμηλό κόστος παραγωγής του, τον γρήγορο ρυθμό ανάπτυξης και το υψηλό πάχος της μεμβράνης. Πρέπει να σημειωθεί ότι το HVPEβ-Ga2O3 συνήθως παρουσιάζει τραχιά μορφολογία επιφάνειας και υψηλή πυκνότητα επιφανειακών ελαττωμάτων και κοιλοτήτων. Επομένως, απαιτούνται χημικές και μηχανικές διεργασίες στίλβωσης πριν από την κατασκευή της συσκευής. Η τεχνολογία HVPE για επιταξία β-Ga2O3 συνήθως χρησιμοποιεί αέριο GaCl και O2 ως προδρόμους για την προώθηση της αντίδρασης υψηλής θερμοκρασίας της μήτρας (001) β-Ga2O3. Το Σχήμα 9 δείχνει την κατάσταση της επιφάνειας και τον ρυθμό ανάπτυξης της επιταξιακής μεμβράνης ως συνάρτηση της θερμοκρασίας. Τα τελευταία χρόνια, η ιαπωνική Novel Crystal Technology Inc. έχει σημειώσει σημαντική εμπορική επιτυχία στο ομοεπιταξιακό β-Ga2O3 HVPE, με πάχη επιταξιακής στρώσης 5 έως 10 μm και μεγέθη πλακιδίων 2 και 4 ιντσών. Επιπλέον, οι ομοεπιταξιακές πλακέτες HVPE β-Ga2O3 πάχους 20 μm που παράγονται από την China Electronics Technology Group Corporation έχουν επίσης εισέλθει στο στάδιο της εμπορευματοποίησης.
Σχήμα 9 Μέθοδος HVPE β-Ga2O3
2.4 Μέθοδος PLD
Η τεχνολογία PLD χρησιμοποιείται κυρίως για την εναπόθεση σύνθετων μεμβρανών οξειδίου και ετεροδομών. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανάπτυξης PLD, η ενέργεια των φωτονίων συνδέεται με το υλικό-στόχο μέσω της διαδικασίας εκπομπής ηλεκτρονίων. Σε αντίθεση με την MBE, τα σωματίδια πηγής PLD σχηματίζονται με ακτινοβολία λέιζερ με εξαιρετικά υψηλή ενέργεια (>100 eV) και στη συνέχεια εναποτίθενται σε ένα θερμαινόμενο υπόστρωμα. Ωστόσο, κατά τη διάρκεια της διαδικασίας αφαίρεσης, ορισμένα σωματίδια υψηλής ενέργειας θα προσκρούσουν άμεσα στην επιφάνεια του υλικού, δημιουργώντας σημειακά ελαττώματα και μειώνοντας έτσι την ποιότητα της μεμβράνης. Παρόμοια με τη μέθοδο MBE, το RHEED μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρακολούθηση της επιφανειακής δομής και της μορφολογίας του υλικού σε πραγματικό χρόνο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εναπόθεσης PLD β-Ga2O3, επιτρέποντας στους ερευνητές να λαμβάνουν με ακρίβεια πληροφορίες ανάπτυξης. Η μέθοδος PLD αναμένεται να αναπτύξει μεμβράνες β-Ga2O3 υψηλής αγωγιμότητας, καθιστώντας την μια βελτιστοποιημένη λύση ωμικής επαφής σε συσκευές ισχύος Ga2O3.
Σχήμα 10 Εικόνα AFM Ga2O3 με πρόσμιξη Si
2.5 Μέθοδος MIST-CVD
Η MIST-CVD είναι μια σχετικά απλή και οικονομικά αποδοτική τεχνολογία ανάπτυξης λεπτής μεμβράνης. Αυτή η μέθοδος CVD περιλαμβάνει την αντίδραση ψεκασμού ενός ψεκασμένου προδρόμου σε ένα υπόστρωμα για την επίτευξη εναπόθεσης λεπτής μεμβράνης. Ωστόσο, μέχρι στιγμής, το Ga2O3 που αναπτύσσεται με χρήση CVD σε μορφή ομίχλης εξακολουθεί να μην διαθέτει καλές ηλεκτρικές ιδιότητες, γεγονός που αφήνει πολλά περιθώρια βελτίωσης και βελτιστοποίησης στο μέλλον.
Ώρα δημοσίευσης: 30 Μαΐου 2024