دانه ایستاده اکسید شده و فناوری رشد اپیتاکسیال - Ⅱ

۲. رشد لایه نازک اپیتاکسیال

زیرلایه یک لایه پشتیبان فیزیکی یا لایه رسانا برای دستگاه‌های قدرت Ga2O3 فراهم می‌کند. لایه مهم بعدی، لایه کانال یا لایه اپیتاکسیال است که برای مقاومت ولتاژ و انتقال حامل استفاده می‌شود. به منظور افزایش ولتاژ شکست و به حداقل رساندن مقاومت رسانایی، ضخامت و غلظت آلایش قابل کنترل و همچنین کیفیت بهینه مواد، از پیش‌نیازها هستند. لایه‌های اپیتاکسیال Ga2O3 با کیفیت بالا معمولاً با استفاده از اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE)، رسوب بخار شیمیایی آلی فلزی (MOCVD)، رسوب بخار هالید (HVPE)، رسوب لیزر پالسی (PLD) و تکنیک‌های رسوب‌گذاری مبتنی بر Fog CVD رسوب‌گذاری می‌شوند.

جدول 2 برخی از فناوری‌های اپیتاکسیال نمونه

۲.۱ روش MBE

فناوری MBE به دلیل توانایی‌اش در رشد لایه‌های نازک β-Ga2O3 با کیفیت بالا و بدون نقص و با آلایش نوع n قابل کنترل، به دلیل محیط خلاء فوق العاده بالا و خلوص بالای مواد، مشهور است. در نتیجه، این فناوری به یکی از پرکاربردترین و بالقوه‌ترین فناوری‌های رسوب لایه نازک β-Ga2O3 تبدیل شده است. علاوه بر این، روش MBE همچنین با موفقیت یک لایه نازک هتروساختار β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 با کیفیت بالا و آلایش کم تهیه کرد. MBE می‌تواند ساختار و مورفولوژی سطح را در زمان واقعی با دقت لایه اتمی با استفاده از پراش الکترونی پرانرژی بازتابی (RHEED) رصد کند. با این حال، لایه‌های β-Ga2O3 رشد یافته با استفاده از فناوری MBE هنوز با چالش‌های زیادی مانند نرخ رشد پایین و اندازه کوچک لایه مواجه هستند. این مطالعه نشان داد که نرخ رشد به ترتیب (010)>(001)>(-201)>(100) است. در شرایط کمی غنی از Ga در دمای 650 تا 750 درجه سانتیگراد، β-Ga2O3 (010) رشد بهینه با سطح صاف و سرعت رشد بالا را نشان می‌دهد. با استفاده از این روش، اپیتاکسی β-Ga2O3 با زبری RMS 0.1 نانومتر با موفقیت حاصل شد. β-Ga2O3 در یک محیط غنی از Ga، لایه‌های MBE رشد یافته در دماهای مختلف در شکل نشان داده شده است. شرکت Novel Crystal Technology Inc. با موفقیت ویفرهای β-Ga2O3MBE با ابعاد 10 × 15 میلی‌متر مربع را به صورت اپیتاکسی تولید کرده است. آنها زیرلایه‌های تک کریستالی β-Ga2O3 با جهت‌گیری (010) با کیفیت بالا و ضخامت 500 میکرومتر و XRD FWHM زیر 150 ثانیه قوسی ارائه می‌دهند. زیرلایه با Sn یا Fe آلاییده شده است. زیرلایه رسانای آلاییده شده با قلع، غلظت آلاییدگی بین 1E18 تا 9E18cm−3 دارد، در حالی که زیرلایه نیمه عایق آلاییده شده با آهن، مقاومتی بالاتر از 10E10 Ω cm دارد.

۲.۲ روش MOCVD

MOCVD از ترکیبات آلی فلزی به عنوان مواد اولیه برای رشد لایه‌های نازک استفاده می‌کند و در نتیجه به تولید تجاری در مقیاس بزرگ دست می‌یابد. هنگام رشد Ga2O3 با استفاده از روش MOCVD، معمولاً از تری متیل گالیوم (TMGa)، تری اتیل گالیوم (TEGa) و Ga (دی پنتیل گلیکول فرمات) به عنوان منبع Ga استفاده می‌شود، در حالی که از H2O، O2 یا N2O به عنوان منبع اکسیژن استفاده می‌شود. رشد با استفاده از این روش عموماً به دماهای بالا (>800 درجه سانتیگراد) نیاز دارد. این فناوری پتانسیل دستیابی به غلظت کم حامل و تحرک الکترون در دمای بالا و پایین را دارد، بنابراین برای تحقق دستگاه‌های قدرت β-Ga2O3 با کارایی بالا از اهمیت زیادی برخوردار است. در مقایسه با روش رشد MBE، MOCVD به دلیل ویژگی‌های رشد در دمای بالا و واکنش‌های شیمیایی، از مزیت دستیابی به نرخ رشد بسیار بالای لایه‌های β-Ga2O3 برخوردار است.

شکل 7 β-Ga2O3 (010) تصویر AFM

شکل 8 β-Ga2O3 رابطه بین μ و مقاومت صفحه‌ای اندازه‌گیری شده توسط هال و دما

۲.۳ روش HVPE

HVPE یک فناوری اپیتاکسیال بالغ است و به طور گسترده در رشد اپیتاکسیال نیمه‌رساناهای مرکب III-V مورد استفاده قرار گرفته است. HVPE به دلیل هزینه تولید پایین، سرعت رشد سریع و ضخامت بالای لایه شناخته شده است. لازم به ذکر است که HVPEβ-Ga2O3 معمولاً مورفولوژی سطح خشن و چگالی بالای نقص‌ها و حفره‌های سطحی را نشان می‌دهد. بنابراین، فرآیندهای صیقل‌دهی شیمیایی و مکانیکی قبل از ساخت دستگاه مورد نیاز است. فناوری HVPE برای اپیتاکسی β-Ga2O3 معمولاً از GaCl و O2 گازی به عنوان پیش‌ساز برای پیشبرد واکنش دمای بالای ماتریس (001) β-Ga2O3 استفاده می‌کند. شکل 9 وضعیت سطح و سرعت رشد لایه اپیتاکسیال را به عنوان تابعی از دما نشان می‌دهد. در سال‌های اخیر، شرکت ژاپنی Novel Crystal Technology Inc. به موفقیت تجاری قابل توجهی در HVPE homoepitaxial β-Ga2O3 با ضخامت لایه اپیتاکسیال 5 تا 10 میکرومتر و اندازه ویفر 2 و 4 اینچ دست یافته است. علاوه بر این، ویفرهای همواپیتکسی HVPE β-Ga2O3 با ضخامت 20 میکرومتر که توسط شرکت China Electronics Technology Group تولید شده‌اند، نیز وارد مرحله تجاری‌سازی شده‌اند.

شکل 9 روش HVPE β-Ga2O3

۲.۴ روش PLD

فناوری PLD عمدتاً برای رسوب‌دهی لایه‌های اکسیدی پیچیده و ساختارهای ناهمگن استفاده می‌شود. در طول فرآیند رشد PLD، انرژی فوتون از طریق فرآیند انتشار الکترون به ماده هدف متصل می‌شود. برخلاف MBE، ذرات منبع PLD توسط تابش لیزر با انرژی بسیار بالا (>100 eV) تشکیل می‌شوند و متعاقباً روی یک زیرلایه گرم رسوب می‌کنند. با این حال، در طول فرآیند فرسایش، برخی از ذرات پرانرژی مستقیماً بر سطح ماده تأثیر می‌گذارند و باعث ایجاد نقص‌های نقطه‌ای می‌شوند و در نتیجه کیفیت لایه را کاهش می‌دهند. مشابه روش MBE، RHEED می‌تواند برای نظارت بر ساختار سطح و مورفولوژی ماده در زمان واقعی در طول فرآیند رسوب‌گذاری PLD β-Ga2O3 استفاده شود و به محققان اجازه می‌دهد تا اطلاعات رشد را به طور دقیق به دست آورند. انتظار می‌رود روش PLD لایه‌های β-Ga2O3 با رسانایی بالا را رشد دهد و آن را به یک محلول تماس اهمی بهینه در دستگاه‌های قدرت Ga2O3 تبدیل کند.

شکل 10 تصویر AFM از Ga2O3 آلاییده شده با Si

۲.۵ روش MIST-CVD

MIST-CVD یک فناوری رشد لایه نازک نسبتاً ساده و مقرون به صرفه است. این روش CVD شامل واکنش اسپری کردن یک پیش‌ساز اتمیزه شده روی یک زیرلایه برای دستیابی به رسوب لایه نازک است. با این حال، تاکنون، Ga2O3 رشد یافته با استفاده از Mist CVD هنوز فاقد خواص الکتریکی خوبی است، که جای زیادی برای بهبود و بهینه‌سازی در آینده باقی می‌گذارد.