ऑक्सीकृत स्थायी अनाज और एपीटैक्सियल वृद्धि प्रौद्योगिकी-Ⅱ

2. एपीटैक्सियल पतली फिल्म वृद्धि

सब्सट्रेट Ga2O3 पावर डिवाइस के लिए एक भौतिक समर्थन परत या प्रवाहकीय परत प्रदान करता है। अगली महत्वपूर्ण परत चैनल परत या एपिटैक्सियल परत है जिसका उपयोग वोल्टेज प्रतिरोध और वाहक परिवहन के लिए किया जाता है। ब्रेकडाउन वोल्टेज को बढ़ाने और चालन प्रतिरोध को कम करने के लिए, नियंत्रण योग्य मोटाई और डोपिंग सांद्रता, साथ ही इष्टतम सामग्री की गुणवत्ता, कुछ पूर्वापेक्षाएँ हैं। उच्च गुणवत्ता वाले Ga2O3 एपिटैक्सियल परतों को आम तौर पर आणविक बीम एपिटैक्सी (MBE), धातु कार्बनिक रासायनिक वाष्प जमाव (MOCVD), हैलाइड वाष्प जमाव (HVPE), स्पंदित लेजर जमाव (PLD), और कोहरे CVD आधारित जमाव तकनीकों का उपयोग करके जमा किया जाता है।

तालिका 2 कुछ प्रतिनिधि एपिटैक्सियल प्रौद्योगिकियाँ

2.1 एमबीई विधि

एमबीई तकनीक अपने अल्ट्रा-हाई वैक्यूम वातावरण और उच्च सामग्री शुद्धता के कारण नियंत्रण योग्य एन-टाइप डोपिंग के साथ उच्च-गुणवत्ता, दोष-रहित β-Ga2O3 फिल्में विकसित करने की अपनी क्षमता के लिए प्रसिद्ध है। नतीजतन, यह सबसे व्यापक रूप से अध्ययन की गई और संभावित रूप से व्यावसायिक रूप से उपलब्ध β-Ga2O3 पतली फिल्म जमा करने वाली तकनीकों में से एक बन गई है। इसके अलावा, एमबीई विधि ने उच्च-गुणवत्ता, कम-डोप्ड हेटरोस्ट्रक्चर β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 पतली फिल्म परत को भी सफलतापूर्वक तैयार किया। एमबीई रिफ्लेक्शन हाई एनर्जी इलेक्ट्रॉन डिफ्रेक्शन (आरएचईईडी) का उपयोग करके परमाणु परत परिशुद्धता के साथ वास्तविक समय में सतह संरचना और आकारिकी की निगरानी कर सकता है। हालांकि, एमबीई तकनीक का उपयोग करके विकसित की गई β-Ga2O3 फिल्मों को अभी भी कई चुनौतियों का सामना करना पड़ता है, जैसे कम वृद्धि दर और छोटी फिल्म का आकार। अध्ययन में पाया गया कि वृद्धि दर (010)>(001)>(−201)>(100) के क्रम में थी। 650 से 750 डिग्री सेल्सियस की थोड़ी Ga-समृद्ध स्थितियों के तहत, β-Ga2O3 (010) एक चिकनी सतह और उच्च विकास दर के साथ इष्टतम विकास प्रदर्शित करता है। इस विधि का उपयोग करके, β-Ga2O3 एपिटैक्सी को 0.1 एनएम की RMS खुरदरापन के साथ सफलतापूर्वक प्राप्त किया गया था। β-Ga2O3 Ga-समृद्ध वातावरण में, विभिन्न तापमानों पर विकसित MBE फिल्मों को चित्र में दिखाया गया है। नोवेल क्रिस्टल टेक्नोलॉजी इंक ने 10 × 15mm2 β-Ga2O3MBE वेफर्स का सफलतापूर्वक एपिटैक्सियली उत्पादन किया है। वे 500 μm की मोटाई और 150 आर्क सेकंड से कम XRD FWHM के साथ उच्च गुणवत्ता (010) उन्मुख β-Ga2O3 सिंगल क्रिस्टल सब्सट्रेट प्रदान करते हैं। सब्सट्रेट Sn डोप्ड या Fe डोप्ड है। Sn-डोप्ड चालक सब्सट्रेट में डोपिंग सांद्रता 1E18 से 9E18cm−3 होती है, जबकि लौह-डोप्ड अर्ध-इन्सुलेटिंग सब्सट्रेट की प्रतिरोधकता 10E10 Ω cm से अधिक होती है।

2.2 एमओसीवीडी विधि

MOCVD पतली फिल्मों को विकसित करने के लिए पूर्ववर्ती सामग्रियों के रूप में धातु कार्बनिक यौगिकों का उपयोग करता है, जिससे बड़े पैमाने पर वाणिज्यिक उत्पादन प्राप्त होता है। MOCVD विधि का उपयोग करके Ga2O3 को विकसित करते समय, ट्राइमेथिलगैलियम (TMGa), ट्राइएथिलगैलियम (TEGa) और Ga (डिपेंटाइल ग्लाइकॉल फॉर्मेट) को आमतौर पर Ga स्रोत के रूप में उपयोग किया जाता है, जबकि H2O, O2 या N2O को ऑक्सीजन स्रोत के रूप में उपयोग किया जाता है। इस विधि का उपयोग करके विकास के लिए आमतौर पर उच्च तापमान (>800°C) की आवश्यकता होती है। इस तकनीक में कम वाहक सांद्रता और उच्च और निम्न तापमान इलेक्ट्रॉन गतिशीलता प्राप्त करने की क्षमता है, इसलिए यह उच्च-प्रदर्शन β-Ga2O3 पावर उपकरणों की प्राप्ति के लिए बहुत महत्वपूर्ण है। MBE विकास विधि की तुलना में, MOCVD में उच्च तापमान विकास और रासायनिक प्रतिक्रियाओं की विशेषताओं के कारण β-Ga2O3 फिल्मों की बहुत उच्च विकास दर प्राप्त करने का लाभ है।

चित्र 7 β-Ga2O3 (010) एएफएम छवि

चित्र 8 β-Ga2O3 हॉल और तापमान द्वारा मापी गई μ और शीट प्रतिरोध के बीच संबंध

2.3 एचवीपीई विधि

HVPE एक परिपक्व एपिटैक्सियल तकनीक है और इसका व्यापक रूप से III-V यौगिक अर्धचालकों के एपिटैक्सियल विकास में उपयोग किया गया है। HVPE अपनी कम उत्पादन लागत, तेज़ विकास दर और उच्च फिल्म मोटाई के लिए जाना जाता है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि HVPEβ-Ga2O3 आमतौर पर खुरदरी सतह आकृति विज्ञान और सतह दोषों और गड्ढों के उच्च घनत्व को प्रदर्शित करता है। इसलिए, डिवाइस के निर्माण से पहले रासायनिक और यांत्रिक पॉलिशिंग प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है। β-Ga2O3 एपिटैक्सि के लिए HVPE तकनीक आमतौर पर (001) β-Ga2O3 मैट्रिक्स की उच्च तापमान प्रतिक्रिया को बढ़ावा देने के लिए गैसीय GaCl और O2 का उपयोग अग्रदूतों के रूप में करती है। चित्र 9 तापमान के एक फ़ंक्शन के रूप में एपिटैक्सियल फिल्म की सतह की स्थिति और विकास दर को दर्शाता है। हाल के वर्षों में, जापान की नोवेल क्रिस्टल टेक्नोलॉजी इंक ने एचवीपीई होमोएपिटैक्सियल β-Ga2O3 में महत्वपूर्ण व्यावसायिक सफलता हासिल की है, जिसमें 5 से 10 माइक्रोन की एपिटैक्सियल परत की मोटाई और 2 और 4 इंच के वेफर आकार हैं। इसके अलावा, चाइना इलेक्ट्रॉनिक्स टेक्नोलॉजी ग्रुप कॉरपोरेशन द्वारा उत्पादित 20 माइक्रोन मोटी एचवीपीई β-Ga2O3 होमोएपिटैक्सियल वेफर्स भी व्यावसायीकरण चरण में प्रवेश कर चुके हैं।

चित्र 9 एचवीपीई विधि β-Ga2O3

2.4 पीएलडी विधि

पीएलडी तकनीक का उपयोग मुख्य रूप से जटिल ऑक्साइड फिल्मों और हेटरोस्ट्रक्चर को जमा करने के लिए किया जाता है। पीएलडी वृद्धि प्रक्रिया के दौरान, इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन प्रक्रिया के माध्यम से फोटॉन ऊर्जा को लक्ष्य सामग्री से जोड़ा जाता है। एमबीई के विपरीत, पीएलडी स्रोत कण अत्यधिक उच्च ऊर्जा (> 100 ईवी) के साथ लेजर विकिरण द्वारा बनते हैं और बाद में एक गर्म सब्सट्रेट पर जमा होते हैं। हालांकि, पृथक्करण प्रक्रिया के दौरान, कुछ उच्च-ऊर्जा कण सीधे सामग्री की सतह पर प्रभाव डालेंगे, बिंदु दोष पैदा करेंगे और इस प्रकार फिल्म की गुणवत्ता को कम कर देंगे। एमबीई विधि के समान, RHEED का उपयोग पीएलडी β-Ga2O3 जमा करने की प्रक्रिया के दौरान वास्तविक समय में सामग्री की सतह संरचना और आकृति विज्ञान की निगरानी के लिए किया जा सकता है, जिससे शोधकर्ताओं को वृद्धि की जानकारी सटीक रूप से प्राप्त करने की अनुमति मिलती है। पीएलडी विधि से अत्यधिक प्रवाहकीय β-Ga2O3 फिल्में विकसित होने की उम्मीद है, जो इसे Ga2O3 पावर उपकरणों में एक अनुकूलित ओमिक संपर्क समाधान बनाती है।

चित्र 10 Si डोप्ड Ga2O3 की AFM छवि

2.5 MIST-सीवीडी विधि

MIST-CVD एक अपेक्षाकृत सरल और लागत प्रभावी पतली फिल्म विकास तकनीक है। इस CVD विधि में पतली फिल्म जमाव को प्राप्त करने के लिए एक सब्सट्रेट पर एक परमाणुकृत अग्रदूत को छिड़कने की प्रतिक्रिया शामिल है। हालाँकि, अब तक, धुंध CVD का उपयोग करके उगाए गए Ga2O3 में अभी भी अच्छे विद्युत गुणों का अभाव है, जो भविष्य में सुधार और अनुकूलन के लिए बहुत जगह छोड़ता है।