ऑक्सीकृत स्थिर अनाज और एपिटैक्सियल वृद्धि प्रौद्योगिकी-Ⅱ

2. एपिटैक्सियल पतली फिल्म वृद्धि

सबस्ट्रेट Ga2O3 पावर उपकरणों के लिए भौतिक सपोर्ट लेयर या कंडक्टिव लेयर प्रदान करता है। अगली महत्वपूर्ण लेयर चैनल लेयर या एपिटैक्सियल लेयर है, जिसका उपयोग वोल्टेज प्रतिरोध और कैरियर परिवहन के लिए किया जाता है। ब्रेकडाउन वोल्टेज बढ़ाने और कंडक्शन प्रतिरोध को कम करने के लिए, नियंत्रित मोटाई और डोपिंग सांद्रता, साथ ही इष्टतम सामग्री गुणवत्ता, कुछ आवश्यक शर्तें हैं। उच्च गुणवत्ता वाली Ga2O3 एपिटैक्सियल लेयर्स आमतौर पर मॉलिक्यूलर बीम एपिटैक्सी (MBE), मेटल ऑर्गेनिक केमिकल वेपर डिपोजिशन (MOCVD), हैलाइड वेपर डिपोजिशन (HVPE), पल्स्ड लेजर डिपोजिशन (PLD), और फॉग CVD आधारित डिपोजिशन तकनीकों का उपयोग करके जमा की जाती हैं।

तालिका 2 कुछ प्रतिनिधि एपिटैक्सियल प्रौद्योगिकियां

2.1 एमबीई विधि

MBE तकनीक अपनी अति उच्च निर्वात वातावरण और उच्च शुद्धता के कारण नियंत्रणीय n-प्रकार डोपिंग के साथ उच्च गुणवत्ता वाली, दोषरहित β-Ga2O3 फिल्मों को विकसित करने की क्षमता के लिए प्रसिद्ध है। परिणामस्वरूप, यह β-Ga2O3 पतली फिल्म निक्षेपण तकनीकों में से एक बन गई है, जिसका व्यापक रूप से अध्ययन किया गया है और जिसके व्यावसायीकरण की संभावना है। इसके अतिरिक्त, MBE विधि ने उच्च गुणवत्ता वाली, कम डोपिंग वाली हेटरोस्ट्रक्चर β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 पतली फिल्म परत को भी सफलतापूर्वक तैयार किया है। MBE परावर्तन उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉन विवर्तन (RHEED) का उपयोग करके परमाणु स्तर की सटीकता के साथ वास्तविक समय में सतह संरचना और आकृति विज्ञान की निगरानी कर सकता है। हालांकि, MBE तकनीक का उपयोग करके विकसित β-Ga2O3 फिल्मों को अभी भी कई चुनौतियों का सामना करना पड़ता है, जैसे कि कम वृद्धि दर और छोटा फिल्म आकार। अध्ययन में पाया गया कि वृद्धि दर का क्रम (010)>(001)>(−201)>(100) था। 650 से 750°C के थोड़े Ga-समृद्ध परिस्थितियों में, β-Ga2O3 (010) चिकनी सतह और उच्च वृद्धि दर के साथ इष्टतम वृद्धि प्रदर्शित करता है। इस विधि का उपयोग करके, 0.1 nm की RMS खुरदरापन के साथ β-Ga2O3 एपिटैक्सी सफलतापूर्वक प्राप्त की गई। Ga-समृद्ध वातावरण में, विभिन्न तापमानों पर विकसित β-Ga2O3 MBE फिल्मों को चित्र में दिखाया गया है। नोवेल क्रिस्टल टेक्नोलॉजी इंक. ने सफलतापूर्वक 10 × 15mm² β-Ga2O3MBE वेफर्स का एपिटैक्सियल उत्पादन किया है। ये 500 μm की मोटाई और 150 आर्क सेकंड से कम XRD FWHM वाले उच्च गुणवत्ता वाले (010) उन्मुख β-Ga2O3 एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट प्रदान करते हैं। सब्सट्रेट Sn या Fe डोप्ड है। Sn-मिश्रित चालक सब्सट्रेट में डोपिंग सांद्रता 1E18 से 9E18cm−3 तक होती है, जबकि आयरन-मिश्रित अर्ध-अचालक सब्सट्रेट का प्रतिरोध 10E10 Ω cm से अधिक होता है।

2.2 एमओसीवीडी विधि

MOCVD विधि में पतली फिल्मों को विकसित करने के लिए धातु कार्बनिक यौगिकों का उपयोग अग्रदूत सामग्री के रूप में किया जाता है, जिससे बड़े पैमाने पर वाणिज्यिक उत्पादन संभव हो पाता है। MOCVD विधि से Ga2O3 विकसित करते समय, आमतौर पर Ga स्रोत के रूप में ट्राइमिथाइलगैलियम (TMGa), ट्राइएथाइलगैलियम (TEGa) और Ga (डाइपेंटाइल ग्लाइकॉल फॉर्मेट) का उपयोग किया जाता है, जबकि ऑक्सीजन स्रोत के रूप में H2O, O2 या N2O का उपयोग किया जाता है। इस विधि से विकास के लिए आमतौर पर उच्च तापमान (>800°C) की आवश्यकता होती है। इस तकनीक में कम वाहक सांद्रता और उच्च एवं निम्न तापमान इलेक्ट्रॉन गतिशीलता प्राप्त करने की क्षमता है, इसलिए उच्च-प्रदर्शन वाले β-Ga2O3 विद्युत उपकरणों के निर्माण में इसका बहुत महत्व है। MBE विकास विधि की तुलना में, MOCVD विधि 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 विधि द्वारा मापी गई μ और शीट प्रतिरोध तथा तापमान के बीच संबंध

2.3 एचवीपीई विधि

एचवीपीई एक परिपक्व एपिटैक्सियल तकनीक है और इसका व्यापक रूप से तृतीय-V यौगिक अर्धचालकों के एपिटैक्सियल विकास में उपयोग किया जाता है। एचवीपीई अपनी कम उत्पादन लागत, तीव्र विकास दर और उच्च फिल्म मोटाई के लिए जानी जाती है। यह ध्यान देने योग्य है कि एचवीपीई β-Ga2O3 में आमतौर पर खुरदरी सतह आकृति विज्ञान और सतह दोषों और गड्ढों का उच्च घनत्व होता है। इसलिए, उपकरण के निर्माण से पहले रासायनिक और यांत्रिक पॉलिशिंग प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है। β-Ga2O3 एपिटैक्सी के लिए एचवीपीई 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 फलन 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 5 से 10 माइक्रोमीटर मोटाई और 2 और 4 इंच के वेफर आकार वाले एचवीपीई होमोएपिटैक्सियल β-Ga2O3 में महत्वपूर्ण व्यावसायिक सफलता प्राप्त की है। इसके अतिरिक्त, चाइना इलेक्ट्रॉनिक्स टेक्नोलॉजी ग्रुप कॉर्पोरेशन द्वारा उत्पादित 20 माइक्रोमीटर मोटाई वाले एचवीपीई β-Ga2O3 होमोएपिटैक्सियल वेफर्स भी व्यावसायीकरण के 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 में स्थानांतरित किया जाता है। एमबीई के विपरीत, पीएलडी स्रोत कण अत्यंत उच्च ऊर्जा (>100 eV) वाले लेजर विकिरण द्वारा निर्मित होते हैं और बाद में एक गर्म सब्सट्रेट पर जमा किए जाते हैं। हालांकि, अपघर्षण प्रक्रिया के दौरान, कुछ उच्च-ऊर्जा कण सीधे सामग्री की सतह पर प्रभाव डालते हैं, जिससे बिंदु दोष उत्पन्न होते हैं और इस प्रकार फिल्म की गुणवत्ता कम हो जाती है। एमबीई विधि के समान, आरएचईईडी का उपयोग पीएलडी β-Ga2O3 जमाव प्रक्रिया के दौरान वास्तविक समय में सामग्री की सतह संरचना और आकारिकी की निगरानी के लिए किया जा सकता है, जिससे शोधकर्ताओं को वृद्धि संबंधी सटीक जानकारी प्राप्त करने में मदद मिलती है। पीएलडी विधि से अत्यधिक सुचालक β-Ga2O3 फिल्मों की वृद्धि की उम्मीद है, जिससे यह Ga2O3 विद्युत उपकरणों में एक अनुकूलित ओमिक संपर्क समाधान बन जाता है।

चित्र 10 Si डोप्ड Ga2O3 की AFM छवि

2.5 एमआईएसटी-सीवीडी विधि

मिस्ट-सीवीडी एक अपेक्षाकृत सरल और किफायती पतली फिल्म निर्माण तकनीक है। इस सीवीडी विधि में पतली फिल्म जमाव प्राप्त करने के लिए एक सब्सट्रेट पर परमाणुकृत अग्रदूत का छिड़काव किया जाता है। हालांकि, अभी तक, मिस्ट सीवीडी का उपयोग करके विकसित Ga2O3 में अच्छे विद्युत गुणों की कमी है, जिससे भविष्य में सुधार और अनुकूलन की काफी गुंजाइश है।