טכנולוגיית גידול אפיטקסיאלי וחמצון של גרגרים עומדים - Ⅱ

2. גידול שכבה דקה אפיטקסיאלית

המצע מספק שכבת תמיכה פיזית או שכבה מוליכה להתקני כוח Ga2O3. השכבה החשובה הבאה היא שכבת התעלה או השכבה האפיטקסיאלית המשמשת להתנגדות מתח והובלת נושאי מטען. על מנת להגביר את מתח הפריצה ולמזער את התנגדות ההולכה, עובי וריכוז סימום ניתנים לשליטה, כמו גם איכות חומר אופטימלית, הם כמה תנאים מוקדמים. שכבות אפיטקסיאליות Ga2O3 באיכות גבוהה מופקדות בדרך כלל באמצעות אפיטקסיה של קרן מולקולרית (MBE), שקיעת אדים כימית אורגנית מתכתית (MOCVD), שקיעת אדים הלידית (HVPE), שקיעת לייזר פועם (PLD), וטכניקות שקיעת CVD מבוססות ערפל.

טבלה 2 כמה טכנולוגיות אפיטקסיאליות מייצגות

2.1 שיטת MBE

טכנולוגיית MBE ידועה ביכולתה לגדל סרטי β-Ga2O3 באיכות גבוהה וללא פגמים עם סימום מסוג n נשלט הודות לסביבת הוואקום הגבוהה במיוחד וטוהר החומר הגבוה. כתוצאה מכך, היא הפכה לאחת מטכנולוגיות השקיעה הדקה של β-Ga2O3 הנחקרות ביותר ובעלות פוטנציאל מסחרי. בנוסף, שיטת MBE הכינה בהצלחה גם שכבת סרט דקה של β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 הטרו-מבנה באיכות גבוהה ובעלת סימום נמוך. MBE יכולה לנטר את מבנה פני השטח והמורפולוגיה בזמן אמת בדיוק של שכבה אטומית באמצעות דיפרקציית אלקטרונים באנרגיה גבוהה (RHEED) בהחזרה. עם זאת, סרטי β-Ga2O3 שגודלו באמצעות טכנולוגיית MBE עדיין מתמודדים עם אתגרים רבים, כגון קצב צמיחה נמוך וגודל סרט קטן. המחקר מצא שקצב הצמיחה היה בסדר גודל של (010)>(001)>(-201)>(100). בתנאים עשירים מעט בגלם (Ga2O3) של 650 עד 750 מעלות צלזיוס, β-Ga2O3 (010) מציג צמיחה אופטימלית עם משטח חלק וקצב צמיחה גבוה. באמצעות שיטה זו, הושגה בהצלחה אפיטקסיה של β-Ga2O3 עם חספוס RMS של 0.1 ננומטר. β-Ga2O3 בסביבה עשירה בגלם, סרטי MBE שגודלו בטמפרטורות שונות מוצגים באיור. חברת Novel Crystal Technology Inc. ייצרה בהצלחה באופן אפיטקסיאלי פרוסות β-Ga2O3MBE בגודל 10 × 15 מ"מ². הן מספקות מצעים גבישיים יחידים β-Ga2O3 בעלי אוריינטציה (010) באיכות גבוהה בעובי של 500 מיקרון ו-FWHM XRD מתחת ל-150 שניות קשת. המצע מסומם ב-Sn או מסומם ב-Fe. למצע המוליך המסומם ב-Sn יש ריכוז סימום של 1E18 עד 9E18cm⁻³, בעוד שלמצע מבודד למחצה מסומם בברזל יש התנגדות גבוהה מ-10E10 Ω cm⁻¹.

2.2 שיטת MOCVD

MOCVD משתמש בתרכובות מתכת אורגניות כחומרי קדם לגידול שכבות דקות, ובכך משיג ייצור מסחרי בקנה מידה גדול. בעת גידול Ga2O3 בשיטת MOCVD, משתמשים בדרך כלל בטרימתילגליום (TMGa), טריאתילגליום (TEGa) ו-Ga (דיפנטיל גליקול פורמט) כמקור Ga, בעוד ש-H2O, O2 או N2O משמשים כמקור חמצן. גידול בשיטה זו דורש בדרך כלל טמפרטורות גבוהות (>800°C). לטכנולוגיה זו פוטנציאל להשיג ריכוז נשא נמוך וניידות אלקטרונים בטמפרטורה גבוהה ונמוכה, ולכן היא בעלת חשיבות רבה למימוש התקני הספק β-Ga2O3 בעלי ביצועים גבוהים. בהשוואה לשיטת הגידול MBE, ל-MOCVD יש יתרון של השגת שיעורי גידול גבוהים מאוד של שכבות β-Ga2O3 בשל מאפייני הגידול בטמפרטורה גבוהה ותגובות כימיות.

איור 7 תמונת β-Ga2O3 (010) AFM

איור 8 β-Ga2O3 הקשר בין μ לבין התנגדות היריעות הנמדדת על ידי הול וטמפרטורה

2.3 שיטת HVPE

HVPE היא טכנולוגיה אפיטקסיאלית בוגרת ונמצאת בשימוש נרחב בגידול אפיטקסיאלי של מוליכים למחצה מורכבים III-V. HVPE ידוע בעלות הייצור הנמוכה שלו, קצב הגידול המהיר שלו ועובי השכבה הגבוה. יש לציין כי HVPEβ-Ga2O3 בדרך כלל מציג מורפולוגיה של פני השטח המחוספסים וצפיפות גבוהה של פגמים ובורות פני השטח. לכן, נדרשים תהליכי ליטוש כימיים ומכניים לפני ייצור המכשיר. טכנולוגיית HVPE לאפיטקסיה של β-Ga2O3 משתמשת בדרך כלל ב-GaCl ו-O2 גזיים כקודמנים כדי לקדם את התגובה בטמפרטורה גבוהה של מטריצת (001) β-Ga2O3. איור 9 מציג את מצב פני השטח וקצב הגידול של השכבה האפיטקסיאלית כפונקציה של הטמפרטורה. בשנים האחרונות, חברת Novel Crystal Technology Inc. היפנית השיגה הצלחה מסחרית משמעותית ב-HVPE הומואפיטקסיאלי β-Ga2O3, עם עובי שכבה אפיטקסיאלית של 5 עד 10 מיקרון וגדלי פרוסות של 2 ו-4 אינץ'. בנוסף, פרוסות הומואפיטקסיאליות HVPE β-Ga2O3 בעובי 20 מיקרון המיוצרות על ידי China Electronics Technology Group Corporation נכנסו גם הן לשלב המסחור.

איור 9 שיטת HVPE β-Ga2O3

2.4 שיטת PLD

טכנולוגיית PLD משמשת בעיקר לשקיעת שכבות תחמוצת מורכבות ומבנים הטרוניים. במהלך תהליך גידול PLD, אנרגיית פוטון מצומדת לחומר המטרה באמצעות תהליך פליטת אלקטרונים. בניגוד ל-MBE, חלקיקי מקור PLD נוצרים על ידי קרינת לייזר בעלת אנרגיה גבוהה במיוחד (>100 eV) ולאחר מכן מופקדים על מצע מחומם. עם זאת, במהלך תהליך האבלציה, חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה מסוימים יפגעו ישירות בפני החומר, ויצרו פגמים נקודתיים ובכך יפחיתו את איכות הסרט. בדומה לשיטת MBE, ניתן להשתמש ב-RHEED כדי לנטר את מבנה פני השטח והמורפולוגיה של החומר בזמן אמת במהלך תהליך שקיעת β-Ga2O3 ב-PLD, מה שמאפשר לחוקרים לקבל במדויק מידע על גידול. שיטת PLD צפויה לגדל שכבות β-Ga2O3 מוליכות גבוהה, מה שהופך אותה לפתרון מגע אוהמי אופטימלי בהתקני כוח Ga2O3.

איור 10 תמונת AFM של Ga2O3 מסומם בסיליקון

2.5 שיטת MIST-CVD

MIST-CVD היא טכנולוגיית גידול שכבה דקה פשוטה יחסית וחסכונית. שיטת CVD זו כוללת ריסוס חומר קדם אטומי על גבי מצע כדי להשיג שקיעת שכבה דקה. עם זאת, עד כה, Ga2O3 שגודל באמצעות CVD ערפל עדיין חסר תכונות חשמליות טובות, מה שמשאיר מקום רב לשיפור ואופטימיזציה בעתיד.