დაჟანგული მარცვლეულის და ეპიტაქსიური ზრდის ტექნოლოგია-Ⅱ

2. ეპიტაქსიური თხელი ფენის ზრდა

სუბსტრატი უზრუნველყოფს ფიზიკურ საყრდენ ფენას ან გამტარ ფენას Ga2O3-ის ენერგომოწყობილობებისთვის. შემდეგი მნიშვნელოვანი ფენა არის არხის ფენა ან ეპიტაქსიური ფენა, რომელიც გამოიყენება ძაბვის წინააღმდეგობისა და მატარებლების ტრანსპორტირებისთვის. დაშლის ძაბვის გაზრდისა და გამტარობის წინააღმდეგობის მინიმიზაციისთვის, კონტროლირებადი სისქე და დოპირების კონცენტრაცია, ასევე მასალის ოპტიმალური ხარისხი, რამდენიმე წინაპირობაა. მაღალი ხარისხის Ga2O3 ეპიტაქსიური ფენები, როგორც წესი, ილექება მოლეკულური სხივური ეპიტაქსიის (MBE), ლითონის ორგანული ქიმიური ორთქლის დეპონირების (MOCVD), ჰალოგენიდის ორთქლის დეპონირების (HVPE), პულსური ლაზერული დეპონირების (PLD) და ნისლის CVD-ზე დაფუძნებული დეპონირების ტექნიკის გამოყენებით.

ცხრილი 2. ეპიტაქსიური ტექნოლოგიების რამდენიმე წარმომადგენელი

2.1 MBE მეთოდი

MBE ტექნოლოგია ცნობილია თავისი მაღალი ხარისხის, დეფექტებისგან თავისუფალი β-Ga2O3 ფირების კონტროლირებადი n-ტიპის დოპირებით გაზრდის უნარით, მისი ულტრამაღალი ვაკუუმური გარემოსა და მაღალი მასალის სისუფთავის გამო. შედეგად, ის გახდა ერთ-ერთი ყველაზე ფართოდ შესწავლილი და პოტენციურად კომერციალიზებული β-Ga2O3 თხელი ფირის დეპონირების ტექნოლოგია. გარდა ამისა, MBE მეთოდმა ასევე წარმატებით მოამზადა მაღალი ხარისხის, დაბალი დოპირების შემცველობის ჰეტეროსტრუქტურის β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 თხელი ფირის ფენა. MBE-ს შეუძლია ზედაპირის სტრუქტურისა და მორფოლოგიის მონიტორინგი რეალურ დროში ატომური ფენის სიზუსტით, რეფლექსიის მაღალი ენერგიის ელექტრონული დიფრაქციის (RHEED) გამოყენებით. თუმცა, MBE ტექნოლოგიით გაზრდილი β-Ga2O3 ფირები კვლავ მრავალი გამოწვევის წინაშე დგანან, როგორიცაა დაბალი ზრდის ტემპი და ფირის მცირე ზომა. კვლევამ აჩვენა, რომ ზრდის ტემპი იყო (010)>(001)>(−201)>(100) რიგის. Ga-თი ოდნავ მდიდარ პირობებში, 650-დან 750°C-მდე, β-Ga2O3 (010) ავლენს ოპტიმალურ ზრდას გლუვი ზედაპირით და მაღალი ზრდის ტემპით. ამ მეთოდის გამოყენებით, β-Ga2O3 ეპიტაქსია წარმატებით იქნა მიღწეული 0.1 ნმ RMS უხეშობით. β-Ga2O3 Ga-თი მდიდარ გარემოში, სხვადასხვა ტემპერატურაზე გაზრდილი MBE ფირები ნაჩვენებია ნახაზზე. Novel Crystal Technology Inc.-მა წარმატებით ეპიტაქსიურად წარმოადგინა 10 × 15 მმ2 β-Ga2O3MBE ვაფლები. ისინი უზრუნველყოფენ მაღალი ხარისხის (010) ორიენტირებულ β-Ga2O3 მონოკრისტალურ სუბსტრატებს 500 μm სისქით და XRD FWHM-ით 150 რკალური წამის ქვემოთ. სუბსტრატი არის Sn-ით დოპირებული ან Fe-ით დოპირებული. Sn-ით დოპირებულ გამტარ სუბსტრატს აქვს დოპირების კონცენტრაცია 1E18-დან 9E18cm−3-მდე, ხოლო რკინით დოპირებულ ნახევრად იზოლატორულ სუბსტრატს აქვს 10E10 Ω სმ-ზე მაღალი წინაღობა.

2.2 MOCVD მეთოდი

MOCVD იყენებს ლითონის ორგანულ ნაერთებს, როგორც წინამორბედ მასალებს თხელი ფენების გასაზრდელად, რითაც მიიღწევა მასშტაბური კომერციული წარმოება. Ga2O3-ის MOCVD მეთოდით მოყვანისას, Ga-ს წყაროდ ჩვეულებრივ გამოიყენება ტრიმეთილგალიუმი (TMGa), ტრიეთილგალიუმი (TEGa) და Ga (დიპენტილგლიკოლის ფორმატი), ხოლო ჟანგბადის წყაროდ გამოიყენება H2O, O2 ან N2O. ამ მეთოდით ზრდას, როგორც წესი, მაღალი ტემპერატურა (>800°C) სჭირდება. ამ ტექნოლოგიას აქვს პოტენციალი, მიაღწიოს მატარებლების დაბალ კონცენტრაციას და ელექტრონების მობილურობას მაღალ და დაბალ ტემპერატურაზე, ამიტომ მას დიდი მნიშვნელობა აქვს მაღალი ხარისხის β-Ga2O3 ენერგომოწყობილობების რეალიზაციისთვის. MBE ზრდის მეთოდთან შედარებით, MOCVD-ს უპირატესობა აქვს β-Ga2O3 ფენების ძალიან მაღალი ზრდის ტემპის მიღწევაში მაღალ ტემპერატურაზე ზრდისა და ქიმიური რეაქციების მახასიათებლების გამო.

სურათი 7 β-Ga2O3 (010) AFM გამოსახულება

სურათი 8 β-Ga2O3. μ-სა და ჰოლისა და ტემპერატურის მიხედვით გაზომილი ფურცლის წინაღობას შორის დამოკიდებულება.

2.3 HVPE მეთოდი

HVPE არის განვითარებული ეპიტაქსიური ტექნოლოგია და ფართოდ გამოიყენება III-V ნაერთი ნახევარგამტარების ეპიტაქსიურ ზრდაში. HVPE ცნობილია დაბალი წარმოების ღირებულებით, სწრაფი ზრდის ტემპით და მაღალი ფენის სისქით. უნდა აღინიშნოს, რომ HVPEβ-Ga2O3 ჩვეულებრივ ავლენს უხეში ზედაპირის მორფოლოგიას და ზედაპირული დეფექტებისა და ორმოების მაღალ სიმკვრივეს. ამიტომ, მოწყობილობის წარმოებამდე საჭიროა ქიმიური და მექანიკური გაპრიალების პროცესები. β-Ga2O3 ეპიტაქსიის HVPE ტექნოლოგია ჩვეულებრივ იყენებს აირისებრ GaCl-ს და O2-ს, როგორც წინამორბედებს, (001) β-Ga2O3 მატრიცის მაღალტემპერატურული რეაქციის ხელშესაწყობად. სურათი 9 გვიჩვენებს ეპიტაქსიური ფენის ზედაპირის მდგომარეობას და ზრდის ტემპს ტემპერატურის ფუნქციის მიხედვით. ბოლო წლებში იაპონურმა Novel Crystal Technology Inc.-მა მიაღწია მნიშვნელოვან კომერციულ წარმატებას HVPE ჰომოეპიტაქსიურ β-Ga2O3-ში, 5-დან 10 μm-მდე ეპიტაქსიური ფენის სისქით და 2 და 4 ინჩის ვაფლის ზომებით. გარდა ამისა, კომერციალიზაციის ეტაპზე შევიდა China Electronics Technology Group Corporation-ის მიერ წარმოებული 20 μm სისქის HVPE β-Ga2O3 ჰომოეპიტაქსიური ვაფლები.

სურათი 9 HVPE მეთოდი β-Ga2O3

2.4 PLD მეთოდი

PLD ტექნოლოგია ძირითადად გამოიყენება რთული ოქსიდური ფირებისა და ჰეტეროსტრუქტურების დასაფენად. PLD ზრდის პროცესის დროს, ფოტონის ენერგია სამიზნე მასალასთან ელექტრონების ემისიის პროცესის მეშვეობით უკავშირდება. MBE-სგან განსხვავებით, PLD წყაროს ნაწილაკები წარმოიქმნება ლაზერული გამოსხივებით უკიდურესად მაღალი ენერგიით (>100 eV) და შემდგომ ილექება გაცხელებულ სუბსტრატზე. თუმცა, აბლაციის პროცესის დროს, ზოგიერთი მაღალი ენერგიის ნაწილაკი პირდაპირ ზემოქმედებს მასალის ზედაპირზე, ქმნის წერტილოვან დეფექტებს და ამით ამცირებს ფირის ხარისხს. MBE მეთოდის მსგავსად, RHEED შეიძლება გამოყენებულ იქნას მასალის ზედაპირის სტრუქტურისა და მორფოლოგიის რეალურ დროში მონიტორინგისთვის PLD β-Ga2O3 დალექვის პროცესის დროს, რაც მკვლევარებს საშუალებას აძლევს ზუსტად მიიღონ ზრდის შესახებ ინფორმაცია. PLD მეთოდით მოსალოდნელია მაღალი გამტარობის β-Ga2O3 ფირების გაზრდა, რაც მას Ga2O3-ის ენერგომოწყობილობებში ოპტიმიზებულ ომურ კონტაქტურ გადაწყვეტად აქცევს.

სურათი 10 Si-ით დოპირებული Ga2O3-ის AFM გამოსახულება

2.5 MIST-CVD მეთოდი

MIST-CVD შედარებით მარტივი და ეკონომიური თხელი ფენის ზრდის ტექნოლოგიაა. ეს CVD მეთოდი გულისხმობს ატომიზებული პრეკურსორის სუბსტრატზე შესხურების რეაქციას თხელი ფენის დეპონირების მისაღწევად. თუმცა, ჯერჯერობით, ნისლის CVD-ის გამოყენებით მიღებულ Ga2O3-ს ჯერ კიდევ არ გააჩნია კარგი ელექტრული თვისებები, რაც მომავალში გაუმჯობესებისა და ოპტიმიზაციის დიდ ადგილს ტოვებს.