ഓക്സിഡൈസ്ഡ് സ്റ്റാൻഡിംഗ് ഗ്രെയിൻ ആൻഡ് എപ്പിറ്റാക്സിയൽ ഗ്രോത്ത് ടെക്നോളജി-Ⅱ

2. എപ്പിറ്റാക്സിയൽ നേർത്ത ഫിലിം വളർച്ച

Ga2O3 പവർ ഉപകരണങ്ങൾക്ക് ഒരു ഭൗതിക പിന്തുണ പാളി അല്ലെങ്കിൽ ചാലക പാളി സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് നൽകുന്നു. അടുത്ത പ്രധാന പാളി വോൾട്ടേജ് പ്രതിരോധത്തിനും കാരിയർ ഗതാഗതത്തിനും ഉപയോഗിക്കുന്ന ചാനൽ പാളി അല്ലെങ്കിൽ എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളിയാണ്. ബ്രേക്ക്ഡൗൺ വോൾട്ടേജ് വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിനും ചാലക പ്രതിരോധം കുറയ്ക്കുന്നതിനും, നിയന്ത്രിക്കാവുന്ന കനവും ഡോപ്പിംഗ് സാന്ദ്രതയും, ഒപ്റ്റിമൽ മെറ്റീരിയൽ ഗുണനിലവാരവും ചില മുൻവ്യവസ്ഥകളാണ്. ഉയർന്ന നിലവാരമുള്ള Ga2O3 എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളികൾ സാധാരണയായി മോളിക്യുലാർ ബീം എപ്പിറ്റാക്സി (MBE), ലോഹ ജൈവ രാസ നീരാവി നിക്ഷേപം (MOCVD), ഹാലൈഡ് നീരാവി നിക്ഷേപം (HVPE), പൾസ്ഡ് ലേസർ നിക്ഷേപം (PLD), ഫോഗ് CVD അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ള നിക്ഷേപ രീതികൾ എന്നിവ ഉപയോഗിച്ചാണ് നിക്ഷേപിക്കുന്നത്.

പട്ടിക 2 ചില പ്രാതിനിധ്യ എപ്പിറ്റാക്സിയൽ സാങ്കേതികവിദ്യകൾ

2.1 എംബിഇ രീതി

അൾട്രാ-ഹൈ വാക്വം എൻവയോൺമെന്റും ഉയർന്ന മെറ്റീരിയൽ പ്യൂരിറ്റിയും കാരണം നിയന്ത്രിക്കാവുന്ന n-ടൈപ്പ് ഡോപ്പിംഗ് ഉപയോഗിച്ച് ഉയർന്ന നിലവാരമുള്ളതും വൈകല്യങ്ങളില്ലാത്തതുമായ β-Ga2O3 ഫിലിമുകൾ വളർത്താനുള്ള കഴിവിന് MBE സാങ്കേതികവിദ്യ പ്രശസ്തമാണ്. തൽഫലമായി, ഏറ്റവും വ്യാപകമായി പഠിക്കപ്പെട്ടതും വാണിജ്യവൽക്കരിക്കപ്പെട്ടതുമായ β-Ga2O3 നേർത്ത ഫിലിം ഡിപ്പോസിഷൻ സാങ്കേതികവിദ്യകളിൽ ഒന്നായി ഇത് മാറിയിരിക്കുന്നു. കൂടാതെ, MBE രീതി ഉയർന്ന നിലവാരമുള്ള, കുറഞ്ഞ ഡോപ്പ് ചെയ്ത ഹെറ്ററോസ്ട്രക്ചർ β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 നേർത്ത ഫിലിം പാളി വിജയകരമായി തയ്യാറാക്കി. പ്രതിഫലന ഉയർന്ന ഊർജ്ജ ഇലക്ട്രോൺ ഡിഫ്രാക്ഷൻ (RHEED) ഉപയോഗിച്ച് MBE-ക്ക് ആറ്റോമിക് പാളി കൃത്യതയോടെ ഉപരിതല ഘടനയും രൂപഘടനയും തത്സമയം നിരീക്ഷിക്കാൻ കഴിയും. എന്നിരുന്നാലും, MBE സാങ്കേതികവിദ്യ ഉപയോഗിച്ച് വളർത്തിയ β-Ga2O3 ഫിലിമുകൾ ഇപ്പോഴും കുറഞ്ഞ വളർച്ചാ നിരക്ക്, ചെറിയ ഫിലിം വലുപ്പം തുടങ്ങിയ നിരവധി വെല്ലുവിളികൾ നേരിടുന്നു. വളർച്ചാ നിരക്ക് (010)>(001)>(−201)>(100) എന്ന ക്രമത്തിലാണെന്ന് പഠനം കണ്ടെത്തി. 650 മുതൽ 750°C വരെയുള്ള അൽപ്പം Ga-സമ്പന്നമായ സാഹചര്യങ്ങളിൽ, β-Ga2O3 (010) മിനുസമാർന്ന പ്രതലവും ഉയർന്ന വളർച്ചാ നിരക്കും ഉള്ള ഒപ്റ്റിമൽ വളർച്ച കാണിക്കുന്നു. ഈ രീതി ഉപയോഗിച്ച്, 0.1 nm ന്റെ RMS പരുക്കനോടെ β-Ga2O3 എപ്പിറ്റാക്സി വിജയകരമായി നേടിയെടുത്തു. β-Ga2O3 Ga-സമ്പന്നമായ അന്തരീക്ഷത്തിൽ, വ്യത്യസ്ത താപനിലകളിൽ വളർത്തിയ MBE ഫിലിമുകൾ ചിത്രത്തിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നു. നോവൽ ക്രിസ്റ്റൽ ടെക്നോളജി ഇൻ‌കോർപ്പറേറ്റഡ് 10 × 15mm2 β-Ga2O3MBE വേഫറുകൾ വിജയകരമായി എപ്പിറ്റാക്സിയൽ ആയി നിർമ്മിച്ചു. 500 μm കനവും 150 ആർക്ക് സെക്കൻഡിൽ താഴെയുള്ള XRD FWHM ഉം ഉള്ള ഉയർന്ന നിലവാരമുള്ള (010) ഓറിയന്റഡ് β-Ga2O3 സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റൽ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റുകൾ അവ നൽകുന്നു. സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് Sn ഡോപ്പ് ചെയ്തതോ Fe ഡോപ്പ് ചെയ്തതോ ആണ്. Sn-ഡോപ്പിംഗ് കണ്ടക്റ്റീവ് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിന് 1E18 മുതൽ 9E18cm−3 വരെ ഡോപ്പിംഗ് സാന്ദ്രതയുണ്ട്, അതേസമയം ഇരുമ്പ്-ഡോപ്പിംഗ് സെമി-ഇൻസുലേറ്റിംഗ് സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിന് 10E10 Ω cm-ൽ കൂടുതൽ പ്രതിരോധശേഷിയുണ്ട്.

2.2 MOCVD രീതി

നേർത്ത ഫിലിമുകൾ വളർത്തുന്നതിന് MOCVD ലോഹ ജൈവ സംയുക്തങ്ങളെ മുൻഗാമി വസ്തുക്കളായി ഉപയോഗിക്കുന്നു, അതുവഴി വലിയ തോതിലുള്ള വാണിജ്യ ഉൽ‌പാദനം കൈവരിക്കുന്നു. MOCVD രീതി ഉപയോഗിച്ച് Ga2O3 വളർത്തുമ്പോൾ, ട്രൈമെഥൈൽഗാലിയം (TMGa), ട്രൈതൈൽഗാലിയം (TEGa), Ga (ഡൈപെന്റൈൽ ഗ്ലൈക്കോൾ ഫോർമാറ്റ്) എന്നിവ സാധാരണയായി Ga സ്രോതസ്സായി ഉപയോഗിക്കുന്നു, അതേസമയം H2O, O2 അല്ലെങ്കിൽ N2O എന്നിവ ഓക്സിജൻ സ്രോതസ്സായി ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഈ രീതി ഉപയോഗിച്ചുള്ള വളർച്ചയ്ക്ക് സാധാരണയായി ഉയർന്ന താപനില (> 800°C) ആവശ്യമാണ്. കുറഞ്ഞ കാരിയർ സാന്ദ്രതയും ഉയർന്നതും താഴ്ന്നതുമായ താപനില ഇലക്ട്രോൺ മൊബിലിറ്റിയും കൈവരിക്കാനുള്ള കഴിവുണ്ട് ഈ സാങ്കേതികവിദ്യയ്ക്ക്, അതിനാൽ ഉയർന്ന പ്രകടനമുള്ള β-Ga2O3 പവർ ഉപകരണങ്ങളുടെ സാക്ഷാത്കാരത്തിന് ഇത് വളരെ പ്രാധാന്യമർഹിക്കുന്നു. MBE വളർച്ചാ രീതിയുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, ഉയർന്ന താപനില വളർച്ചയുടെയും രാസപ്രവർത്തനങ്ങളുടെയും സവിശേഷതകൾ കാരണം β-Ga2O3 ഫിലിമുകളുടെ വളരെ ഉയർന്ന വളർച്ചാ നിരക്ക് കൈവരിക്കുന്നതിന്റെ ഗുണം MOCVD-യ്ക്കുണ്ട്.

ചിത്രം 7 β-Ga2O3 (010) AFM ചിത്രം

ചിത്രം 8 β-Ga2O3 ഹാൾ, താപനില എന്നിവ ഉപയോഗിച്ച് അളക്കുന്ന μ നും ഷീറ്റ് പ്രതിരോധത്തിനും ഇടയിലുള്ള ബന്ധം

2.3 HVPE രീതി

HVPE ഒരു പക്വമായ എപ്പിറ്റാക്സിയൽ സാങ്കേതികവിദ്യയാണ്, കൂടാതെ III-V സംയുക്ത സെമികണ്ടക്ടറുകളുടെ എപ്പിറ്റാക്സിയൽ വളർച്ചയിൽ ഇത് വ്യാപകമായി ഉപയോഗിച്ചുവരുന്നു. കുറഞ്ഞ ഉൽ‌പാദനച്ചെലവ്, വേഗത്തിലുള്ള വളർച്ചാ നിരക്ക്, ഉയർന്ന ഫിലിം കനം എന്നിവയ്ക്ക് HVPE അറിയപ്പെടുന്നു. HVPEβ-Ga2O3 സാധാരണയായി പരുക്കൻ പ്രതല രൂപഘടനയും ഉപരിതല വൈകല്യങ്ങളുടെയും കുഴികളുടെയും ഉയർന്ന സാന്ദ്രതയും പ്രകടിപ്പിക്കുന്നുണ്ടെന്ന് ശ്രദ്ധിക്കേണ്ടതാണ്. അതിനാൽ, ഉപകരണം നിർമ്മിക്കുന്നതിന് മുമ്പ് രാസ, മെക്കാനിക്കൽ പോളിഷിംഗ് പ്രക്രിയകൾ ആവശ്യമാണ്. β-Ga2O3 എപ്പിറ്റാക്സിക്കുള്ള HVPE സാങ്കേതികവിദ്യ സാധാരണയായി (001) β-Ga2O3 മാട്രിക്സിന്റെ ഉയർന്ന-താപനില പ്രതിപ്രവർത്തനം പ്രോത്സാഹിപ്പിക്കുന്നതിന് മുൻഗാമികളായി വാതക GaCl, O2 എന്നിവ ഉപയോഗിക്കുന്നു. താപനിലയുടെ പ്രവർത്തനമായി എപ്പിറ്റാക്സിയൽ ഫിലിമിന്റെ ഉപരിതല അവസ്ഥയും വളർച്ചാ നിരക്കും ചിത്രം 9 കാണിക്കുന്നു. സമീപ വർഷങ്ങളിൽ, ജപ്പാനിലെ നോവൽ ക്രിസ്റ്റൽ ടെക്നോളജി ഇൻ‌കോർപ്പറേറ്റഡ് HVPE ഹോമോപിറ്റാക്സിയൽ β-Ga2O3-ൽ ഗണ്യമായ വാണിജ്യ വിജയം നേടിയിട്ടുണ്ട്, എപ്പിറ്റാക്സിയൽ പാളി കനവും 5 മുതൽ 10 μm വരെയും 2, 4 ഇഞ്ച് വേഫർ വലുപ്പങ്ങളും ഉണ്ട്. കൂടാതെ, ചൈന ഇലക്ട്രോണിക്സ് ടെക്നോളജി ഗ്രൂപ്പ് കോർപ്പറേഷൻ നിർമ്മിക്കുന്ന 20 μm കട്ടിയുള്ള HVPE β-Ga2O3 ഹോമിപിറ്റാക്സിയൽ വേഫറുകളും വാണിജ്യവൽക്കരണ ഘട്ടത്തിലേക്ക് പ്രവേശിച്ചു.

ചിത്രം 9 HVPE രീതി β-Ga2O3

2.4 പിഎൽഡി രീതി

സങ്കീർണ്ണമായ ഓക്സൈഡ് ഫിലിമുകളും ഹെറ്ററോസ്ട്രക്ചറുകളും നിക്ഷേപിക്കുന്നതിനാണ് PLD സാങ്കേതികവിദ്യ പ്രധാനമായും ഉപയോഗിക്കുന്നത്. PLD വളർച്ചാ പ്രക്രിയയിൽ, ഇലക്ട്രോൺ എമിഷൻ പ്രക്രിയയിലൂടെ ഫോട്ടോൺ ഊർജ്ജം ലക്ഷ്യ വസ്തുവുമായി ബന്ധിപ്പിക്കപ്പെടുന്നു. MBE-യിൽ നിന്ന് വ്യത്യസ്തമായി, വളരെ ഉയർന്ന ഊർജ്ജം (>100 eV) ഉള്ള ലേസർ വികിരണം വഴി PLD ഉറവിട കണികകൾ രൂപപ്പെടുകയും പിന്നീട് ചൂടായ ഒരു അടിവസ്ത്രത്തിൽ നിക്ഷേപിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. എന്നിരുന്നാലും, അബ്ലേഷൻ പ്രക്രിയയിൽ, ചില ഉയർന്ന ഊർജ്ജ കണികകൾ മെറ്റീരിയൽ ഉപരിതലത്തെ നേരിട്ട് ബാധിക്കുകയും പോയിന്റ് വൈകല്യങ്ങൾ സൃഷ്ടിക്കുകയും അതുവഴി ഫിലിമിന്റെ ഗുണനിലവാരം കുറയ്ക്കുകയും ചെയ്യും. MBE രീതിക്ക് സമാനമായി, PLD β-Ga2O3 നിക്ഷേപ പ്രക്രിയയിൽ RHEED ഉപയോഗിച്ച് മെറ്റീരിയലിന്റെ ഉപരിതല ഘടനയും രൂപഘടനയും തത്സമയം നിരീക്ഷിക്കാൻ കഴിയും, ഇത് ഗവേഷകർക്ക് വളർച്ചാ വിവരങ്ങൾ കൃത്യമായി നേടാൻ അനുവദിക്കുന്നു. PLD രീതി ഉയർന്ന ചാലകതയുള്ള β-Ga2O3 ഫിലിമുകൾ വളർത്തുമെന്ന് പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു, ഇത് Ga2O3 പവർ ഉപകരണങ്ങളിൽ ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്ത ഓമിക് കോൺടാക്റ്റ് സൊല്യൂഷനാക്കി മാറ്റുന്നു.

ചിത്രം 10 Si ഡോപ്പ് ചെയ്ത Ga2O3 ന്റെ AFM ചിത്രം

2.5 മിസ്റ്റ്-സിവിഡി രീതി

MIST-CVD താരതമ്യേന ലളിതവും ചെലവ് കുറഞ്ഞതുമായ ഒരു നേർത്ത ഫിലിം വളർച്ചാ സാങ്കേതികവിദ്യയാണ്. നേർത്ത ഫിലിം നിക്ഷേപം നേടുന്നതിനായി ഒരു അടിവസ്ത്രത്തിൽ ഒരു ആറ്റോമൈസ്ഡ് പ്രികർസർ സ്പ്രേ ചെയ്യുന്നതിന്റെ പ്രതിപ്രവർത്തനമാണ് ഈ CVD രീതിയിൽ ഉൾപ്പെടുന്നത്. എന്നിരുന്നാലും, ഇതുവരെ, മിസ്റ്റ് CVD ഉപയോഗിച്ച് വളർത്തിയ Ga2O3 ന് ഇപ്പോഴും നല്ല വൈദ്യുത ഗുണങ്ങളില്ല, ഇത് ഭാവിയിൽ മെച്ചപ്പെടുത്തലിനും ഒപ്റ്റിമൈസേഷനും ധാരാളം ഇടം നൽകുന്നു.