ऑक्सिडाइज्ड स्टँडिंग ग्रेन आणि एपिटॅक्सियल ग्रोथ तंत्रज्ञान-२

२. एपिटॅक्सियल पातळ फिल्म वाढ

सबस्ट्रेट हा Ga2O3 पॉवर डिव्हाइसेससाठी एक भौतिक आधार थर किंवा प्रवाहकीय थर प्रदान करतो. पुढचा महत्त्वाचा थर म्हणजे चॅनल थर किंवा एपिटॅक्सियल थर, जो व्होल्टेज प्रतिरोध आणि वाहक वहनासाठी वापरला जातो. ब्रेकडाउन व्होल्टेज वाढवण्यासाठी आणि वहन प्रतिरोध कमी करण्यासाठी, नियंत्रित जाडी आणि डोपिंग सांद्रता, तसेच सामग्रीची इष्टतम गुणवत्ता, या काही पूर्वअटी आहेत. उच्च दर्जाचे Ga2O3 एपिटॅक्सियल थर सामान्यतः मॉलिक्युलर बीम एपिटॅक्सी (MBE), मेटल ऑरगॅनिक केमिकल व्हेपर डिपॉझिशन (MOCVD), हॅलाइड व्हेपर डिपॉझिशन (HVPE), पल्स्ड लेझर डिपॉझिशन (PLD), आणि फॉग CVD आधारित डिपॉझिशन तंत्रांचा वापर करून जमा केले जातात.

तक्ता २ काही प्रातिनिधिक एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञान

२.१ एमबीई पद्धत

MBE तंत्रज्ञान हे त्याच्या अति-उच्च निर्वात वातावरणामुळे आणि उच्च पदार्थ शुद्धतेमुळे, नियंत्रित n-प्रकारच्या डोपिंगसह उच्च-गुणवत्तेचे, दोषरहित β-Ga2O3 फिल्म्स तयार करण्याच्या क्षमतेसाठी प्रसिद्ध आहे. परिणामी, हे सर्वात जास्त अभ्यासल्या गेलेल्या आणि संभाव्यतः व्यापारीकरण होणाऱ्या β-Ga2O3 पातळ फिल्म निक्षेपण तंत्रज्ञानांपैकी एक बनले आहे. याव्यतिरिक्त, MBE पद्धतीने उच्च-गुणवत्तेचा, कमी-डोप केलेला हेटेरोस्ट्रक्चर β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 पातळ फिल्म थर देखील यशस्वीरित्या तयार केला. MBE, रिफ्लेक्शन हाय एनर्जी इलेक्ट्रॉन डिफ्रेक्शन (RHEED) वापरून अणू-स्तराच्या अचूकतेसह पृष्ठभागाची रचना आणि आकारविज्ञानाचे रिअल-टाइममध्ये निरीक्षण करू शकते. तथापि, MBE तंत्रज्ञानाने तयार केलेल्या β-Ga2O3 फिल्म्सना अजूनही कमी वाढीचा दर आणि लहान फिल्म आकार यांसारख्या अनेक आव्हानांचा सामना करावा लागतो. अभ्यासात असे आढळून आले की वाढीचा दर (010)>(001)>(−201)>(100) या क्रमाने होता. ६५० ते ७५०°C च्या किंचित गॅलियम-समृद्ध परिस्थितीत, β-Ga2O3 (010) गुळगुळीत पृष्ठभाग आणि उच्च वाढ दरासह इष्टतम वाढ दर्शवते. या पद्धतीचा वापर करून, ०.१ nm च्या RMS रफनेससह β-Ga2O3 एपिटॅक्सी यशस्वीरित्या साध्य करण्यात आली. गॅलियम-समृद्ध वातावरणात, वेगवेगळ्या तापमानांवर वाढवलेले β-Ga2O3 MBE फिल्म्स आकृतीत दाखवले आहेत. नोव्हेल क्रिस्टल टेक्नॉलॉजी इंक. ने १० × १५mm² β-Ga2O3MBE वेफर्स यशस्वीरित्या एपिटॅक्सियली तयार केले आहेत. ते ५०० μm जाडीचे आणि १५० आर्क सेकंदांपेक्षा कमी XRD FWHM असलेले उच्च दर्जाचे (010) ओरिएंटेड β-Ga2O3 सिंगल क्रिस्टल सबस्ट्रेट्स प्रदान करतात. हे सबस्ट्रेट Sn डोप्ड किंवा Fe डोप्ड आहे. Sn-मिश्रित प्रवाहकीय सब्सट्रेटमध्ये 1E18 ते 9E18cm−3 इतके मिश्रण सांद्रता असते, तर लोह-मिश्रित अर्ध-विद्युतरोधक सब्सट्रेटची रोधकता 10E10 Ω cm पेक्षा जास्त असते.

२.२ एमओसीव्हीडी पद्धत

MOCVD मध्ये पातळ फिल्म्स तयार करण्यासाठी पूर्वगामी पदार्थ म्हणून धातू-सेंद्रिय संयुगांचा वापर केला जातो, ज्यामुळे मोठ्या प्रमाणावर व्यावसायिक उत्पादन साध्य होते. MOCVD पद्धतीचा वापर करून Ga2O3 तयार करताना, गॅलियमचा स्रोत म्हणून सामान्यतः ट्रायमिथाइलगॅलियम (TMGa), ट्रायइथाइलगॅलियम (TEGa) आणि Ga (डायपेंटाइल ग्लायकोल फॉर्मेट) वापरले जातात, तर ऑक्सिजनचा स्रोत म्हणून H2O, O2 किंवा N2O वापरले जातात. या पद्धतीद्वारे वाढीसाठी सामान्यतः उच्च तापमानाची (>800°C) आवश्यकता असते. या तंत्रज्ञानामध्ये कमी वाहक घनता आणि उच्च व कमी तापमानातील इलेक्ट्रॉन गतिशीलता साध्य करण्याची क्षमता आहे, त्यामुळे उच्च-कार्यक्षम β-Ga2O3 ऊर्जा उपकरणांच्या निर्मितीसाठी हे अत्यंत महत्त्वाचे आहे. MBE वाढ पद्धतीच्या तुलनेत, उच्च-तापमान वाढ आणि रासायनिक अभिक्रियांच्या वैशिष्ट्यांमुळे β-Ga2O3 फिल्म्सचा अत्यंत उच्च वाढ दर साध्य करण्याचा फायदा MOCVD मध्ये आहे.

आकृती 7 β-Ga2O3 (010) AFM प्रतिमा

आकृती ८ β-Ga2O3: हॉल आणि तापमानाद्वारे मोजलेला μ आणि शीट रेझिस्टन्स यांमधील संबंध.

२.३ एचव्हीपीई पद्धत

एचव्हीपीई (HVPE) हे एक प्रगत एपिटॅक्सियल तंत्रज्ञान आहे आणि III-V संयुक्त सेमीकंडक्टरच्या एपिटॅक्सियल वाढीमध्ये त्याचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो. एचव्हीपीई त्याच्या कमी उत्पादन खर्चासाठी, जलद वाढीच्या दरासाठी आणि उच्च फिल्म जाडीसाठी ओळखले जाते. हे लक्षात घेतले पाहिजे की एचव्हीपीईβ-Ga2O3 मध्ये सामान्यतः खडबडीत पृष्ठभाग रचना आणि पृष्ठभागावरील दोष व खड्ड्यांची उच्च घनता दिसून येते. त्यामुळे, डिव्हाइसच्या निर्मितीपूर्वी रासायनिक आणि यांत्रिक पॉलिशिंग प्रक्रिया आवश्यक असतात. β-Ga2O3 एपिटॅक्सीसाठी एचव्हीपीई तंत्रज्ञानामध्ये सामान्यतः (001) β-Ga2O3 मॅट्रिक्सच्या उच्च-तापमान अभिक्रियेला चालना देण्यासाठी वायुरूप GaCl आणि O2 चा प्रीकर्सर म्हणून वापर केला जातो. आकृती ९ मध्ये तापमानानुसार एपिटॅक्सियल फिल्मची पृष्ठभागाची स्थिती आणि वाढीचा दर दर्शविला आहे. अलिकडच्या वर्षांत, जपानच्या नोव्हेल क्रिस्टल टेक्नॉलॉजी इंक. ने एचव्हीपीई होमोएपिटॅक्सियल β-Ga2O3 मध्ये लक्षणीय व्यावसायिक यश मिळवले आहे, ज्यामध्ये एपिटॅक्सियल थराची जाडी ५ ते १० μm आणि वेफरचा आकार २ आणि ४ इंच आहे. याव्यतिरिक्त, चायना इलेक्ट्रॉनिक्स टेक्नॉलॉजी ग्रुप कॉर्पोरेशनने उत्पादित केलेले 20 μm जाडीचे HVPE β-Ga2O3 होमोएपिटॅक्सियल वेफर्स देखील व्यापारीकरणाच्या टप्प्यात दाखल झाले आहेत.

आकृती ९ एचव्हीपीई पद्धत β-Ga2O3

२.४ पीएलडी पद्धत

पीएलडी तंत्रज्ञान मुख्यत्वे जटिल ऑक्साइड फिल्म्स आणि हेटेरोस्ट्रक्चर्स जमा करण्यासाठी वापरले जाते. पीएलडी वाढ प्रक्रियेदरम्यान, इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन प्रक्रियेद्वारे फोटॉन ऊर्जा लक्ष्य सामग्रीशी जोडली जाते. एमबीईच्या विपरीत, पीएलडी स्रोत कण अत्यंत उच्च ऊर्जेच्या (>100 eV) लेझर रेडिएशनद्वारे तयार केले जातात आणि नंतर गरम केलेल्या सब्सट्रेटवर जमा केले जातात. तथापि, ॲब्लेशन प्रक्रियेदरम्यान, काही उच्च-ऊर्जा कण थेट सामग्रीच्या पृष्ठभागावर आदळतात, ज्यामुळे बिंदू दोष निर्माण होतात आणि परिणामी फिल्मची गुणवत्ता कमी होते. एमबीई पद्धतीप्रमाणेच, पीएलडी β-Ga2O3 जमा करण्याच्या प्रक्रियेदरम्यान सामग्रीच्या पृष्ठभागाची रचना आणि आकारविज्ञानाचे रिअल-टाइममध्ये निरीक्षण करण्यासाठी आरएचईईडी (RHEED) वापरले जाऊ शकते, ज्यामुळे संशोधकांना वाढीची अचूक माहिती मिळवता येते. पीएलडी पद्धतीमुळे उच्च प्रवाहकीय β-Ga2O3 फिल्म्स तयार होण्याची अपेक्षा आहे, ज्यामुळे ते Ga2O3 पॉवर उपकरणांमध्ये एक अनुकूलित ओमिक संपर्क समाधान बनेल.

आकृती १० Si मिश्रित Ga2O3 ची AFM प्रतिमा

२.५ मिस्ट-सीव्हीडी पद्धत

मिस्ट-सीव्हीडी (MIST-CVD) हे पातळ थर वाढवण्याचे एक तुलनेने सोपे आणि किफायतशीर तंत्रज्ञान आहे. या सीव्हीडी (CVD) पद्धतीमध्ये, पातळ थर जमा करण्यासाठी सब्सट्रेटवर अणू-रूपात प्रिकर्सर फवारण्याच्या अभिक्रियेचा समावेश असतो. तथापि, आतापर्यंत, मिस्ट सीव्हीडी वापरून वाढवलेल्या Ga2O3 मध्ये अजूनही चांगल्या विद्युत गुणधर्मांची कमतरता आहे, ज्यामुळे भविष्यात सुधारणा आणि अनुकूलनासाठी भरपूर वाव आहे.