2. Pertumbuhan filem nipis epitaksial
Substrat menyediakan lapisan sokongan fizikal atau lapisan konduktif untuk peranti kuasa Ga2O3. Lapisan penting seterusnya ialah lapisan saluran atau lapisan epitaksi yang digunakan untuk rintangan voltan dan pengangkutan pembawa. Untuk meningkatkan voltan kerosakan dan meminimumkan rintangan konduksi, ketebalan dan kepekatan doping yang boleh dikawal, serta kualiti bahan yang optimum, adalah beberapa prasyarat. Lapisan epitaksi Ga2O3 yang berkualiti tinggi biasanya dimendapkan menggunakan epitaksi pancaran molekul (MBE), pemendapan wap kimia organik logam (MOCVD), pemendapan wap halida (HVPE), pemendapan laser berdenyut (PLD), dan teknik pemendapan berasaskan CVD kabus.
Jadual 2 Beberapa teknologi epitaksial yang mewakili
2.1 Kaedah MBE
Teknologi MBE terkenal dengan keupayaannya untuk menumbuhkan filem β-Ga2O3 yang berkualiti tinggi dan bebas kecacatan dengan doping jenis-n yang boleh dikawal kerana persekitaran vakum ultra tinggi dan ketulenan bahan yang tinggi. Hasilnya, ia telah menjadi salah satu teknologi pemendapan filem nipis β-Ga2O3 yang paling banyak dikaji dan berpotensi dikomersialkan. Di samping itu, kaedah MBE juga berjaya menyediakan lapisan filem nipis β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 heterostruktur yang berkualiti tinggi dan didop rendah. MBE boleh memantau struktur dan morfologi permukaan dalam masa nyata dengan ketepatan lapisan atom dengan menggunakan pembelauan elektron tenaga tinggi pantulan (RHEED). Walau bagaimanapun, filem β-Ga2O3 yang ditumbuhkan menggunakan teknologi MBE masih menghadapi banyak cabaran, seperti kadar pertumbuhan yang rendah dan saiz filem yang kecil. Kajian mendapati bahawa kadar pertumbuhan adalah dalam susunan (010)>(001)>(−201)>(100). Di bawah keadaan yang sedikit kaya dengan Ga iaitu 650 hingga 750°C, β-Ga2O3 (010) mempamerkan pertumbuhan optimum dengan permukaan yang licin dan kadar pertumbuhan yang tinggi. Dengan menggunakan kaedah ini, epitaksi β-Ga2O3 berjaya dicapai dengan kekasaran RMS sebanyak 0.1 nm. β-Ga2O3 Dalam persekitaran yang kaya dengan Ga, filem MBE yang ditumbuhkan pada suhu yang berbeza ditunjukkan dalam rajah. Novel Crystal Technology Inc. telah berjaya menghasilkan wafer 10 × 15mm2 β-Ga2O3MBE secara epitaksi. Ia menyediakan substrat kristal tunggal β-Ga2O3 berorientasikan (010) berkualiti tinggi dengan ketebalan 500 μm dan FWHM XRD di bawah 150 saat arka. Substrat ini didop Sn atau didop Fe. Substrat konduktif yang didop Sn mempunyai kepekatan dop 1E18 hingga 9E18cm−3, manakala substrat separa penebat yang didop besi mempunyai kerintangan yang lebih tinggi daripada 10E10 Ω cm.
2.2 Kaedah MOCVD
MOCVD menggunakan sebatian organik logam sebagai bahan prekursor untuk menumbuhkan filem nipis, sekali gus mencapai pengeluaran komersial berskala besar. Apabila menumbuhkan Ga2O3 menggunakan kaedah MOCVD, trimetilgalium (TMGa), trietilgalium (TEGa) dan Ga (dipentil glikol format) biasanya digunakan sebagai sumber Ga, manakala H2O, O2 atau N2O digunakan sebagai sumber oksigen. Pertumbuhan menggunakan kaedah ini secara amnya memerlukan suhu tinggi (>800°C). Teknologi ini berpotensi untuk mencapai kepekatan pembawa yang rendah dan mobiliti elektron suhu tinggi dan rendah, jadi ia sangat penting untuk merealisasikan peranti kuasa β-Ga2O3 berprestasi tinggi. Berbanding dengan kaedah pertumbuhan MBE, MOCVD mempunyai kelebihan untuk mencapai kadar pertumbuhan filem β-Ga2O3 yang sangat tinggi disebabkan oleh ciri-ciri pertumbuhan suhu tinggi dan tindak balas kimia.
Rajah 7 β-Ga2O3 (010) imej AFM
Rajah 8 β-Ga2O3 Hubungan antara μ dan rintangan kepingan yang diukur oleh Hall dan suhu
2.3 Kaedah HVPE
HVPE ialah teknologi epitaksial matang dan telah digunakan secara meluas dalam pertumbuhan epitaksial semikonduktor sebatian III-V. HVPE dikenali dengan kos pengeluarannya yang rendah, kadar pertumbuhan yang cepat, dan ketebalan filem yang tinggi. Perlu diingatkan bahawa HVPEβ-Ga2O3 biasanya mempamerkan morfologi permukaan kasar dan ketumpatan tinggi kecacatan dan lubang permukaan. Oleh itu, proses penggilapan kimia dan mekanikal diperlukan sebelum mengeluarkan peranti ini. Teknologi HVPE untuk epitaksi β-Ga2O3 biasanya menggunakan GaCl dan O2 gas sebagai prekursor untuk menggalakkan tindak balas suhu tinggi matriks (001) β-Ga2O3. Rajah 9 menunjukkan keadaan permukaan dan kadar pertumbuhan filem epitaksial sebagai fungsi suhu. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, Novel Crystal Technology Inc. dari Jepun telah mencapai kejayaan komersial yang ketara dalam HVPE homoepitaksial β-Ga2O3, dengan ketebalan lapisan epitaksial 5 hingga 10 μm dan saiz wafer 2 dan 4 inci. Di samping itu, wafer homoepitaksial HVPE β-Ga2O3 setebal 20 μm yang dihasilkan oleh China Electronics Technology Group Corporation juga telah memasuki peringkat pengkomersialan.
Rajah 9 Kaedah HVPE β-Ga2O3
2.4 Kaedah PLD
Teknologi PLD digunakan terutamanya untuk memendapkan filem oksida kompleks dan heterostruktur. Semasa proses pertumbuhan PLD, tenaga foton digandingkan dengan bahan sasaran melalui proses pancaran elektron. Berbeza dengan MBE, zarah sumber PLD dibentuk oleh sinaran laser dengan tenaga yang sangat tinggi (>100 eV) dan seterusnya dimendapkan pada substrat yang dipanaskan. Walau bagaimanapun, semasa proses ablasi, beberapa zarah bertenaga tinggi akan memberi kesan langsung kepada permukaan bahan, mewujudkan kecacatan titik dan seterusnya mengurangkan kualiti filem. Sama seperti kaedah MBE, RHEED boleh digunakan untuk memantau struktur permukaan dan morfologi bahan dalam masa nyata semasa proses pemendapan PLD β-Ga2O3, yang membolehkan penyelidik mendapatkan maklumat pertumbuhan dengan tepat. Kaedah PLD dijangka menumbuhkan filem β-Ga2O3 yang sangat konduktif, menjadikannya penyelesaian sentuhan ohmik yang dioptimumkan dalam peranti kuasa Ga2O3.
Rajah 10 Imej AFM bagi Ga2O3 yang didop Si
2.5 Kaedah MIST-CVD
MIST-CVD merupakan teknologi pertumbuhan filem nipis yang agak mudah dan kos efektif. Kaedah CVD ini melibatkan tindak balas penyemburan prekursor yang diatomkan ke atas substrat untuk mencapai pemendapan filem nipis. Walau bagaimanapun, setakat ini, Ga2O3 yang ditanam menggunakan CVD kabus masih kekurangan sifat elektrik yang baik, yang meninggalkan banyak ruang untuk penambahbaikan dan pengoptimuman pada masa hadapan.
Masa siaran: 30 Mei 2024