เทคโนโลยีการเจริญเติบโตของเมล็ดพืชแบบคงตัวและแบบเอพิแทกเซียล-Ⅱ

2. การเจริญเติบโตของฟิล์มบางแบบเอพิแทกเซียล

สารตั้งต้นให้ชั้นรองรับทางกายภาพหรือชั้นตัวนำสำหรับอุปกรณ์จ่ายไฟ Ga2O3 ชั้นสำคัญถัดไปคือชั้นช่องสัญญาณหรือชั้นเอพิแทกเซียลที่ใช้สำหรับความต้านทานแรงดันไฟฟ้าและการขนส่งตัวพา เพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าพังทลายและลดความต้านทานการนำไฟฟ้าให้เหลือน้อยที่สุด ความหนาที่ควบคุมได้และความเข้มข้นของการเจือปน รวมถึงคุณภาพวัสดุที่เหมาะสมคือข้อกำหนดเบื้องต้นบางประการ โดยทั่วไปแล้ว ชั้นเอพิแทกเซียล Ga2O3 คุณภาพสูงจะถูกสะสมโดยใช้เทคนิคเอพิแทกเซียลลำแสงโมเลกุล (MBE), การสะสมไอเคมีอินทรีย์โลหะ (MOCVD), การสะสมไอฮาไลด์ (HVPE), การสะสมเลเซอร์แบบพัลส์ (PLD) และเทคนิคการสะสมตามหมอก CVD

ตารางที่ 2 เทคโนโลยีเอพิแทกเซียลที่เป็นตัวแทนบางส่วน

2.1 วิธี MBE

เทคโนโลยี MBE มีชื่อเสียงในด้านความสามารถในการปลูกฟิล์ม β-Ga2O3 ที่มีคุณภาพสูงและปราศจากข้อบกพร่องด้วยการเจือปนแบบ n ที่ควบคุมได้ เนื่องมาจากสภาพแวดล้อมสูญญากาศที่สูงมากและวัสดุที่มีความบริสุทธิ์สูง ด้วยเหตุนี้ จึงกลายเป็นเทคโนโลยีการสะสมฟิล์มบาง β-Ga2O3 ที่ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางที่สุดและมีศักยภาพในการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ นอกจากนี้ วิธี MBE ยังประสบความสำเร็จในการเตรียมชั้นฟิล์มบาง β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 ที่มีโครงสร้างแบบเฮเทอโรสตรัคเจอร์คุณภาพสูงที่มีการเจือปนต่ำอีกด้วย MBE สามารถตรวจสอบโครงสร้างและสัณฐานวิทยาของพื้นผิวได้แบบเรียลไทม์ด้วยความแม่นยำของชั้นอะตอมโดยใช้การเลี้ยวเบนอิเล็กตรอนพลังงานสูงแบบสะท้อนกลับ (RHEED) อย่างไรก็ตาม ฟิล์ม β-Ga2O3 ที่ปลูกโดยใช้เทคโนโลยี MBE ยังคงเผชิญกับความท้าทายมากมาย เช่น อัตราการเติบโตที่ต่ำและขนาดฟิล์มที่เล็ก การศึกษาพบว่าอัตราการเติบโตอยู่ในลำดับ (010)>(001)>(−201)>(100) ภายใต้สภาวะที่มี Ga สูงเล็กน้อยที่อุณหภูมิ 650 ถึง 750°C β-Ga2O3 (010) จะแสดงการเจริญเติบโตที่เหมาะสมที่สุดด้วยพื้นผิวเรียบและอัตราการเติบโตสูง โดยใช้กรรมวิธีนี้ β-Ga2O3 epitaxy ประสบความสำเร็จโดยมีความหยาบ RMS ที่ 0.1 นาโนเมตร β-Ga2O3 ในสภาพแวดล้อมที่มี Ga สูง ฟิล์ม MBE ที่ปลูกที่อุณหภูมิต่างๆ จะแสดงอยู่ในรูปภาพ Novel Crystal Technology Inc. ได้ผลิตเวเฟอร์ β-Ga2O3MBE แบบ epitaxial จำนวน 10 × 15mm2 สำเร็จแล้ว โดยเวเฟอร์เหล่านี้ให้พื้นผิวผลึกเดี่ยว β-Ga2O3 ที่วางแนว (010) คุณภาพสูงที่มีความหนา 500 μm และ XRD FWHM ต่ำกว่า 150 วินาทีของส่วนโค้ง พื้นผิวนี้ถูกเจือปนด้วย Sn หรือ Fe สารตั้งต้นตัวนำที่มีการเจือปน Sn มีความเข้มข้นของการเจือปนอยู่ที่ 1E18 ถึง 9E18cm−3 ในขณะที่สารตั้งต้นกึ่งฉนวนที่มีการเจือปนเหล็กจะมีค่าต้านทานไฟฟ้าสูงกว่า 10E10 Ω·cm

2.2 วิธี MOCVD

MOCVD ใช้สารประกอบอินทรีย์โลหะเป็นวัสดุตั้งต้นในการปลูกฟิล์มบาง จึงทำให้สามารถผลิตเชิงพาณิชย์ได้ในปริมาณมาก เมื่อปลูก Ga2O3 โดยใช้กรรมวิธี MOCVD มักใช้ไตรเมทิลแกลเลียม (TMGa) ไตรเอทิลแกลเลียม (TEGa) และ Ga (ไดเพนทิลไกลคอลฟอร์เมต) เป็นแหล่ง Ga ในขณะที่ใช้ H2O, O2 หรือ N2O เป็นแหล่งออกซิเจน การปลูกโดยใช้กรรมวิธีดังกล่าวโดยทั่วไปต้องใช้ความร้อนสูง (>800°C) เทคโนโลยีนี้มีศักยภาพในการทำให้ความเข้มข้นของตัวพาต่ำและการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในอุณหภูมิสูงและต่ำได้ จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการสร้างอุปกรณ์พลังงาน β-Ga2O3 ที่มีประสิทธิภาพสูง เมื่อเปรียบเทียบกับกรรมวิธี MBE แล้ว MOCVD มีข้อได้เปรียบคือทำให้ฟิล์ม β-Ga2O3 เติบโตได้ในอัตราที่สูงมาก เนื่องจากมีลักษณะเฉพาะของการเจริญเติบโตในอุณหภูมิสูงและปฏิกิริยาเคมี

รูปที่ 7 β-Ga2O3 (010) ภาพ AFM

รูปที่ 8 β-Ga2O3 ความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทานμและแผ่นที่วัดโดยฮอลล์และอุณหภูมิ

2.3 วิธี HVPE

HVPE เป็นเทคโนโลยีเอพิแทกเซียลที่พัฒนาแล้วและถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในการเจริญเติบโตของเอพิแทกเซียลของสารกึ่งตัวนำแบบผสม III-V HVPE เป็นที่รู้จักจากต้นทุนการผลิตต่ำ อัตราการเติบโตที่รวดเร็ว และความหนาของฟิล์มสูง ควรสังเกตว่า HVPEβ-Ga2O3 มักมีรูปร่างพื้นผิวที่ขรุขระและมีข้อบกพร่องและหลุมที่มีความหนาแน่นสูงบนพื้นผิว ดังนั้นจึงต้องมีกระบวนการขัดทางเคมีและทางกลก่อนการผลิตอุปกรณ์ เทคโนโลยี HVPE สำหรับเอพิแทกเซียล β-Ga2O3 มักใช้ GaCl และ O2 ในรูปก๊าซเป็นสารตั้งต้นเพื่อส่งเสริมปฏิกิริยาอุณหภูมิสูงของเมทริกซ์ β-Ga2O3 (001) รูปที่ 9 แสดงสภาพพื้นผิวและอัตราการเติบโตของฟิล์มเอพิแทกเซียลตามฟังก์ชันของอุณหภูมิ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา Novel Crystal Technology Inc. ของญี่ปุ่นประสบความสำเร็จทางการค้าอย่างมากในการผลิตเอพิแทกเซียลโฮโมเอพิแทกเซียล β-Ga2O3 ที่มีความหนาของชั้นเอพิแทกเซียล 5 ถึง 10 μm และขนาดเวเฟอร์ 2 และ 4 นิ้ว นอกจากนี้ เวเฟอร์โฮโมเอพิแทกเซียล HVPE β-Ga2O3 ที่มีความหนา 20 μm ที่ผลิตโดย China Electronics Technology Group Corporation ได้เข้าสู่ขั้นตอนการจำหน่ายเชิงพาณิชย์แล้วเช่นกัน

รูปที่ 9 วิธี HVPE β-Ga2O3

2.4 วิธีการ PLD

เทคโนโลยี PLD ส่วนใหญ่ใช้ในการสะสมฟิล์มออกไซด์ที่ซับซ้อนและโครงสร้างต่างชนิดกัน ในระหว่างกระบวนการเติบโตของ PLD พลังงานโฟตอนจะถูกจับคู่กับวัสดุเป้าหมายผ่านกระบวนการปล่อยอิเล็กตรอน ในทางตรงกันข้ามกับ MBE อนุภาคต้นทางของ PLD จะถูกสร้างขึ้นโดยรังสีเลเซอร์ที่มีพลังงานสูงมาก (>100 eV) จากนั้นจึงสะสมบนพื้นผิวที่ได้รับความร้อน อย่างไรก็ตาม ในระหว่างกระบวนการขจัดออก อนุภาคพลังงานสูงบางส่วนจะกระทบกับพื้นผิวของวัสดุโดยตรง ทำให้เกิดจุดบกพร่องและทำให้คุณภาพของฟิล์มลดลง เช่นเดียวกับวิธี MBE RHEED สามารถใช้ตรวจสอบโครงสร้างพื้นผิวและสัณฐานวิทยาของวัสดุแบบเรียลไทม์ในระหว่างกระบวนการสะสม β-Ga2O3 ของ PLD ซึ่งช่วยให้นักวิจัยได้รับข้อมูลการเติบโตอย่างแม่นยำ คาดว่าวิธี PLD จะทำให้ฟิล์ม β-Ga2O3 ที่มีความเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสูงเติบโต ทำให้เป็นโซลูชันการสัมผัสโอห์มิกที่เหมาะสมที่สุดในอุปกรณ์พลังงาน Ga2O3

รูปที่ 10 ภาพ AFM ของ Ga2O3 ที่ถูกเจือปนด้วย Si

2.5 วิธี MIST-CVD

MIST-CVD เป็นเทคโนโลยีการสร้างฟิล์มบางที่ค่อนข้างเรียบง่ายและคุ้มต้นทุน วิธี CVD นี้เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาของการพ่นสารตั้งต้นที่กลายเป็นละอองลงบนพื้นผิวเพื่อให้เกิดการสะสมฟิล์มบาง อย่างไรก็ตาม จนถึงขณะนี้ Ga2O3 ที่ปลูกโดยใช้ CVD แบบละอองยังคงขาดคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดี ซึ่งทำให้ยังมีช่องว่างสำหรับการปรับปรุงและเพิ่มประสิทธิภาพในอนาคตอีกมาก