2. การเจริญเติบโตของฟิล์มบางแบบเอพิแท็กเซียล
วัสดุรองรับ (substrate) ทำหน้าที่เป็นชั้นรองรับทางกายภาพหรือชั้นนำไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้า Ga2O3 ชั้นสำคัญถัดไปคือชั้นช่องสัญญาณหรือชั้นเอพิแท็กเซียลที่ใช้สำหรับความต้านทานแรงดันไฟฟ้าและการขนส่งพาหะ เพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าพังทลายและลดความต้านทานการนำไฟฟ้า ความหนาและความเข้มข้นของการเจือปนที่ควบคุมได้ รวมถึงคุณภาพของวัสดุที่เหมาะสม เป็นสิ่งจำเป็นบางประการ โดยทั่วไปแล้วชั้นเอพิแท็กเซียล Ga2O3 คุณภาพสูงจะถูกสร้างขึ้นโดยใช้เทคนิคการตกตะกอนแบบต่างๆ เช่น การปลูกผลึกด้วยลำแสงโมเลกุล (MBE), การตกตะกอนด้วยไอสารเคมีอินทรีย์โลหะ (MOCVD), การตกตะกอนด้วยไอฮาไลด์ (HVPE), การตกตะกอนด้วยเลเซอร์แบบพัลส์ (PLD) และเทคนิคการตกตะกอนแบบ CVD แบบหมอก
ตารางที่ 2 เทคโนโลยีการปลูกผลึกแบบเอพิแท็กเซียลที่เป็นตัวอย่างบางส่วน
2.1 วิธี MBE
เทคโนโลยี MBE มีชื่อเสียงในด้านความสามารถในการปลูกฟิล์ม β-Ga2O3 คุณภาพสูง ปราศจากข้อบกพร่อง และสามารถควบคุมการเจือปนแบบ n-type ได้ เนื่องจากสภาพแวดล้อมสุญญากาศสูงมากและความบริสุทธิ์ของวัสดุสูง ส่งผลให้เทคโนโลยีนี้กลายเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีการตกตะกอนฟิล์มบาง β-Ga2O3 ที่ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางและมีศักยภาพในการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์มากที่สุด นอกจากนี้ วิธี MBE ยังประสบความสำเร็จในการเตรียมฟิล์มบาง β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 แบบเฮเทอโรสตรักเจอร์คุณภาพสูงที่มีการเจือปนต่ำ MBE สามารถตรวจสอบโครงสร้างและสัณฐานวิทยาของพื้นผิวแบบเรียลไทม์ด้วยความแม่นยำระดับอะตอมโดยใช้การเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนพลังงานสูงแบบสะท้อน (RHEED) อย่างไรก็ตาม ฟิล์ม β-Ga2O3 ที่ปลูกโดยใช้เทคโนโลยี MBE ยังคงเผชิญกับความท้าทายหลายประการ เช่น อัตราการเติบโตต่ำและขนาดฟิล์มเล็ก การศึกษาพบว่าอัตราการเติบโตอยู่ในลำดับ (010)>(001)>(−201)>(100) ภายใต้สภาวะที่มีแกลเลียมสูงกว่าปกติเล็กน้อยที่อุณหภูมิ 650 ถึง 750°C β-Ga2O3 (010) แสดงการเจริญเติบโตที่ดีที่สุดด้วยพื้นผิวเรียบและอัตราการเจริญเติบโตสูง โดยใช้วิธีนี้ การปลูกผลึก β-Ga2O3 แบบเอพิแท็กซีประสบความสำเร็จด้วยความขรุขระ RMS 0.1 นาโนเมตร ภาพแสดงฟิล์ม β-Ga2O3 แบบ MBE ที่ปลูกในสภาพแวดล้อมที่มีแกลเลียมสูงกว่าปกติที่อุณหภูมิต่างๆ บริษัท Novel Crystal Technology Inc. ประสบความสำเร็จในการผลิตเวเฟอร์ β-Ga2O3 MBE ขนาด 10 × 15 มม.² แบบเอพิแท็กซี พวกเขาจัดหาพื้นผิวผลึกเดี่ยว β-Ga2O3 ที่มีทิศทาง (010) คุณภาพสูง ความหนา 500 ไมโครเมตร และค่า XRD FWHM ต่ำกว่า 150 อาร์ควินาที พื้นผิวนี้มีการเจือด้วยดีบุกหรือเหล็ก สารตั้งต้นนำไฟฟ้าที่เจือด้วยดีบุกมีความเข้มข้นของการเจือปนอยู่ที่ 1E18 ถึง 9E18 cm−3 ในขณะที่สารตั้งต้นกึ่งฉนวนที่เจือด้วยเหล็กมีความต้านทานสูงกว่า 10E10 Ω cm
2.2 วิธีการ MOCVD
MOCVD ใช้สารประกอบโลหะอินทรีย์เป็นวัสดุตั้งต้นในการสร้างฟิล์มบาง ทำให้สามารถผลิตในเชิงพาณิชย์ได้ในปริมาณมาก เมื่อทำการปลูก Ga2O3 โดยใช้วิธี MOCVD มักใช้ trimethylgallium (TMGa), triethylgallium (TEGa) และ Ga (dipentyl glycol formate) เป็นแหล่งกำเนิด Ga ในขณะที่ใช้ H2O, O2 หรือ N2O เป็นแหล่งกำเนิดออกซิเจน การปลูกโดยใช้วิธีนี้โดยทั่วไปต้องใช้ความร้อนสูง (>800°C) เทคโนโลยีนี้มีศักยภาพที่จะบรรลุความเข้มข้นของพาหะต่ำและความคล่องตัวของอิเล็กตรอนทั้งในอุณหภูมิสูงและต่ำ ดังนั้นจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการสร้างอุปกรณ์ไฟฟ้า β-Ga2O3 ประสิทธิภาพสูง เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการปลูกแบบ MBE แล้ว MOCVD มีข้อได้เปรียบในการบรรลุอัตราการเติบโตของฟิล์ม β-Ga2O3 ที่สูงมากเนื่องจากคุณลักษณะของการเติบโตที่อุณหภูมิสูงและปฏิกิริยาทางเคมี
รูปที่ 7 β-Ga2O3 (010) ภาพ AFM
รูปที่ 8 β-Ga2O3 ความสัมพันธ์ระหว่างค่า μ และความต้านทานแผ่นที่วัดโดยวิธีฮอลล์กับอุณหภูมิ
2.3 วิธี HVPE
HVPE เป็นเทคโนโลยีการปลูกผลึกแบบเอพิแท็กเซียที่พัฒนาแล้วและถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการปลูกผลึกแบบเอพิแท็กเซียของสารกึ่งตัวนำสารประกอบ III-V HVPE มีชื่อเสียงในด้านต้นทุนการผลิตต่ำ อัตราการเติบโตที่รวดเร็ว และความหนาของฟิล์มสูง อย่างไรก็ตาม ควรสังเกตว่า HVPE β-Ga2O3 มักแสดงลักษณะพื้นผิวที่หยาบและมีความหนาแน่นของข้อบกพร่องและหลุมบนพื้นผิวสูง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีกระบวนการขัดเงาทางเคมีและเชิงกลก่อนการผลิตอุปกรณ์ เทคโนโลยี HVPE สำหรับการปลูกผลึกแบบเอพิแท็กเซียของ β-Ga2O3 มักใช้ก๊าซ GaCl และ O2 เป็นสารตั้งต้นเพื่อส่งเสริมปฏิกิริยาอุณหภูมิสูงของเมทริกซ์ (001) β-Ga2O3 รูปที่ 9 แสดงสภาพพื้นผิวและอัตราการเติบโตของฟิล์มเอพิแท็กเซียเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา บริษัท Novel Crystal Technology Inc. ของญี่ปุ่นประสบความสำเร็จทางการค้าอย่างมากในการผลิต β-Ga2O3 แบบโฮโมเอพิแท็กเซียด้วย HVPE โดยมีความหนาของชั้นเอพิแท็กเซีย 5 ถึง 10 ไมโครเมตร และขนาดเวเฟอร์ 2 และ 4 นิ้ว นอกจากนี้ แผ่นเวเฟอร์โฮโมอิพิแท็กเซียล HVPE β-Ga2O3 หนา 20 ไมโครเมตร ที่ผลิตโดย China Electronics Technology Group Corporation ก็ได้เข้าสู่ขั้นตอนการจำหน่ายเชิงพาณิชย์แล้วเช่นกัน
รูปที่ 9 วิธี HVPE β-Ga2O3
2.4 วิธี PLD
เทคโนโลยี PLD ส่วนใหญ่ใช้ในการสร้างฟิล์มออกไซด์ที่ซับซ้อนและโครงสร้างเฮเทอโร ในระหว่างกระบวนการเติบโตแบบ PLD พลังงานโฟตอนจะถูกส่งไปยังวัสดุเป้าหมายผ่านกระบวนการปล่อยอิเล็กตรอน แตกต่างจาก MBE ตรงที่อนุภาคต้นกำเนิดของ PLD ถูกสร้างขึ้นโดยรังสีเลเซอร์ที่มีพลังงานสูงมาก (>100 eV) และจากนั้นจึงถูกสะสมลงบนพื้นผิวที่ให้ความร้อน อย่างไรก็ตาม ในระหว่างกระบวนการการระเหย อนุภาคพลังงานสูงบางส่วนจะกระทบกับพื้นผิววัสดุโดยตรง ทำให้เกิดข้อบกพร่องแบบจุดและลดคุณภาพของฟิล์ม เช่นเดียวกับวิธี MBE RHEED สามารถใช้ในการตรวจสอบโครงสร้างพื้นผิวและสัณฐานวิทยาของวัสดุแบบเรียลไทม์ในระหว่างกระบวนการสะสม β-Ga2O3 แบบ PLD ทำให้ผู้วิจัยได้รับข้อมูลการเติบโตที่แม่นยำ คาดว่าวิธีการ PLD จะสามารถสร้างฟิล์ม β-Ga2O3 ที่นำไฟฟ้าได้สูง ทำให้เป็นวิธีการแก้ปัญหาการสัมผัสแบบโอห์มิกที่เหมาะสมที่สุดในอุปกรณ์ไฟฟ้า Ga2O3
รูปที่ 10 ภาพ AFM ของ Ga2O3 ที่เจือด้วย Si
2.5 วิธี MIST-CVD
MIST-CVD เป็นเทคโนโลยีการเติบโตของฟิล์มบางที่ค่อนข้างง่ายและคุ้มค่า วิธีการ CVD นี้เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาการพ่นสารตั้งต้นที่เป็นละอองลงบนพื้นผิวเพื่อสร้างฟิล์มบาง อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบัน Ga2O3 ที่ปลูกโดยใช้ Mist CVD ยังขาดคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดี ซึ่งยังมีโอกาสอีกมากสำหรับการปรับปรุงและเพิ่มประสิทธิภาพในอนาคต
วันที่เผยแพร่: 30 พฤษภาคม 2024