Teknolohiya ng paglaki ng oksihenasyon ng nakatayong butil at epitaxial - II

2. Paglago ng manipis na pelikulang epitaxial

Ang substrate ay nagbibigay ng pisikal na layer ng suporta o conductive layer para sa mga Ga2O3 power device. Ang susunod na mahalagang layer ay ang channel layer o epitaxial layer na ginagamit para sa voltage resistance at carrier transport. Upang mapataas ang breakdown voltage at mabawasan ang conduction resistance, ang kontroladong kapal at doping concentration, pati na rin ang pinakamainam na kalidad ng materyal, ay ilan sa mga kinakailangan. Ang mga de-kalidad na Ga2O3 epitaxial layer ay karaniwang idinedeposito gamit ang molecular beam epitaxy (MBE), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), halide vapor deposition (HVPE), pulsed laser deposition (PLD), at mga fog CVD based deposition techniques.

Talahanayan 2 Ilang kinatawan na teknolohiyang epitaxial

2.1 Paraan ng MBE

Kilala ang teknolohiyang MBE sa kakayahang magpalago ng mga de-kalidad at walang depektong β-Ga2O3 films na may kontroladong n-type doping dahil sa ultra-high vacuum environment at mataas na kadalisayan ng materyal. Dahil dito, ito ay naging isa sa mga pinaka-pinag-aralan at potensyal na komersyalisadong teknolohiya ng β-Ga2O3 thin film deposition. Bukod pa rito, matagumpay din na naihanda ng MBE method ang isang de-kalidad at low-doped heterostructure β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 thin film layer. Maaaring subaybayan ng MBE ang istruktura at morpolohiya ng ibabaw nang real time gamit ang atomic layer precision gamit ang reflection high energy electron diffraction (RHEED). Gayunpaman, ang mga β-Ga2O3 films na pinalaki gamit ang teknolohiyang MBE ay nahaharap pa rin sa maraming hamon, tulad ng mababang growth rate at maliit na laki ng film. Natuklasan ng pag-aaral na ang growth rate ay nasa order na (010)>(001)>(−201)>(100). Sa ilalim ng mga kondisyong medyo mayaman sa Ga na 650 hanggang 750°C, ang β-Ga2O3 (010) ay nagpapakita ng pinakamainam na paglaki na may makinis na ibabaw at mataas na bilis ng paglaki. Gamit ang pamamaraang ito, ang β-Ga2O3 epitaxy ay matagumpay na nakamit na may RMS roughness na 0.1 nm. β-Ga2O3 Sa isang kapaligirang mayaman sa Ga, ang mga MBE film na lumaki sa iba't ibang temperatura ay ipinapakita sa larawan. Ang Novel Crystal Technology Inc. ay matagumpay na nakagawa ng 10 × 15mm2 β-Ga2O3MBE wafers sa pamamagitan ng epitaxial na paraan. Nagbibigay ang mga ito ng mataas na kalidad na (010) oriented β-Ga2O3 single crystal substrates na may kapal na 500 μm at XRD FWHM na mas mababa sa 150 arc seconds. Ang substrate ay Sn doped o Fe doped. Ang Sn-doped conductive substrate ay may doping concentration na 1E18 hanggang 9E18cm−3, habang ang iron-doped semi-insulating substrate ay may resistivity na mas mataas kaysa sa 10E10 Ω cm.

2.2 Paraan ng MOCVD

Gumagamit ang MOCVD ng mga metal organic compound bilang mga precursor material upang mapalago ang mga manipis na pelikula, sa gayon ay nakakamit ang malawakang komersyal na produksyon. Kapag pinapalago ang Ga2O3 gamit ang pamamaraan ng MOCVD, ang trimethylgallium (TMGa), triethylgallium (TEGa) at Ga (dipentyl glycol formate) ay karaniwang ginagamit bilang pinagmumulan ng Ga, habang ang H2O, O2 o N2O ay ginagamit bilang pinagmumulan ng oxygen. Ang paglago gamit ang pamamaraang ito ay karaniwang nangangailangan ng mataas na temperatura (>800°C). Ang teknolohiyang ito ay may potensyal na makamit ang mababang konsentrasyon ng carrier at mataas at mababang temperaturang electron mobility, kaya't ito ay may malaking kahalagahan sa pagsasakatuparan ng mga high-performance na β-Ga2O3 power device. Kung ikukumpara sa pamamaraan ng paglago ng MBE, ang MOCVD ay may bentahe ng pagkamit ng napakataas na rate ng paglago ng mga β-Ga2O3 film dahil sa mga katangian ng paglago sa mataas na temperatura at mga reaksiyong kemikal.

Larawan 7 β-Ga2O3 (010) AFM na imahe

Pigura 8 β-Ga2O3 Ang ugnayan sa pagitan ng μ at resistensya ng sheet na sinusukat ng Hall at temperatura

2.3 Paraan ng HVPE

Ang HVPE ay isang mature na teknolohiyang epitaxial at malawakang ginagamit sa epitaxial growth ng III-V compound semiconductors. Kilala ang HVPE sa mababang gastos sa produksyon, mabilis na rate ng paglago, at mataas na kapal ng pelikula. Dapat tandaan na ang HVPEβ-Ga2O3 ay karaniwang nagpapakita ng magaspang na morpolohiya ng ibabaw at mataas na densidad ng mga depekto at hukay sa ibabaw. Samakatuwid, kinakailangan ang mga proseso ng kemikal at mekanikal na pagpapakintab bago gawin ang aparato. Ang teknolohiyang HVPE para sa β-Ga2O3 epitaxy ay karaniwang gumagamit ng gaseous GaCl at O2 bilang mga precursor upang isulong ang high-temperature reaction ng (001) β-Ga2O3 matrix. Ipinapakita ng Figure 9 ang kondisyon ng ibabaw at rate ng paglago ng epitaxial film bilang function ng temperatura. Sa mga nakaraang taon, ang Novel Crystal Technology Inc. ng Japan ay nakamit ang makabuluhang komersyal na tagumpay sa HVPE homoepitaxial β-Ga2O3, na may kapal ng epitaxial layer na 5 hanggang 10 μm at laki ng wafer na 2 at 4 na pulgada. Bukod pa rito, ang 20 μm na kapal na HVPE β-Ga2O3 homoepitaxial wafers na ginawa ng China Electronics Technology Group Corporation ay pumasok na rin sa yugto ng komersiyalisasyon.

Pigura 9 Paraan ng HVPE β-Ga2O3

2.4 Paraan ng PLD

Ang teknolohiyang PLD ay pangunahing ginagamit upang magdeposito ng mga kumplikadong oxide film at heterostructure. Sa panahon ng proseso ng paglaki ng PLD, ang enerhiya ng photon ay ikinakabit sa target na materyal sa pamamagitan ng proseso ng electron emission. Kabaligtaran ng MBE, ang mga source particle ng PLD ay nabubuo sa pamamagitan ng laser radiation na may napakataas na enerhiya (>100 eV) at kasunod na idinedeposito sa isang pinainit na substrate. Gayunpaman, sa panahon ng proseso ng ablation, ang ilang mga high-energy particle ay direktang makakaapekto sa ibabaw ng materyal, na lilikha ng mga point defect at sa gayon ay mababawasan ang kalidad ng film. Katulad ng pamamaraan ng MBE, ang RHEED ay maaaring gamitin upang subaybayan ang istruktura at morpolohiya ng ibabaw ng materyal nang real time sa panahon ng proseso ng pagdeposito ng PLD β-Ga2O3, na nagbibigay-daan sa mga mananaliksik na tumpak na makakuha ng impormasyon sa paglaki. Inaasahang magpapalago ang pamamaraan ng PLD ng mga highly conductive β-Ga2O3 film, na ginagawa itong isang na-optimize na ohmic contact solution sa mga Ga2O3 power device.

Pigura 10 Larawan ng AFM ng Ga2O3 na may doping Si

2.5 Paraan ng MIST-CVD

Ang MIST-CVD ay isang medyo simple at matipid na teknolohiya sa pagpapatubo ng thin film. Ang pamamaraang CVD na ito ay kinabibilangan ng reaksyon ng pag-spray ng isang atomized precursor sa isang substrate upang makamit ang thin film deposition. Gayunpaman, sa ngayon, ang Ga2O3 na pinatubo gamit ang mist CVD ay kulang pa rin sa magagandang electrical properties, na nag-iiwan ng maraming puwang para sa pagpapabuti at pag-optimize sa hinaharap.