2. Epitaksiyel ince film büyümesi
Alt tabaka, Ga2O3 güç cihazları için fiziksel bir destek katmanı veya iletken katman sağlar. Bir sonraki önemli katman, voltaj direnci ve taşıyıcı iletimi için kullanılan kanal katmanı veya epitaksiyel katmandır. Arıza voltajını artırmak ve iletim direncini en aza indirmek için, kontrol edilebilir kalınlık ve katkılama konsantrasyonunun yanı sıra optimum malzeme kalitesi de bazı ön koşullardır. Yüksek kaliteli Ga2O3 epitaksiyel katmanlar tipik olarak moleküler ışın epitaksisi (MBE), metal organik kimyasal buhar biriktirme (MOCVD), halojenür buhar biriktirme (HVPE), darbeli lazer biriktirme (PLD) ve sis CVD tabanlı biriktirme teknikleri kullanılarak biriktirilir.
Tablo 2 Bazı temsili epitaksiyel teknolojiler
2.1 MBE yöntemi
MBE teknolojisi, ultra yüksek vakum ortamı ve yüksek malzeme saflığı sayesinde kontrol edilebilir n-tipi katkılama ile yüksek kaliteli, kusursuz β-Ga2O3 filmlerini büyütme yeteneğiyle ünlüdür. Sonuç olarak, en yaygın olarak incelenen ve potansiyel olarak ticarileştirilebilecek β-Ga2O3 ince film biriktirme teknolojilerinden biri haline gelmiştir. Ek olarak, MBE yöntemi ayrıca yüksek kaliteli, düşük katkılı heteroyapı β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 ince film tabakasını da başarıyla hazırlamıştır. MBE, yansıma yüksek enerjili elektron kırınımı (RHEED) kullanarak yüzey yapısını ve morfolojisini atomik katman hassasiyetinde gerçek zamanlı olarak izleyebilir. Bununla birlikte, MBE teknolojisi kullanılarak büyütülen β-Ga2O3 filmleri hala düşük büyüme hızı ve küçük film boyutu gibi birçok zorlukla karşı karşıyadır. Çalışma, büyüme hızının (010)>(001)>(−201)>(100) sırasında olduğunu bulmuştur. 650 ila 750°C arasındaki hafif Ga açısından zengin koşullar altında, β-Ga2O3 (010), pürüzsüz bir yüzey ve yüksek büyüme hızı ile optimum büyüme sergiler. Bu yöntem kullanılarak, 0,1 nm'lik RMS pürüzlülüğü ile β-Ga2O3 epitaksi başarıyla elde edilmiştir. Şekilde, Ga açısından zengin bir ortamda farklı sıcaklıklarda büyütülen β-Ga2O3 MBE filmleri gösterilmektedir. Novel Crystal Technology Inc., 10 × 15 mm2 β-Ga2O3MBE wafer'larını başarıyla epitaksiyel olarak üretmiştir. 500 μm kalınlığında ve 150 ark saniyenin altında XRD FWHM değerine sahip yüksek kaliteli (010) yönelimli β-Ga2O3 tek kristal alt tabakalar sağlarlar. Alt tabaka Sn veya Fe katkılıdır. Kalay katkılı iletken alt tabakanın katkı konsantrasyonu 1E18 ile 9E18 cm−3 arasındadır, demir katkılı yarı iletken alt tabakanın öz direnci ise 10E10 Ω cm'den daha yüksektir.
2.2 MOCVD yöntemi
MOCVD, ince filmlerin büyütülmesi için öncü malzeme olarak metal organik bileşikleri kullanır ve böylece büyük ölçekli ticari üretim sağlar. MOCVD yöntemiyle Ga2O3 büyütülürken, genellikle Ga kaynağı olarak trimetilgalyum (TMGa), trietilgalyum (TEGa) ve Ga (dipentil glikol format) kullanılırken, oksijen kaynağı olarak H2O, O2 veya N2O kullanılır. Bu yöntemle büyüme genellikle yüksek sıcaklıklar (>800°C) gerektirir. Bu teknoloji, düşük taşıyıcı konsantrasyonu ve yüksek ve düşük sıcaklık elektron hareketliliği elde etme potansiyeline sahip olduğundan, yüksek performanslı β-Ga2O3 güç cihazlarının gerçekleştirilmesi için büyük önem taşımaktadır. MBE büyüme yöntemiyle karşılaştırıldığında, MOCVD, yüksek sıcaklıkta büyüme ve kimyasal reaksiyonların özellikleri nedeniyle β-Ga2O3 filmlerinin çok yüksek büyüme hızlarına ulaşma avantajına sahiptir.
Şekil 7 β-Ga2O3 (010) AFM görüntüsü
Şekil 8 β-Ga2O3 Hall yöntemiyle ölçülen μ ve tabaka direnci ile sıcaklık arasındaki ilişki
2.3 HVPE yöntemi
HVPE, olgun bir epitaksiyel teknolojidir ve III-V bileşik yarı iletkenlerin epitaksiyel büyümesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. HVPE, düşük üretim maliyeti, hızlı büyüme hızı ve yüksek film kalınlığı ile bilinir. Bununla birlikte, HVPE β-Ga2O3'ün genellikle pürüzlü yüzey morfolojisi ve yüksek yoğunlukta yüzey kusurları ve çukurları sergilediği unutulmamalıdır. Bu nedenle, cihazın üretiminden önce kimyasal ve mekanik parlatma işlemleri gereklidir. β-Ga2O3 epitaksisi için HVPE teknolojisi, (001) β-Ga2O3 matrisinin yüksek sıcaklık reaksiyonunu teşvik etmek için genellikle öncül olarak gaz halindeki GaCl ve O2 kullanır. Şekil 9, epitaksiyel filmin yüzey durumunu ve büyüme hızını sıcaklığın bir fonksiyonu olarak göstermektedir. Son yıllarda, Japonya'nın Novel Crystal Technology Inc. şirketi, 5 ila 10 μm epitaksiyel katman kalınlıkları ve 2 ve 4 inç wafer boyutlarıyla HVPE homoepitaksiyel β-Ga2O3'te önemli ticari başarılar elde etmiştir. Ek olarak, Çin Elektronik Teknoloji Grubu Şirketi tarafından üretilen 20 μm kalınlığındaki HVPE β-Ga2O3 homoepitaksiyel levhalar da ticarileştirme aşamasına girmiştir.
Şekil 9 HVPE yöntemi β-Ga2O3
2.4 PLD yöntemi
PLD teknolojisi esas olarak karmaşık oksit filmlerin ve heteroyapıların biriktirilmesinde kullanılır. PLD büyüme sürecinde, foton enerjisi elektron emisyon süreci yoluyla hedef malzemeye aktarılır. MBE'nin aksine, PLD kaynak parçacıkları son derece yüksek enerjili (>100 eV) lazer radyasyonu ile oluşturulur ve daha sonra ısıtılmış bir alt tabaka üzerine biriktirilir. Bununla birlikte, aşındırma işlemi sırasında, bazı yüksek enerjili parçacıklar doğrudan malzeme yüzeyine çarparak nokta kusurları oluşturur ve böylece filmin kalitesini düşürür. MBE yöntemine benzer şekilde, RHEED, PLD β-Ga2O3 biriktirme işlemi sırasında malzemenin yüzey yapısını ve morfolojisini gerçek zamanlı olarak izlemek için kullanılabilir ve araştırmacıların büyüme bilgilerini doğru bir şekilde elde etmelerini sağlar. PLD yönteminin, yüksek iletkenliğe sahip β-Ga2O3 filmlerinin büyümesini sağlaması ve Ga2O3 güç cihazlarında optimize edilmiş bir ohmik temas çözümü olması beklenmektedir.
Şekil 10. Si katkılı Ga2O3'ün AFM görüntüsü.
2.5 MIST-CVD yöntemi
MIST-CVD, nispeten basit ve uygun maliyetli bir ince film büyütme teknolojisidir. Bu CVD yöntemi, ince film biriktirme işlemini gerçekleştirmek için atomize edilmiş bir öncü maddenin bir alt tabaka üzerine püskürtülmesi reaksiyonunu içerir. Bununla birlikte, şimdiye kadar sis CVD kullanılarak büyütülen Ga2O3'ün elektriksel özellikleri hala yetersizdir ve bu da gelecekte iyileştirme ve optimizasyon için büyük bir alan bırakmaktadır.
Yayın tarihi: 30 Mayıs 2024