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 taşıma 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 bazı ön koşullardır. Yüksek kaliteli Ga2O3 epitaksiyel katmanlar tipik olarak moleküler ışın epitaksisi (MBE), metal organik kimyasal buhar biriktirme (MOCVD), halojen 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 filmleri yetiştirme yeteneği ile ünlüdür. Sonuç olarak, en çok incelenen ve potansiyel olarak ticarileştirilen β-Ga2O3 ince film biriktirme teknolojilerinden biri haline gelmiştir. Ek olarak, MBE yöntemi ayrıca yüksek kaliteli, düşük katkılı bir hetero yapı β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 ince film tabakasını başarıyla hazırlamıştır. MBE, yansımalı yüksek enerjili elektron kırınımı (RHEED) kullanarak atomik katman hassasiyetinde yüzey yapısını ve morfolojisini gerçek zamanlı olarak izleyebilir. Ancak, MBE teknolojisi kullanılarak yetiştirilen β-Ga2O3 filmleri hala düşük büyüme hızı ve küçük film boyutu gibi birçok zorlukla karşı karşıyadır. Çalışma, büyüme hızının (010)>(001)>(−201)>(100) mertebesinde olduğunu bulmuştur. 650 ila 750°C'lik hafif Ga açısından zengin koşullar altında, β-Ga2O3 (010), pürüzsüz bir yüzey ve yüksek büyüme hızı ile optimum büyüme gösterir. Bu yöntem kullanılarak, β-Ga2O3 epitaksi, 0,1 nm'lik bir RMS pürüzlülüğü ile başarıyla elde edildi. β-Ga2O3 Ga açısından zengin bir ortamda, farklı sıcaklıklarda büyütülen MBE filmleri şekilde gösterilmiştir. Novel Crystal Technology Inc., 10 × 15mm2 β-Ga2O3MBE gofretlerini epitaksiyel olarak başarıyla üretti. 500 μm kalınlığında ve 150 ark saniyenin altında XRD FWHM'ye sahip yüksek kaliteli (010) yönlendirilmiş β-Ga2O3 tek kristal alt tabakalar sağlarlar. Alt tabaka Sn katkılı veya Fe katkılıdır. Sn katkılı iletken alt tabakanın katkılama konsantrasyonu 1E18 ila 9E18cm−3 arasındayken, demir katkılı yarı yalıtkan alt tabakanın özdirenci 10E10 Ω cm'den daha yüksektir.
2.2 MOCVD yöntemi
MOCVD, ince filmler büyütmek için öncül malzemeler olarak metal organik bileşikler kullanır ve böylece büyük ölçekli ticari üretim elde eder. Ga2O3'ü MOCVD yöntemiyle büyütürken, 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 sıcaklıkta elektron hareketliliği elde etme potansiyeline sahiptir, bu nedenle yüksek performanslı β-Ga2O3 güç cihazlarının gerçekleştirilmesi için büyük önem taşır. MBE büyüme yöntemiyle karşılaştırıldığında, MOCVD, yüksek sıcaklıkta büyüme ve kimyasal reaksiyonların özellikleri nedeniyle β-Ga2O3 filmlerinin çok yüksek büyüme oranlarına ulaşma avantajına sahiptir.
Şekil 7 β-Ga2O3 (010) AFM görüntüsü
Şekil 8 β-Ga2O3 μ ile Hall ve sıcaklık tarafından ölçülen tabaka direnci arasındaki ilişki
2.3 HVPE yöntemi
HVPE olgun bir epitaksiyel teknolojidir ve III-V bileşik yarı iletkenlerin epitaksiyel büyümesinde yaygın olarak kullanılmıştır. HVPE düşük üretim maliyeti, hızlı büyüme hızı ve yüksek film kalınlığı ile bilinir. HVPEβ-Ga2O3'ün genellikle pürüzlü yüzey morfolojisi ve yüksek yoğunlukta yüzey kusurları ve çukurlar sergilediği unutulmamalıdır. Bu nedenle, cihazı üretmeden önce kimyasal ve mekanik parlatma işlemleri gereklidir. β-Ga2O3 epitaksisi için HVPE teknolojisi genellikle (001) β-Ga2O3 matrisinin yüksek sıcaklıktaki reaksiyonunu desteklemek için öncül olarak gaz halindeki GaCl ve O2 kullanır. Şekil 9, epitaksiyel filmin yüzey durumunu ve büyüme hızını sıcaklığa bağlı olarak gösterir. Son yıllarda, Japonya'nın Novel Crystal Technology Inc. şirketi, 5 ila 10 μm epitaksiyel katman kalınlıkları ve 2 ve 4 inçlik gofret boyutlarıyla HVPE homoepitaksiyel β-Ga2O3'te önemli bir ticari başarı elde etti. Ayrıca, China Electronics Technology Group Corporation tarafından üretilen 20 μm kalınlığındaki HVPE β-Ga2O3 homoepitaksiyel gofretler de ticarileştirme aşamasına girdi.
Şekil 9 HVPE yöntemi β-Ga2O3
2.4 PLD yöntemi
PLD teknolojisi esas olarak karmaşık oksit filmleri ve hetero yapıları biriktirmek için kullanılır. PLD büyüme süreci sırasında, foton enerjisi elektron emisyon süreci aracılığıyla hedef malzemeye bağlanır. 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. Ancak, ablasyon süreci 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 süreci sırasında malzemenin yüzey yapısını ve morfolojisini gerçek zamanlı olarak izlemek için kullanılabilir ve araştırmacıların büyüme bilgilerini doğru bir şekilde elde etmelerini sağlar. PLD yönteminin, Ga2O3 güç cihazlarında optimize edilmiş bir ohmik temas çözümü haline getirerek yüksek iletkenliğe sahip β-Ga2O3 filmleri büyütmesi beklenmektedir.
Şekil 10 Si katkılı Ga2O3'ün AFM görüntüsü
2.5 MIST-CVD yöntemi
MIST-CVD, nispeten basit ve uygun maliyetli bir ince film büyüme teknolojisidir. Bu CVD yöntemi, ince film birikimi elde etmek için atomize edilmiş bir öncülün bir alt tabakaya püskürtülmesi reaksiyonunu içerir. Ancak, şimdiye kadar, sis CVD kullanılarak büyütülen Ga2O3 hala iyi elektriksel özelliklerden yoksundur ve bu da gelecekte iyileştirme ve optimizasyon için çok fazla alan bırakmaktadır.
Yayınlanma zamanı: 30-Mayıs-2024