2. Phát triển màng mỏng epitaxial
Chất nền cung cấp lớp hỗ trợ vật lý hoặc lớp dẫn điện cho các thiết bị điện Ga2O3. Lớp quan trọng tiếp theo là lớp kênh hoặc lớp epitaxial được sử dụng cho điện trở điện áp và vận chuyển chất mang. Để tăng điện áp đánh thủng và giảm thiểu điện trở dẫn điện, độ dày có thể kiểm soát và nồng độ pha tạp, cũng như chất lượng vật liệu tối ưu, là một số điều kiện tiên quyết. Các lớp epitaxial Ga2O3 chất lượng cao thường được lắng đọng bằng các kỹ thuật epitaxy chùm phân tử (MBE), lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại (MOCVD), lắng đọng hơi halide (HVPE), lắng đọng laser xung (PLD) và lắng đọng dựa trên CVD sương mù.
Bảng 2 Một số công nghệ epitaxial tiêu biểu
2.1 Phương pháp MBE
Công nghệ MBE nổi tiếng với khả năng phát triển màng β-Ga2O3 chất lượng cao, không khuyết tật với pha tạp loại n có thể kiểm soát được do môi trường chân không cực cao và độ tinh khiết vật liệu cao. Do đó, nó đã trở thành một trong những công nghệ lắng đọng màng mỏng β-Ga2O3 được nghiên cứu rộng rãi nhất và có khả năng thương mại hóa. Ngoài ra, phương pháp MBE cũng đã chế tạo thành công lớp màng mỏng β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 có cấu trúc dị thể chất lượng cao, pha tạp thấp. MBE có thể theo dõi cấu trúc bề mặt và hình thái theo thời gian thực với độ chính xác của lớp nguyên tử bằng cách sử dụng nhiễu xạ điện tử năng lượng cao phản xạ (RHEED). Tuy nhiên, màng β-Ga2O3 được phát triển bằng công nghệ MBE vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức, chẳng hạn như tốc độ phát triển thấp và kích thước màng nhỏ. Nghiên cứu phát hiện ra rằng tốc độ phát triển theo thứ tự (010)> (001)> (−201)> (100). Trong điều kiện hơi giàu Ga từ 650 đến 750°C, β-Ga2O3 (010) thể hiện sự phát triển tối ưu với bề mặt nhẵn và tốc độ phát triển cao. Sử dụng phương pháp này, quá trình epitaxy β-Ga2O3 đã đạt được thành công với độ nhám RMS là 0,1 nm. β-Ga2O3 Trong môi trường giàu Ga, các màng MBE được phát triển ở các nhiệt độ khác nhau được thể hiện trong hình. Novel Crystal Technology Inc. đã sản xuất thành công các tấm wafer β-Ga2O3MBE 10 × 15mm2 theo phương pháp epitaxy. Họ cung cấp các chất nền tinh thể đơn β-Ga2O3 định hướng (010) chất lượng cao với độ dày 500 μm và XRD FWHM dưới 150 giây cung. Chất nền được pha tạp Sn hoặc pha tạp Fe. Chất nền dẫn điện pha tạp Sn có nồng độ pha tạp từ 1E18 đến 9E18cm−3, trong khi chất nền bán cách điện pha tạp sắt có điện trở suất cao hơn 10E10 Ω cm.
2.2 Phương pháp MOCVD
MOCVD sử dụng hợp chất hữu cơ kim loại làm vật liệu tiền chất để phát triển màng mỏng, do đó đạt được sản xuất thương mại quy mô lớn. Khi phát triển Ga2O3 bằng phương pháp MOCVD, trimethylgallium (TMGa), triethylgallium (TEGa) và Ga (dipentyl glycol formate) thường được sử dụng làm nguồn Ga, trong khi H2O, O2 hoặc N2O được sử dụng làm nguồn oxy. Phát triển bằng phương pháp này thường đòi hỏi nhiệt độ cao (>800 ° C). Công nghệ này có tiềm năng đạt được nồng độ chất mang thấp và độ linh động của electron ở nhiệt độ cao và thấp, do đó, nó có ý nghĩa rất lớn đối với việc hiện thực hóa các thiết bị điện β-Ga2O3 hiệu suất cao. So với phương pháp phát triển MBE, MOCVD có ưu điểm là đạt được tốc độ phát triển rất cao của màng β-Ga2O3 do đặc điểm phát triển ở nhiệt độ cao và các phản ứng hóa học.
Hình 7 Ảnh AFM β-Ga2O3 (010)
Hình 8 β-Ga2O3 Mối quan hệ giữa μ và điện trở tấm được đo bằng Hall và nhiệt độ
2.3 Phương pháp HVPE
HVPE là công nghệ epitaxy trưởng thành và đã được sử dụng rộng rãi trong quá trình phát triển epitaxy của chất bán dẫn hợp chất III-V. HVPE được biết đến với chi phí sản xuất thấp, tốc độ phát triển nhanh và độ dày màng cao. Cần lưu ý rằng HVPEβ-Ga2O3 thường có hình thái bề mặt gồ ghề và mật độ khuyết tật và rỗ bề mặt cao. Do đó, cần phải có các quy trình đánh bóng hóa học và cơ học trước khi sản xuất thiết bị. Công nghệ HVPE cho epitaxy β-Ga2O3 thường sử dụng GaCl và O2 dạng khí làm tiền chất để thúc đẩy phản ứng nhiệt độ cao của ma trận (001) β-Ga2O3. Hình 9 cho thấy tình trạng bề mặt và tốc độ phát triển của màng epitaxy theo nhiệt độ. Trong những năm gần đây, Novel Crystal Technology Inc. của Nhật Bản đã đạt được thành công thương mại đáng kể trong HVPE homoepitaxial β-Ga2O3, với độ dày lớp epitaxy từ 5 đến 10 μm và kích thước wafer là 2 và 4 inch. Ngoài ra, tấm wafer homoepitaxial β-Ga2O3 HVPE dày 20 μm do Tập đoàn Công nghệ Điện tử Trung Quốc sản xuất cũng đã bước vào giai đoạn thương mại hóa.
Hình 9 Phương pháp HVPE β-Ga2O3
2.4 Phương pháp PLD
Công nghệ PLD chủ yếu được sử dụng để lắng đọng các màng oxit phức tạp và các cấu trúc dị thể. Trong quá trình phát triển PLD, năng lượng photon được ghép nối với vật liệu mục tiêu thông qua quá trình phát xạ electron. Ngược lại với MBE, các hạt nguồn PLD được hình thành bởi bức xạ laser có năng lượng cực cao (>100 eV) và sau đó được lắng đọng trên một chất nền được gia nhiệt. Tuy nhiên, trong quá trình cắt bỏ, một số hạt năng lượng cao sẽ tác động trực tiếp đến bề mặt vật liệu, tạo ra các khuyết tật điểm và do đó làm giảm chất lượng của màng. Tương tự như phương pháp MBE, RHEED có thể được sử dụng để theo dõi cấu trúc bề mặt và hình thái của vật liệu theo thời gian thực trong quá trình lắng đọng PLD β-Ga2O3, cho phép các nhà nghiên cứu thu được thông tin phát triển chính xác. Phương pháp PLD dự kiến sẽ phát triển các màng β-Ga2O3 có độ dẫn điện cao, khiến nó trở thành giải pháp tiếp xúc ômi được tối ưu hóa trong các thiết bị nguồn Ga2O3.
Hình 10 Hình ảnh AFM của Ga2O3 pha tạp Si
2.5 Phương pháp MIST-CVD
MIST-CVD là công nghệ phát triển màng mỏng tương đối đơn giản và tiết kiệm chi phí. Phương pháp CVD này liên quan đến phản ứng phun một chất tiền chất dạng nguyên tử lên một chất nền để đạt được sự lắng đọng màng mỏng. Tuy nhiên, cho đến nay, Ga2O3 được phát triển bằng cách sử dụng sương mù CVD vẫn thiếu các đặc tính điện tốt, điều này để lại nhiều chỗ cho việc cải tiến và tối ưu hóa trong tương lai.
Thời gian đăng: 30-05-2024