2. Sự phát triển màng mỏng theo phương pháp epitaxy
Lớp nền đóng vai trò là 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 màng mỏng được sử dụng để điều chỉnh điện áp và vận chuyển điện tích. Để tăng điện áp đánh thủng và giảm thiểu điện trở dẫn, cần có độ dày và nồng độ pha tạp có thể kiểm soát được, cũng như chất lượng vật liệu tối ưu. Các lớp màng mỏng Ga2O3 chất lượng cao thường được lắng đọng bằng các kỹ thuật lắng đọng chùm phân tử (MBE), lắng đọng hơi hóa học hữu cơ kim loại (MOCVD), lắng đọng hơi halogenua (HVPE), lắng đọng laser xung (PLD) và lắng đọng CVD dạng sương mù.
Bảng 2. Một số công nghệ epitaxy tiêu biểu.
2.1 Phương pháp MBE
Công nghệ MBE nổi tiếng với khả năng tạo ra các màng β-Ga2O3 chất lượng cao, không khuyết tật với khả năng kiểm soát pha tạp n-type nhờ 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 tiềm năng thương mại hóa cao nhất. Ngoài ra, phương pháp MBE cũng đã thành công trong việc chế tạo lớp màng mỏng dị cấu trúc β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 chất lượng cao, pha tạp thấp. MBE có thể theo dõi cấu trúc và hình thái bề mặt trong thời gian thực với độ chính xác lớp nguyên tử bằng cách sử dụng nhiễu xạ điện tử năng lượng cao phản xạ (RHEED). Tuy nhiên, các màng β-Ga2O3 được nuôi cấy bằng công nghệ MBE vẫn còn gặp nhiều thách thức, chẳng hạn như tốc độ tăng trưởng thấp và kích thước màng nhỏ. Nghiên cứu cho thấy tốc độ tăng trưởng theo thứ tự (010)>(001)>(−201)>(100). Trong điều kiện hơi giàu Ga ở nhiệt độ 650 đến 750°C, β-Ga2O3 (010) thể hiện sự phát triển tối ưu với bề mặt nhẵn và tốc độ tăng trưởng cao. Sử dụng phương pháp này, quá trình epitaxy β-Ga2O3 đã được thực hiện thành công với độ nhám RMS là 0,1 nm. Hình vẽ thể hiện các màng MBE β-Ga2O3 được nuôi cấy ở các nhiệt độ khác nhau trong môi trường giàu Ga. Công ty Novel Crystal Technology Inc. đã sản xuất thành công các tấm wafer MBE β-Ga2O3 kích thước 10 × 15mm2 bằng 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 độ rộng nửa cực đại (FWHM) của XRD dưới 150 giây cung. Chất nền được pha tạp Sn hoặc Fe. Lớp nền dẫn điện pha tạp Sn có nồng độ pha tạp từ 1E18 đến 9E18 cm−3, trong khi lớp nền bán cách điện pha tạp sắt có điện trở suất cao hơn 10E10 Ω cm.
2.2 Phương pháp MOCVD
Công nghệ MOCVD sử dụng các hợp chất hữu cơ kim loại làm nguyên liệu tiền chất để nuôi cấy màng mỏng, từ đó đạt được sản xuất thương mại quy mô lớn. Khi nuôi cấy 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. Quá trình nuôi cấy bằng phương pháp này thường yêu cầu nhiệt độ cao (>800°C). Công nghệ này có tiềm năng đạt được nồng độ hạt tải điện thấp và độ linh động điện tử 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 nuôi cấy MBE, MOCVD có ưu điểm là đạt được tốc độ nuôi cấy màng β-Ga2O3 rất cao nhờ đặc tính nuôi cấy 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 suất đo bằng phương pháp Hall và nhiệt độ
2.3 Phương pháp HVPE
HVPE là một công nghệ epitaxy đã trưởng thành và được sử dụng rộng rãi trong quá trình tăng trưởng epitaxy của các chất bán dẫn hợp chất III-V. HVPE nổi tiếng với chi phí sản xuất thấp, tốc độ tăng trưởng nhanh và độ dày màng cao. Cần lưu ý rằng HVPEβ-Ga2O3 thường có bề mặt gồ ghề và mật độ khuyết tật và hố bề mặt cao. Do đó, cần phải thực hiện các quy trình đánh bóng hóa học và cơ học trước khi chế tạo thiết bị. Công nghệ HVPE để tạo epitaxy β-Ga2O3 thường sử dụng khí GaCl và O2 làm tiền chất để thúc đẩy phản ứng ở nhiệt độ cao của ma trận β-Ga2O3 (001). Hình 9 cho thấy tình trạng bề mặt và tốc độ tăng trưởng của màng epitaxy theo nhiệt độ. Trong những năm gần đây, Công ty Novel Crystal Technology Inc. của Nhật Bản đã đạt được thành công thương mại đáng kể trong việc tạo epitaxy đồng nhất β-Ga2O3 bằng HVPE, với độ dày lớp epitaxy từ 5 đến 10 μm và kích thước wafer là 2 và 4 inch. Ngoài ra, các tấm wafer β-Ga2O3 đồng epitaxy 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 cấu trúc dị thể. Trong quá trình tăng trưởng PLD, năng lượng photon được truyền đến vật liệu đích thông qua quá trình phát xạ electron. Khác 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 chất nền được nung nóng. Tuy nhiên, trong quá trình bóc tách, một số hạt năng lượng cao sẽ tác động trực tiếp lên 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 trong thời gian thực trong quá trình lắng đọng β-Ga2O3 bằng PLD, cho phép các nhà nghiên cứu thu được thông tin tăng trưởng một cách chính xác. Phương pháp PLD được kỳ vọng sẽ tạo ra các màng β-Ga2O3 có độ dẫn điện cao, trở thành giải pháp tiếp xúc ohmic tối ưu trong các thiết bị điện Ga2O3.
Hình 10. Ảnh AFM của Ga2O3 pha tạp Si.
2.5 Phương pháp MIST-CVD
MIST-CVD là một công nghệ tạo màng mỏng tương đối đơn giản và tiết kiệm chi phí. Phương pháp CVD này bao gồm phản ứng phun tiền chất dạng nguyên tử lên chất nền để tạo ra màng mỏng. Tuy nhiên, cho đến nay, Ga2O3 được tạo ra bằng phương pháp MIST-CVD vẫn còn thiếu các đặc tính điện tốt, điều này mở ra nhiều dư địa để cải thiện và tối ưu hóa trong tương lai.
Thời gian đăng bài: 30 tháng 5 năm 2024