2. Епитаксиален растеж на тънък филм
Субстратът осигурява физически поддържащ слой или проводим слой за захранващи устройства Ga2O3. Следващият важен слой е каналният слой или епитаксиалният слой, използван за съпротивление на напрежението и транспорт на носители. За да се увеличи пробното напрежение и да се сведе до минимум съпротивлението на проводимост, е необходимо да се контролира дебелина и концентрация на легиращи вещества, както и оптимално качество на материала. Висококачествените епитаксиални слоеве Ga2O3 обикновено се отлагат чрез молекулярно-лъчева епитаксия (MBE), металоорганично химическо отлагане от газова фаза (MOCVD), халогенидно отлагане от газова фаза (HVPE), импулсно лазерно отлагане (PLD) и техники за отлагане, базирани на мъгла CVD.
Таблица 2 Някои представителни епитаксиални технологии
2.1 Метод на MBE
Технологията MBE е известна със способността си да отглежда висококачествени, бездефектни β-Ga2O3 филми с контролируемо n-тип легиране, благодарение на ултрависок вакуум и висока чистота на материала. В резултат на това тя се превърна в една от най-широко изучаваните и потенциално комерсиализирани технологии за отлагане на тънки филми от β-Ga2O3. Освен това, методът MBE успешно подготви висококачествен, нисколегиран хетероструктурен β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 тънък филм. MBE може да наблюдава повърхностната структура и морфология в реално време с прецизност на атомния слой, използвайки отражателна високоенергийна електронна дифракция (RHEED). Въпреки това, β-Ga2O3 филмите, отгледани с помощта на MBE технология, все още са изправени пред много предизвикателства, като ниска скорост на растеж и малък размер на филма. Проучването установи, че скоростта на растеж е от порядъка на (010)>(001)>(−201)>(100). При леко богати на Ga условия от 650 до 750°C, β-Ga2O3 (010) показва оптимален растеж с гладка повърхност и висока скорост на растеж. С помощта на този метод е успешно постигната β-Ga2O3 епитаксия с RMS грапавост от 0,1 nm. В богата на Ga среда, MBE филми, отглеждани при различни температури, са показани на фигурата. Novel Crystal Technology Inc. успешно епитаксиално произведе 10 × 15 mm2 β-Ga2O3MBE пластини. Те осигуряват висококачествени (010) ориентирани β-Ga2O3 монокристални субстрати с дебелина 500 μm и XRD FWHM под 150 дъгови секунди. Субстратът е легиран с Sn или Fe. Легираният с Sn проводящ субстрат има концентрация на легиране от 1E18 до 9E18cm−3, докато легираният с желязо полуизолационен субстрат има съпротивление по-високо от 10E10 Ω cm.
2.2 Метод MOCVD
MOCVD използва металоорганични съединения като прекурсорни материали за отглеждане на тънки филми, като по този начин постига мащабно търговско производство. При отглеждане на Ga2O3 по метода MOCVD, триметилгалий (TMGa), триетилгалий (TEGa) и Ga (дипентил гликол формиат) обикновено се използват като източник на Ga, докато H2O, O2 или N2O се използват като източник на кислород. Растежът по този метод обикновено изисква високи температури (>800°C). Тази технология има потенциала да постигне ниска концентрация на носители и висока и ниска температурна мобилност на електрони, така че е от голямо значение за реализирането на високоефективни β-Ga2O3 енергийни устройства. В сравнение с метода на MBE растеж, MOCVD има предимството да постига много високи скорости на растеж на β-Ga2O3 филми поради характеристиките на растеж при висока температура и химичните реакции.
Фигура 7 β-Ga2O3 (010) AFM изображение
Фигура 8 β-Ga2O3 Връзката между μ и съпротивлението на слоя, измерено чрез Хол, и температурата
2.3 Метод HVPE
HVPE е зряла епитаксиална технология и е широко използвана в епитаксиалния растеж на III-V съединения на полупроводници. HVPE е известен с ниската си производствена цена, бързия темп на растеж и високата дебелина на филма. Трябва да се отбележи, че HVPEβ-Ga2O3 обикновено показва грапава повърхностна морфология и висока плътност на повърхностни дефекти и вдлъбнатини. Следователно, преди производството на устройството са необходими химични и механични полиращи процеси. HVPE технологията за β-Ga2O3 епитаксия обикновено използва газообразни GaCl и O2 като прекурсори за насърчаване на високотемпературната реакция на (001) β-Ga2O3 матрицата. Фигура 9 показва състоянието на повърхността и скоростта на растеж на епитаксиалния филм като функция на температурата. През последните години японската Novel Crystal Technology Inc. постигна значителен търговски успех в HVPE хомоепитаксиалния β-Ga2O3, с дебелина на епитаксиалния слой от 5 до 10 μm и размери на пластините от 2 и 4 инча. Освен това, 20 μm дебели HVPE β-Ga2O3 хомоепитаксиални пластини, произведени от China Electronics Technology Group Corporation, също са навлезли в етап на комерсиализация.
Фигура 9 HVPE метод β-Ga2O3
2.4 PLD метод
PLD технологията се използва главно за отлагане на сложни оксидни филми и хетероструктури. По време на процеса на растеж с PLD, фотонната енергия се свързва с целевия материал чрез процеса на електронна емисия. За разлика от MBE, PLD изходните частици се формират от лазерно лъчение с изключително висока енергия (>100 eV) и впоследствие се отлагат върху нагрят субстрат. По време на процеса на аблация обаче, някои високоенергийни частици ще се отразят директно върху повърхността на материала, създавайки точкови дефекти и по този начин намалявайки качеството на филма. Подобно на метода MBE, RHEED може да се използва за наблюдение на повърхностната структура и морфология на материала в реално време по време на процеса на отлагане на β-Ga2O3 с PLD, което позволява на изследователите да получават точна информация за растежа. Очаква се PLD методът да отглежда високопроводими β-Ga2O3 филми, което го прави оптимизирано решение за омически контакт в Ga2O3 силови устройства.
Фигура 10 AFM изображение на Ga2O3, легиран с Si
2.5 MIST-CVD метод
MIST-CVD е сравнително проста и рентабилна технология за растеж на тънки филми. Този CVD метод включва реакцията на напръскване на атомизиран прекурсор върху субстрат за постигане на отлагане на тънък филм. Въпреки това, досега Ga2O3, отгледан с помощта на мъгла CVD, все още няма добри електрически свойства, което оставя много място за подобрение и оптимизация в бъдеще.
Време на публикуване: 30 май 2024 г.