2. Epitaxní růst tenkých vrstev
Substrát poskytuje fyzickou nosnou vrstvu nebo vodivou vrstvu pro výkonová zařízení Ga2O3. Další důležitou vrstvou je kanálová vrstva nebo epitaxní vrstva používaná pro napěťový odpor a transport nosičů náboje. Pro zvýšení průrazného napětí a minimalizaci vodivostního odporu jsou nezbytné regulovatelná tloušťka a koncentrace dopování, stejně jako optimální kvalita materiálu. Vysoce kvalitní epitaxní vrstvy Ga2O3 se obvykle nanášejí pomocí molekulární paprskové epitaxe (MBE), depozice z plynné fáze organokovových sloučenin (MOCVD), depozice z plynné fáze halogenidových sloučenin (HVPE), pulzní laserové depozice (PLD) a technik depozice založené na mlze CVD.
Tabulka 2 Některé reprezentativní epitaxní technologie
2.1 Metoda MBE
Technologie MBE je proslulá svou schopností pěstovat vysoce kvalitní, bezdefektní filmy β-Ga2O3 s řízeným dopováním typu n díky ultravysokému vakuu a vysoké čistotě materiálu. Díky tomu se stala jednou z nejvíce studovaných a potenciálně komerčně využívaných technologií depozice tenkých filmů β-Ga2O3. Kromě toho metoda MBE také úspěšně připravila vysoce kvalitní, nízko dopovanou vrstvu tenkého filmu heterostruktury β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3. MBE umožňuje monitorovat povrchovou strukturu a morfologii v reálném čase s přesností atomární vrstvy pomocí reflexní difrakce vysokoenergetických elektronů (RHEED). Filmy β-Ga2O3 pěstované pomocí technologie MBE však stále čelí mnoha výzvám, jako je nízká rychlost růstu a malá velikost filmu. Studie zjistila, že rychlost růstu byla řádově (010)>(001)>(−201)>(100). Za podmínek mírně bohatých na Ga při teplotách 650 až 750 °C vykazuje β-Ga2O3 (010) optimální růst s hladkým povrchem a vysokou rychlostí růstu. Touto metodou bylo úspěšně dosaženo epitaxe β-Ga2O3 s drsností RMS 0,1 nm. Na obrázku jsou znázorněny filmy β-Ga2O3 v prostředí bohatém na Ga, které byly pěstovány při různých teplotách. Společnost Novel Crystal Technology Inc. úspěšně epitaxně vyrobila destičky β-Ga2O3MBE o rozměrech 10 × 15 mm2. Tyto destičky poskytují vysoce kvalitní (010) orientované monokrystalické substráty β-Ga2O3 s tloušťkou 500 μm a dobou XRD FWHM pod 150 obloukových sekund. Substrát je dopován Sn nebo Fe. Vodivý substrát dopovaný Sn má koncentraci dopování 1E18 až 9E18cm−3, zatímco poloizolační substrát dopovaný železem má odpor vyšší než 10E10 Ω cm.
2.2 Metoda MOCVD
Metoda MOCVD využívá organokovové sloučeniny jako prekurzorové materiály pro růst tenkých vrstev, čímž dosahuje komerční produkce ve velkém měřítku. Při růstu Ga2O3 metodou MOCVD se jako zdroj Ga obvykle používá trimethylgallium (TMGa), triethylgallium (TEGa) a Ga (dipentylglykolformiát), zatímco jako zdroj kyslíku se používají H2O, O2 nebo N2O. Růst touto metodou obecně vyžaduje vysoké teploty (>800 °C). Tato technologie má potenciál dosáhnout nízké koncentrace nosičů náboje a vysoké a nízké teplotní mobility elektronů, takže má velký význam pro realizaci vysoce výkonných výkonových zařízení β-Ga2O3. Ve srovnání s metodou růstu MBE má MOCVD výhodu v dosahování velmi vysokých rychlostí růstu vrstev β-Ga2O3 díky charakteristikám růstu za vysokých teplot a chemickým reakcím.
Obrázek 7 β-Ga2O3 (010) AFM snímek
Obrázek 8 β-Ga2O3 Vztah mezi μ a vrstvovým odporem měřeným Hallovou metodou a teplotou
2.3 Metoda HVPE
HVPE je vyspělá epitaxní technologie a široce se používá při epitaxním růstu polovodičů III-V. HVPE je známý svými nízkými výrobními náklady, rychlou rychlostí růstu a vysokou tloušťkou filmu. Je třeba poznamenat, že HVPEβ-Ga2O3 obvykle vykazuje drsnou povrchovou morfologii a vysokou hustotu povrchových defektů a důlků. Proto jsou před výrobou zařízení nutné chemické a mechanické lešticí procesy. Technologie HVPE pro epitaxi β-Ga2O3 obvykle používá plynné GaCl a O2 jako prekurzory k podpoře vysokoteplotní reakce matrice (001) β-Ga2O3. Obrázek 9 ukazuje stav povrchu a rychlost růstu epitaxní vrstvy v závislosti na teplotě. V posledních letech dosáhla japonská společnost Novel Crystal Technology Inc. významného komerčního úspěchu s homoepitaxním β-Ga2O3 z HVPE s tloušťkou epitaxní vrstvy 5 až 10 μm a velikostí destiček 2 a 4 palce. Kromě toho vstoupily do fáze komercializace také 20 μm silné homoepitaxní destičky HVPE β-Ga2O3 vyrobené společností China Electronics Technology Group Corporation.
Obrázek 9 Metoda HVPE β-Ga2O3
2.4 Metoda PLD
Technologie PLD se používá hlavně k nanášení komplexních oxidových filmů a heterostruktur. Během procesu růstu PLD je energie fotonů vázána na cílový materiál prostřednictvím procesu elektronové emise. Na rozdíl od MBE jsou zdrojové částice PLD tvořeny laserovým zářením s extrémně vysokou energií (>100 eV) a následně nanášeny na zahřátý substrát. Během ablačního procesu však některé vysokoenergetické částice přímo dopadají na povrch materiálu, čímž vytvářejí bodové defekty a tím snižují kvalitu filmu. Podobně jako metoda MBE lze RHEED použít k monitorování povrchové struktury a morfologie materiálu v reálném čase během procesu nanášení β-Ga2O3 pomocí PLD, což umožňuje vědcům přesně získat informace o růstu. Očekává se, že metoda PLD umožní růst vysoce vodivých filmů β-Ga2O3, což z ní činí optimalizované řešení ohmických kontaktů ve výkonových zařízeních Ga2O3.
Obrázek 10 AFM snímek Ga2O3 dopovaného křemíkem
2.5 Metoda MIST-CVD
MIST-CVD je relativně jednoduchá a nákladově efektivní technologie růstu tenkých vrstev. Tato metoda CVD zahrnuje reakci stříkání atomizovaného prekurzoru na substrát za účelem dosažení depozice tenkých vrstev. Ga2O3 pěstovaný pomocí mlžné CVD však dosud postrádá dobré elektrické vlastnosti, což ponechává velký prostor pro zlepšení a optimalizaci v budoucnu.
Čas zveřejnění: 30. května 2024