2. Epitaktisches Dünnschichtwachstum
Das Substrat dient als physikalische Trägerschicht oder leitfähige Schicht für Ga2O3-Leistungsbauelemente. Die nächste wichtige Schicht ist die Kanalschicht oder Epitaxieschicht, die für Spannungsfestigkeit und Ladungsträgertransport dient. Um die Durchbruchspannung zu erhöhen und den Leitungswiderstand zu minimieren, sind kontrollierbare Dicke und Dotierungskonzentration sowie optimale Materialqualität Grundvoraussetzungen. Hochwertige Ga2O3-Epitaxieschichten werden typischerweise mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE), metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD), Halogeniddampfabscheidung (HVPE), gepulster Laserabscheidung (PLD) und Nebel-CVD-basierten Abscheidungsverfahren abgeschieden.
Tabelle 2 Einige repräsentative Epitaxietechnologien
2.1 MBE-Methode
Die MBE-Technologie ist bekannt für ihre Fähigkeit, aufgrund ihrer Ultrahochvakuumumgebung und hohen Materialreinheit hochwertige, defektfreie β-Ga2O3-Filme mit steuerbarer n-Typ-Dotierung herzustellen. Daher hat sie sich zu einer der am besten untersuchten und potenziell kommerziell nutzbaren β-Ga2O3-Dünnschichtabscheidungstechnologien entwickelt. Darüber hinaus konnte mit der MBE-Methode auch eine hochwertige, niedrigdotierte Heterostruktur-β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3-Dünnschicht erfolgreich hergestellt werden. Durch die Reflexions-Hochenergie-Elektronenbeugung (RHEED) kann MBE die Oberflächenstruktur und -morphologie mit atomarer Schichtpräzision in Echtzeit überwachen. Allerdings sind mit MBE-Technologie hergestellte β-Ga2O3-Filme noch mit vielen Herausforderungen konfrontiert, wie z. B. einer niedrigen Wachstumsrate und geringen Filmgröße. Die Studie ergab, dass die Wachstumsrate in der Größenordnung von (010)>(001)>(−201)>(100) lag. Unter leicht Ga-reichen Bedingungen von 650 bis 750 °C zeigt β-Ga2O3 (010) optimales Wachstum mit glatter Oberfläche und hoher Wachstumsrate. Mit dieser Methode gelang eine β-Ga2O3-Epitaxie mit einer RMS-Rauheit von 0,1 nm. Die Abbildung zeigt MBE-Filme, die in einer Ga-reichen Umgebung bei unterschiedlichen Temperaturen gewachsen sind. Novel Crystal Technology Inc. hat erfolgreich 10 × 15 mm2 β-Ga2O3MBE-Wafer epitaktisch hergestellt. Sie liefern hochwertige (010)-orientierte β-Ga2O3-Einkristallsubstrate mit einer Dicke von 500 μm und einer XRD-FWHM unter 150 Bogensekunden. Das Substrat ist Sn- oder Fe-dotiert. Das mit Sn dotierte leitfähige Substrat weist eine Dotierungskonzentration von 1E18 bis 9E18cm−3 auf, während das mit Eisen dotierte halbisolierende Substrat einen spezifischen Widerstand von über 10E10 Ω cm aufweist.
2.2 MOCVD-Verfahren
MOCVD verwendet metallorganische Verbindungen als Vorläufermaterialien zum Wachstum dünner Filme, wodurch eine kommerzielle Produktion im großen Maßstab erreicht wird. Beim Wachstum von Ga2O3 mithilfe der MOCVD-Methode werden üblicherweise Trimethylgallium (TMGa), Triethylgallium (TEGa) und Ga (Dipentylglykolformiat) als Ga-Quelle verwendet, während H2O, O2 oder N2O als Sauerstoffquelle dienen. Das Wachstum mithilfe dieser Methode erfordert im Allgemeinen hohe Temperaturen (> 800 °C). Mit dieser Technologie lassen sich niedrige Trägerkonzentrationen sowie Elektronenmobilität bei hohen und niedrigen Temperaturen erreichen, weshalb sie für die Herstellung von β-Ga2O3-Hochleistungsbauelementen von großer Bedeutung ist. Im Vergleich zum MBE-Wachstumsverfahren hat MOCVD aufgrund der Eigenschaften des Hochtemperaturwachstums und der chemischen Reaktionen den Vorteil, sehr hohe Wachstumsraten von β-Ga2O3-Filmen zu erreichen.
Abbildung 7 β-Ga2O3 (010) AFM-Bild
Abbildung 8 β-Ga2O3 Die Beziehung zwischen μ und Schichtwiderstand gemessen durch Hall und Temperatur
2.3 HVPE-Methode
HVPE ist eine ausgereifte Epitaxietechnologie und wird häufig für das epitaktische Wachstum von III-V-Verbindungshalbleitern eingesetzt. HVPE zeichnet sich durch niedrige Produktionskosten, schnelle Wachstumsraten und hohe Filmdicken aus. Es ist zu beachten, dass HVPE-β-Ga2O3 üblicherweise eine raue Oberflächenmorphologie und eine hohe Dichte an Oberflächendefekten und Vertiefungen aufweist. Daher sind vor der Herstellung des Bauteils chemische und mechanische Polierprozesse erforderlich. Die HVPE-Technologie für die β-Ga2O3-Epitaxie verwendet üblicherweise gasförmiges GaCl und O2 als Vorläufer, um die Hochtemperaturreaktion der (001) β-Ga2O3-Matrix zu fördern. Abbildung 9 zeigt den Oberflächenzustand und die Wachstumsrate des epitaktischen Films in Abhängigkeit von der Temperatur. In den letzten Jahren erzielte die japanische Novel Crystal Technology Inc. mit HVPE-homoepitaktischem β-Ga2O3 bedeutende kommerzielle Erfolge mit epitaktischen Schichtdicken von 5 bis 10 μm und Wafergrößen von 2 und 4 Zoll. Darüber hinaus befinden sich 20 μm dicke HVPE β-Ga2O3-Homoepitaxial-Wafer der China Electronics Technology Group Corporation in der Vermarktungsphase.
Abbildung 9 HVPE-Methode β-Ga2O3
2.4 PLD-Methode
Die PLD-Technologie wird hauptsächlich zur Abscheidung komplexer Oxidschichten und Heterostrukturen eingesetzt. Während des PLD-Wachstumsprozesses wird Photonenenergie durch Elektronenemission an das Zielmaterial gekoppelt. Im Gegensatz zur MBE werden PLD-Quellpartikel durch Laserstrahlung mit extrem hoher Energie (> 100 eV) erzeugt und anschließend auf einem erhitzten Substrat abgeschieden. Während des Ablationsprozesses treffen jedoch einige hochenergetische Partikel direkt auf die Materialoberfläche, wodurch Punktdefekte entstehen und die Qualität der Schicht beeinträchtigt wird. Ähnlich wie bei der MBE-Methode kann RHEED verwendet werden, um die Oberflächenstruktur und -morphologie des Materials während des PLD-β-Ga2O3-Abscheidungsprozesses in Echtzeit zu überwachen und so genaue Wachstumsinformationen zu erhalten. Mit der PLD-Methode sollen hochleitfähige β-Ga2O3-Schichten wachsen, was sie zu einer optimierten ohmschen Kontaktlösung in Ga2O3-Leistungsbauelementen macht.
Abbildung 10 AFM-Bild von Si-dotiertem Ga2O3
2.5 MIST-CVD-Methode
MIST-CVD ist eine relativ einfache und kostengünstige Technologie zur Dünnschichtbildung. Bei diesem CVD-Verfahren wird ein zerstäubter Vorläufer auf ein Substrat gesprüht, um eine Dünnschichtabscheidung zu erzielen. Bisher mangelt es Ga2O3, das mittels Nebel-CVD hergestellt wurde, jedoch noch an guten elektrischen Eigenschaften, was in Zukunft viel Raum für Verbesserungen und Optimierungen lässt.
Veröffentlichungszeit: 30. Mai 2024