Oksüdeeritud seisva tera ja epitaksiaalse kasvu tehnoloogia-II

2. Epitaksiaalne õhukese kile kasv

Substraat pakub Ga2O3 toiteseadmetele füüsilist tugikihti ehk juhtivat kihti. Järgmine oluline kiht on kanalikiht ehk epitaksiaalkiht, mida kasutatakse pingetakistuse ja laengukandjate transpordi jaoks. Läbilöögipinge suurendamiseks ja juhtivustakistuse minimeerimiseks on eeltingimuseks kontrollitav paksus ja legeerimiskontsentratsioon, samuti optimaalne materjali kvaliteet. Kvaliteetsed Ga2O3 epitaksiaalkihid sadestatakse tavaliselt molekulaarkiirepitaksial (MBE), metallorgaanilise keemilise aurustamise (MOCVD), halogeniidgaaside sadestamise (HVPE), impulsslasersadestamise (PLD) ja udu-CVD-põhiste sadestamistehnikate abil.

Tabel 2 Mõned tüüpilised epitaksiaalsed tehnoloogiad

2.1 MBE-meetod

MBE tehnoloogia on tuntud oma võime poolest kasvatada kvaliteetseid, defektivabu β-Ga2O3 kilesid kontrollitava n-tüüpi legeerimisega tänu ülikõrgele vaakumkeskkonnale ja materjali kõrgele puhtusele. Selle tulemusena on sellest saanud üks enim uuritud ja potentsiaalselt kommertsialiseeritud β-Ga2O3 õhukese kile sadestamise tehnoloogiaid. Lisaks valmistati MBE meetodi abil edukalt ka kvaliteetset, madala legeerimissisaldusega heterostruktuuriga β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 õhukese kilekihi. MBE abil saab pinna struktuuri ja morfoloogiat reaalajas jälgida aatomikihi täpsusega, kasutades peegeldusega kõrge energiaga elektrondifraktsiooni (RHEED). MBE tehnoloogia abil kasvatatud β-Ga2O3 kiled seisavad aga endiselt silmitsi paljude väljakutsetega, näiteks madal kasvukiirus ja väike kile suurus. Uuring näitas, et kasvukiirus oli suurusjärgus (010)>(001)>(-201)>(100). Kergelt Ga-rikastes tingimustes temperatuuril 650–750 °C näitab β-Ga2O3 (010) optimaalset kasvu sileda pinna ja suure kasvukiirusega. Selle meetodi abil saavutati edukalt β-Ga2O3 epitaksiaalne moodustumine RMS-karedusega 0,1 nm. Joonisel on näidatud β-Ga2O3 Ga-rikkas keskkonnas erinevatel temperatuuridel kasvatatud MBE-kiled. Novel Crystal Technology Inc. on epitaksiaalselt edukalt tootnud 10 × 15 mm2 β-Ga2O3 MBE vahvleid. Need pakuvad kvaliteetseid (010) orienteeritud β-Ga2O3 monokristallilisi substraate paksusega 500 μm ja XRD FWHM-iga alla 150 kaaresekundi. Substraat on Sn- või Fe-legeeritud. Sn-legeeritud juhtiva substraadi legeerimiskontsentratsioon on 1E18 kuni 9E18cm−3, samas kui rauaga legeeritud poolisoleeriva substraadi eritakistus on suurem kui 10E10 Ω cm.

2.2 MOCVD meetod

MOCVD kasutab õhukeste kilede kasvatamiseks lähteainetena metallorgaanilisi ühendeid, saavutades seeläbi suuremahulise kaubandusliku tootmise. Ga2O3 kasvatamisel MOCVD meetodil kasutatakse Ga allikana tavaliselt trimetüülgalliumi (TMGa), trietüülgalliumi (TEGa) ja Ga (dipentüülglükoolformiaati), hapniku allikana aga H2O, O2 või N2O. Selle meetodi abil kasvatamine nõuab üldiselt kõrgeid temperatuure (>800 °C). Sellel tehnoloogial on potentsiaal saavutada madal laengukandjate kontsentratsioon ning elektronide liikuvus nii kõrgel kui ka madalal temperatuuril, seega on see väga oluline suure jõudlusega β-Ga2O3 võimsusseadmete realiseerimisel. Võrreldes MBE kasvumeetodiga on MOCVD eeliseks β-Ga2O3 kilede väga kõrge kasvukiiruse saavutamine tänu kõrgel temperatuuril kasvu ja keemiliste reaktsioonide omadustele.

Joonis 7 β-Ga2O3 (010) AFM-pilt

Joonis 8. β-Ga2O3. Seos μ ja lehttakistuse vahel, mõõdetuna Halli ja temperatuuri abil.

2.3 HVPE meetod

HVPE on küps epitaksiaalne tehnoloogia ja seda on laialdaselt kasutatud III-V ühendite pooljuhtide epitaksiaalses kasvus. HVPE on tuntud oma madalate tootmiskulude, kiire kasvukiiruse ja suure kile paksuse poolest. Tuleb märkida, et HVPEβ-Ga2O3-l on tavaliselt kare pinnamorfoloogia ning suur pinnadefektide ja aukude tihedus. Seetõttu on enne seadme tootmist vaja keemilisi ja mehaanilisi poleerimisprotsesse. β-Ga2O3 epitaksia HVPE tehnoloogia kasutab tavaliselt gaasilist GaCl ja O2 lähteainetena, et soodustada (001) β-Ga2O3 maatriksi kõrgetemperatuurilist reaktsiooni. Joonis 9 näitab epitaksiaalse kile pinna seisundit ja kasvukiirust temperatuuri funktsioonina. Viimastel aastatel on Jaapani Novel Crystal Technology Inc. saavutanud märkimisväärset kaubanduslikku edu HVPE homoepitaksiaalse β-Ga2O3 tootmises, mille epitaksiaalse kihi paksus on 5–10 μm ja vahvlite suurus 2 ja 4 tolli. Lisaks on turustamise etappi jõudnud ka China Electronics Technology Group Corporationi toodetud 20 μm paksused HVPE β-Ga2O3 homoepitaksiaalsed vahvlid.

Joonis 9 HVPE meetod β-Ga2O3

2.4 PLD-meetod

PLD-tehnoloogiat kasutatakse peamiselt keerukate oksiidkilede ja heterostruktuuride sadestamiseks. PLD kasvuprotsessi käigus sidestatakse footonienergia sihtmaterjaliga elektronemissiooni protsessi kaudu. Erinevalt MBE-st moodustatakse PLD allikaosakesed äärmiselt kõrge energiaga (>100 eV) laserkiirguse abil ja seejärel sadestatakse kuumutatud aluspinnale. Ablatsiooniprotsessi käigus mõjutavad mõned kõrge energiaga osakesed aga otse materjali pinda, tekitades punktdefekte ja vähendades seeläbi kile kvaliteeti. Sarnaselt MBE-meetodile saab RHEED-meetodit kasutada materjali pinnastruktuuri ja morfoloogia jälgimiseks reaalajas PLD β-Ga2O3 sadestamisprotsessi ajal, mis võimaldab teadlastel saada täpset teavet kasvu kohta. PLD-meetodi abil loodetakse kasvatada kõrge juhtivusega β-Ga2O3 kilesid, mis teeb sellest optimeeritud oomilise kontaktlahenduse Ga2O3 võimsusseadmetes.

Joonis 10. Si-ga legeeritud Ga2O3 AFM-pilt

2.5 MIST-CVD meetod

MIST-CVD on suhteliselt lihtne ja kulutõhus õhukese kile kasvatamise tehnoloogia. See CVD-meetod hõlmab pihustatud lähteaine pihustamist aluspinnale õhukese kile sadestamise saavutamiseks. Siiski puuduvad udu-CVD abil kasvatatud Ga2O3-l seni head elektrilised omadused, mis jätab tulevikus palju ruumi täiustamiseks ja optimeerimiseks.