2. Epitaksiaalinen ohutkalvon kasvu
Substraatti tarjoaa fyysisen tukikerroksen tai johtavan kerroksen Ga2O3-teholaitteille. Seuraava tärkeä kerros on kanavakerros eli epitaksiaalikerros, jota käytetään jännitevastukseen ja varauksenkuljettajien kuljetukseen. Läpilyöntijännitteen lisäämiseksi ja johtavuusvastuksen minimoimiseksi on välttämätöntä säätää paksuutta ja seostuspitoisuutta sekä varmistaa optimaalinen materiaalin laatu. Korkealaatuiset Ga2O3-epitaksiaalikerrokset kerrostetaan tyypillisesti molekyylisuihkuepitaksiaa (MBE), metalliorgaanista kemiallista höyrypinnoitusta (MOCVD), halogenidihöyrypinnoitusta (HVPE), pulssilaserpinnoitusta (PLD) ja sumu-CVD-pohjaisia pinnoitustekniikoita käyttäen.
Taulukko 2 Joitakin edustavia epitaksiaalisia tekniikoita
2.1 MBE-menetelmä
MBE-teknologia tunnetaan kyvystään kasvattaa korkealaatuisia, virheettömiä β-Ga2O3-kalvoja hallittavalla n-tyypin seostuksella erittäin korkean tyhjiöympäristön ja materiaalin korkean puhtauden ansiosta. Tämän seurauksena siitä on tullut yksi laajimmin tutkituista ja potentiaalisesti kaupallisimmista β-Ga2O3-ohutkalvopinnoitustekniikoista. Lisäksi MBE-menetelmällä valmistettiin onnistuneesti korkealaatuinen, vähän seostettu heterostruktuurinen β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3-ohutkalvo. MBE voi seurata pinnan rakennetta ja morfologiaa reaaliajassa atomikerroksen tarkkuudella käyttämällä heijastavaa korkeaenergistä elektronidiffraktiota (RHEED). MBE-teknologialla kasvatetuilla β-Ga2O3-kalvoilla on kuitenkin edelleen monia haasteita, kuten alhainen kasvunopeus ja pieni kalvokoko. Tutkimuksessa havaittiin, että kasvunopeus oli luokkaa (010)>(001)>(−201)>(100). Hieman Ga-rikkaissa olosuhteissa 650–750 °C:ssa β-Ga2O3 (010) osoittaa optimaalista kasvua sileällä pinnalla ja korkealla kasvunopeudella. Tällä menetelmällä saavutettiin onnistuneesti β-Ga2O3-epitaksi, jonka RMS-karheus oli 0,1 nm. Kuvassa on esitetty eri lämpötiloissa kasvatetut β-Ga2O3-kalvot Ga-rikkaassa ympäristössä. Novel Crystal Technology Inc. on onnistuneesti epitaksiaalisesti tuottanut 10 × 15 mm2 β-Ga2O3 MBE-kiekkoja. Ne tarjoavat korkealaatuisia (010) orientoituja β-Ga2O3-yksikidealustoja, joiden paksuus on 500 μm ja XRD FWHM alle 150 kaarisekunnin. Alusta on Sn- tai Fe-seostettu. Sn-seostetun johtavan alustan seostuspitoisuus on 1E18–9E18cm−3, kun taas rautaseostetun puolieristävän alustan resistiivisyys on yli 10E10 Ω cm.
2.2 MOCVD-menetelmä
MOCVD käyttää metalliorgaanisia yhdisteitä lähtöaineina ohutkalvojen kasvattamiseen, mikä mahdollistaa laajamittaisen kaupallisen tuotannon. Kasvatettaessa Ga2O3:a MOCVD-menetelmällä, Ga-lähteenä käytetään yleensä trimetyyligalliumia (TMGa), trietyyligalliumia (TEGa) ja Ga:ta (dipentyyliglykoliformiaatti), kun taas happilähteenä käytetään H2O:ta, O2:ta tai N2O:ta. Kasvatus tällä menetelmällä vaatii yleensä korkeita lämpötiloja (> 800 °C). Tällä tekniikalla on potentiaalia saavuttaa alhainen varauksenkuljettajien pitoisuus ja elektronien liikkuvuus korkeissa ja matalissa lämpötiloissa, joten sillä on suuri merkitys korkean suorituskyvyn omaavien β-Ga2O3-teholaitteiden toteutuksessa. Verrattuna MBE-kasvatusmenetelmään MOCVD:llä on se etu, että se saavuttaa erittäin korkeat β-Ga2O3-kalvojen kasvunopeudet korkean lämpötilan kasvun ja kemiallisten reaktioiden ominaisuuksien ansiosta.
Kuva 7 β-Ga2O3 (010) AFM-kuva
Kuva 8. β-Ga2O3. μ:n ja Hallin ja lämpötilan avulla mitatun pintaresistanssin välinen suhde.
2.3 HVPE-menetelmä
HVPE on kypsä epitaksiaalinen teknologia, ja sitä on käytetty laajalti III-V-yhdistepuolijohteiden epitaksiaalisessa kasvatuksessa. HVPE tunnetaan alhaisista tuotantokustannuksistaan, nopeasta kasvunopeudestaan ja suuresta kalvon paksuudestaan. On huomattava, että HVPEβ-Ga2O3:lla on yleensä karkea pintamorfologia ja suuri pintavirheiden ja kuoppien tiheys. Siksi ennen laitteen valmistusta tarvitaan kemiallisia ja mekaanisia kiillotusprosesseja. β-Ga2O3-epitaksian HVPE-teknologiassa käytetään yleensä kaasumaista GaCl:a ja O2:ta lähtöaineina edistämään (001) β-Ga2O3-matriisin korkean lämpötilan reaktiota. Kuva 9 esittää epitaksiaalisen kalvon pinnan kuntoa ja kasvunopeutta lämpötilan funktiona. Viime vuosina japanilainen Novel Crystal Technology Inc. on saavuttanut merkittävää kaupallista menestystä HVPE-homoepitaksiaalisessa β-Ga2O3:ssa, jonka epitaksiaalisen kerroksen paksuus on 5–10 μm ja kiekkojen koko 2 ja 4 tuumaa. Lisäksi China Electronics Technology Group Corporationin tuottamat 20 μm paksuiset HVPE β-Ga2O3 -homoepitaksiaaliset kiekot ovat myös siirtyneet kaupallistamisvaiheeseen.
Kuva 9 HVPE-menetelmä β-Ga2O3
2.4 PLD-menetelmä
PLD-teknologiaa käytetään pääasiassa monimutkaisten oksidikalvojen ja heterorakenteiden kerrostamiseen. PLD-kasvatusprosessin aikana fotonienergia kytketään kohdemateriaaliin elektroniemissioprosessin kautta. Toisin kuin MBE:ssä, PLD-lähdehiukkaset muodostetaan erittäin korkeaenergisen (>100 eV) lasersäteilyn avulla ja kerrostetaan sitten lämmitetylle alustalle. Ablaatioprosessin aikana jotkut korkeaenergiset hiukkaset osuvat kuitenkin suoraan materiaalin pintaan, aiheuttaen pistemäisiä virheitä ja heikentäen siten kalvon laatua. MBE-menetelmän tavoin RHEED-menetelmää voidaan käyttää materiaalin pintarakenteen ja morfologian seurantaan reaaliajassa PLD β-Ga2O3 -kerrostusprosessin aikana, mikä mahdollistaa tutkijoiden tarkan kasvutiedon saamisen. PLD-menetelmän odotetaan kasvattavan erittäin johtavia β-Ga2O3-kalvoja, mikä tekee siitä optimoidun ohmisen kontaktiratkaisun Ga2O3-teholaitteissa.
Kuva 10. AFM-kuva piillä seostetusta Ga2O3:sta
2.5 MIST-CVD-menetelmä
MIST-CVD on suhteellisen yksinkertainen ja kustannustehokas ohutkalvokasvatustekniikka. Tässä CVD-menetelmässä sumutettua esiastetta suihkutetaan substraatille ohutkalvon aikaansaamiseksi. Tähän mennessä sumu-CVD:llä kasvatetulla Ga2O3:lla ei kuitenkaan vielä ole hyviä sähköisiä ominaisuuksia, mikä jättää paljon parantamisen ja optimoinnin varaa tulevaisuudessa.
Julkaisun aika: 30.5.2024