2. Epitaxiális vékonyréteg-növekedés
Az aljzat fizikai tartóréteget vagy vezető réteget biztosít a Ga2O3 teljesítményeszközök számára. A következő fontos réteg a csatornaréteg vagy epitaxiális réteg, amelyet feszültségellenálláshoz és töltéshordozó-szállításhoz használnak. Az átütési feszültség növelése és a vezetési ellenállás minimalizálása érdekében a szabályozható vastagság és adalékolási koncentráció, valamint az optimális anyagminőség néhány előfeltétel. A kiváló minőségű Ga2O3 epitaxiális rétegeket jellemzően molekulasugaras epitaxiával (MBE), fémorganikus kémiai gőzfázisú leválasztással (MOCVD), halogenid gőzfázisú leválasztással (HVPE), impulzuslézeres leválasztással (PLD) és köd-CVD alapú leválasztási technikákkal választják le.
2. táblázat Néhány reprezentatív epitaxiális technológia
2.1 MBE módszer
Az MBE technológia arról híres, hogy képes kiváló minőségű, hibamentes β-Ga2O3 filmeket növeszteni szabályozható n-típusú adalékolással, az ultra-nagy vákuumkörnyezetének és a magas anyagtisztaságának köszönhetően. Ennek eredményeként az egyik legszélesebb körben tanulmányozott és potenciálisan kereskedelmi forgalomban kapható β-Ga2O3 vékonyréteg-leválasztási technológiává vált. Ezenkívül az MBE módszerrel sikeresen előállítottak egy kiváló minőségű, alacsony adalékolású heterostruktúrájú β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 vékonyréteget is. Az MBE valós időben képes monitorozni a felületi szerkezetet és morfológiát atomi rétegpontossággal a reflexiós nagy energiájú elektrondiffrakció (RHEED) segítségével. Az MBE technológiával növesztett β-Ga2O3 filmek azonban továbbra is számos kihívással néznek szembe, mint például az alacsony növekedési sebesség és a kis filmméret. A tanulmány megállapította, hogy a növekedési sebesség (010)>(001)>(-201)>(100) nagyságrendű volt. Enyhén Ga-gazdag, 650-750°C-os körülmények között a β-Ga2O3 (010) optimális növekedést mutat sima felülettel és magas növekedési sebességgel. Ezzel a módszerrel sikeresen elérték a β-Ga2O3 epitaxiális képalkotását 0,1 nm RMS érdességgel. β-Ga2O3 Az ábrán különböző hőmérsékleteken növesztett MBE filmek láthatók Ga-gazdag környezetben. A Novel Crystal Technology Inc. sikeresen állított elő epitaxiálisan 10 × 15 mm2 β-Ga2O3 MBE ostyákat. Ezek kiváló minőségű (010) orientációjú β-Ga2O3 egykristályos szubsztrátokat biztosítanak 500 μm vastagságban és 150 ívmásodperc alatti XRD FWHM-mel. A szubsztrát Sn-nel vagy Fe-vel adalékolt. Az Sn-nel adalékolt vezető szubsztrát adalékkoncentrációja 1E18 és 9E18cm−3 között van, míg a vassal adalékolt félszigetelő szubsztrát ellenállása nagyobb, mint 10E10 Ω cm.
2.2 MOCVD módszer
Az MOCVD fémorganikus vegyületeket használ prekurzor anyagként vékonyrétegek növesztéséhez, ezáltal nagyméretű kereskedelmi termelést érve el. A Ga2O3 MOCVD módszerrel történő növesztése során általában trimetil-galliumot (TMGa), trietil-galliumot (TEGa) és Ga-t (dipentil-glikol-formiát) használnak Ga-forrásként, míg H2O-t, O2-t vagy N2O-t oxigénforrásként. Az ezzel a módszerrel történő növesztés általában magas hőmérsékletet (>800°C) igényel. Ez a technológia alacsony töltéshordozó-koncentráció, valamint magas és alacsony hőmérsékletű elektronmobilitás elérésére képes, így nagy jelentőséggel bír a nagy teljesítményű β-Ga2O3 teljesítményeszközök megvalósítása szempontjából. Az MBE növekedési módszerrel összehasonlítva az MOCVD előnye, hogy a magas hőmérsékletű növekedés és a kémiai reakciók jellemzői miatt nagyon magas β-Ga2O3 filmek növekedési sebességét éri el.
7. ábra β-Ga2O3 (010) AFM kép
8. ábra β-Ga2O3 A μ és a Hall-lal, illetve hőmérséklettel mért lemezellenállás közötti összefüggés
2.3 HVPE módszer
A HVPE egy kiforrott epitaxiális technológia, amelyet széles körben alkalmaznak III-V vegyület félvezetők epitaxiális növekedésében. A HVPE alacsony előállítási költségéről, gyors növekedési sebességéről és nagy filmvastagságáról ismert. Meg kell jegyezni, hogy a HVPEβ-Ga2O3 általában durva felületi morfológiát és nagy felületi hibák és gödrök sűrűségét mutatja. Ezért az eszköz gyártása előtt kémiai és mechanikai polírozási eljárásokra van szükség. A β-Ga2O3 epitaxiális HVPE technológiája általában gáz halmazállapotú GaCl-t és O2-t használ prekurzorként a (001) β-Ga2O3 mátrix magas hőmérsékletű reakciójának elősegítésére. A 9. ábra az epitaxiális film felületi állapotát és növekedési sebességét mutatja a hőmérséklet függvényében. Az elmúlt években a japán Novel Crystal Technology Inc. jelentős kereskedelmi sikereket ért el a HVPE homoepitaxiális β-Ga2O3 terén, 5-10 μm epitaxiális rétegvastagsággal és 2 és 4 hüvelykes ostyamérettel. Ezenkívül a China Electronics Technology Group Corporation által gyártott 20 μm vastag HVPE β-Ga2O3 homoepitaxiális ostyák is kereskedelmi forgalomba hozatalra kerültek.
9. ábra HVPE módszer β-Ga2O3
2.4 PLD módszer
A PLD technológiát főként komplex oxidfilmek és heterostruktúrák leválasztására használják. A PLD növekedési folyamat során a fotonenergia elektronemissziós folyamaton keresztül kapcsolódik a célanyaghoz. Az MBE-vel ellentétben a PLD forrásrészecskéket rendkívül nagy energiájú (>100 eV) lézersugárzással képezik, majd egy fűtött hordozóra rakják le. Az ablációs folyamat során azonban egyes nagy energiájú részecskék közvetlenül az anyag felületére csapódnak, pontszerű hibákat hozva létre, és ezáltal rontva a film minőségét. Az MBE módszerhez hasonlóan a RHEED segítségével valós időben monitorozható az anyag felületi szerkezete és morfológiája a PLD β-Ga2O3 leválasztási folyamat során, lehetővé téve a kutatók számára, hogy pontosan információkat szerezzenek a növekedésről. A PLD módszer várhatóan nagy vezetőképességű β-Ga2O3 filmeket növeszt, így optimalizált ohmos kontaktusmegoldássá válik a Ga2O3 teljesítményeszközökben.
10. ábra Si-vel adalékolt Ga₂O₃ AFM képe
2.5 MIST-CVD módszer
A MIST-CVD egy viszonylag egyszerű és költséghatékony vékonyréteg-növesztési technológia. Ez a CVD-módszer magában foglalja egy atomizált prekurzor hordozóra permetezésének reakcióját, hogy vékonyréteg-lerakódást érjen el. Azonban a köd-CVD-vel növesztett Ga2O3 eddig még nem rendelkezik jó elektromos tulajdonságokkal, ami sok teret enged a fejlesztésnek és az optimalizálásnak a jövőben.
Közzététel ideje: 2024. május 30.