酸化立位粒子とエピタキシャル成長技術-Ⅱ

2. エピタキシャル薄膜成長

基板は、Ga2O3パワーデバイスの物理的な支持層または導電層として機能します。次に重要な層は、耐電圧とキャリア輸送に使用されるチャネル層またはエピタキシャル層です。絶縁破壊電圧を高め、伝導抵抗を最小限に抑えるには、制御可能な厚さとドーピング濃度、そして最適な材料品質が前提条件となります。高品質のGa2O3エピタキシャル層は、通常、分子線エピタキシー（MBE）、有機金属化学気相成長法（MOCVD）、ハライド気相成長法（HVPE）、パルスレーザー堆積法（PLD）、およびフォグCVDベースの堆積技術を用いて堆積されます。

表2 代表的なエピタキシャル技術

2.1 MBE法

MBE技術は、超高真空環境と高い材料純度により、n型ドーピングを制御可能な高品質で欠陥のないβ-Ga2O3膜を成長できることで知られています。その結果、最も広く研究され、商業化される可能性のあるβ-Ga2O3薄膜堆積技術の1つになりました。さらに、MBE法は、高品質で低ドープのヘテロ構造β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3薄膜層の作成にも成功しました。MBEは、反射高エネルギー電子回折（RHEED）を使用して、原子層の精度で表面構造と形態をリアルタイムで監視できます。ただし、MBE技術を使用して成長したβ-Ga2O3膜は、成長速度が低い、膜サイズが小さいなど、依然として多くの課題に直面しています。この研究では、成長速度は(010)>(001)>(-201)>(100)の順序であることがわかりました。 650～750℃のややGaに富む条件下では、β-Ga2O3（010）は滑らかな表面と高い成長速度で最適な成長を示します。この方法を用いて、RMS粗さ0.1nmのβ-Ga2O3エピタキシーを達成しました。図は、Gaに富む環境で異なる温度で成長したβ-Ga2O3 MBE膜を示しています。ノベルクリスタルテクノロジー社は、10×15mm²のβ-Ga2O3MBEウェハのエピタキシャル製造に成功しました。同社は、厚さ500μm、XRD FWHM 150秒未満の高品質（010）配向β-Ga2O3単結晶基板を提供しています。基板はSnドープまたはFeドープされています。 Snドープ導電性基板のドーピング濃度は1E18～9E18cm−3であるのに対し、鉄ドープ半絶縁性基板の抵抗率は10E10Ωcm以上である。

2.2 MOCVD法

MOCVD法は、金属有機化合物を前駆物質として薄膜を成長させることで、大規模な商業生産を実現しています。MOCVD法でGa2O3を成長させる場合、通常、Ga源としてトリメチルガリウム（TMGa）、トリエチルガリウム（TEGa）、Ga（ジペンチルグリコールフォーマート）が使用され、酸素源としてH2O、O2、またはN2Oが使用されます。この方法による成長には、通常、高温（> 800°C）が必要です。この技術は、低キャリア濃度と高温および低温の電子移動度を実現する可能性を秘めているため、高性能β-Ga2O3パワーデバイスの実現に大きな意義があります。MBE成長法と比較して、MOCVDは高温成長と化学反応の特性により、β-Ga2O3膜の非常に高い成長速度を実現できるという利点があります。

図 7 β-Ga2O3 (010) AFM 像

図8 β-Ga2O3 ホール効果で測定したμとシート抵抗および温度の関係

2.3 HVPE法

HVPE は成熟したエピタキシャル技術であり、III-V 化合物半導体のエピタキシャル成長に広く使用されています。HVPE は、製造コストが低く、成長速度が速く、膜厚が厚いことで知られています。ただし、HVPEβ-Ga2O3 は通常、表面形態が粗く、表面欠陥やピットの密度が高いことに注意してください。そのため、デバイスを製造する前に、化学的および機械的な研磨プロセスが必要です。β-Ga2O3 エピタキシー用の HVPE 技術では、通常、前駆物質として GaCl ガスと O2 を使用して、(001) β-Ga2O3 マトリックスの高温反応を促進します。図 9 は、温度の関数としてのエピタキシャル膜の表面状態と成長速度を示しています。近年、日本の Novel Crystal Technology 社は、エピタキシャル層の厚さが 5～10 μm、ウェーハサイズが 2 インチと 4 インチの HVPE ホモエピタキシャル β-Ga2O3 で大きな商業的成功を収めています。さらに、中国電子科技集団公司が製造した厚さ20μmのHVPE β-Ga2O3ホモエピタキシャルウェハも商用化段階に入った。

図9 HVPE法β-Ga2O3

2.4 PLD法

PLD技術は、主に複合酸化物膜やヘテロ構造の堆積に用いられます。PLD成長プロセスでは、電子放出プロセスを通じて光子エネルギーがターゲット材料に結合されます。MBEとは異なり、PLDソース粒子は極めて高エネルギー（> 100 eV）のレーザー照射によって形成され、その後、加熱された基板上に堆積されます。しかし、アブレーションプロセスでは、一部の高エネルギー粒子が材料表面に直接衝突し、点欠陥を発生させ、膜の品質を低下させます。MBE法と同様に、RHEEDはPLD β-Ga2O3堆積プロセス中に材料の表面構造と形態をリアルタイムで監視するために使用でき、研究者は成長情報を正確に得ることができます。PLD法は、高伝導性のβ-Ga2O3膜を成長させることが期待されており、Ga2O3パワーデバイスにおける最適化されたオーミックコンタクトソリューションとなります。