酸化立粒および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、電圧抵抗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ためには、厚さとドーピング濃度を制御できること、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、一般的に分子線エピタキシー（MBE）、有機金属化学気相成長法（MOCVD）、ハロゲン化物気相成長法（HVPE）、パルスレーザー堆積法（PLD）、およびフォグCVD法を用いた堆積技術によって成膜されます。

表2 代表的なエピタキシャル技術

2.1 MBE法

MBE技術は、超高真空環境と高純度材料により、制御可能なn型ドーピングを備えた高品質で欠陥のないβ-Ga2O3膜を成長させる能力で知られています。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つとなっています。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薄膜層も作製することに成功しました。MBEは、反射高速電子回折(RHEED)を使用して、原子層精度で表面構造と形態をリアルタイムで監視できます。しかし、MBE技術を使用して成長したβ-Ga2O3膜は、成長速度が低い、膜のサイズが小さいなど、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)の順であることがわかりました。 650～750℃のややGaリッチな条件下では、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。この方法を使用して、RMS粗さ0.1 nmのβ-Ga2O3エピタキシャル成長が成功しました。図には、Gaリッチな環境で異なる温度で成長させたβ-Ga2O3 MBE膜が示されています。Novel Crystal Technology Inc.は、10 × 15mm2のβ-Ga2O3 MBEウェーハのエピタキシャル製造に成功しました。同社は、厚さ500 μm、XRD FWHMが150秒角以下の高品質の(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をドープした導電性基板のドーピング濃度は1E18～9E18cm−3であるのに対し、鉄をドープした半絶縁性基板の抵抗率は10E10Ωcm以上である。

2.2 MOCVD法

MOCVDは金属有機化合物を前駆体材料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法を用いてGa2O3を成長させる場合、通常、ガリウム源としてトリメチルガリウム（TMGa）、トリエチルガリウム（TEGa）、およびGa（ジペンチルグリコールホルメート）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は一般的に高温（>800℃）を必要とします。この技術は、低キャリア濃度と高温および低温での電子移動度を実現する可能性があり、高性能β-Ga2O3パワーデバイスの実現に非常に重要な意味を持ちます。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 ホール効果測定による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族化合物半導体のエピタキシャル成長に広く用いられています。HVPEは、製造コストが低く、成長速度が速く、膜厚が大き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、表面欠陥やピットが高密度に存在することに注意が必要です。そのため、デバイスの製造前に化学研磨と機械研磨の工程が必要となります。β-Ga2O3エピタキシャル成長のためのHVPE技術では、通常、(001)β-Ga2O3マトリックスの高温反応を促進するために、前駆体として気体状のGaClとO2を使用します。図9は、温度の関数として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、日本のノベルクリスタルテクノロジー株式会社は、HVPEホモエピタキシャルβ-Ga2O3において、エピタキシャル層厚5～10μm、ウェハサイズ2インチおよび4インチ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、商業化段階に入った。

図9 HVPE法 β-Ga2O3

2.4 PLD法

PLD技術は主に複雑な酸化物薄膜やヘテロ構造の成膜に用いられます。PLD成長プロセスでは、電子放出プロセスによっ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の原料粒子は極めて高いエネルギー（>100 eV）のレーザー光によって形成され、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中に、高エネルギー粒子の一部が材料表面に直接衝突し、点欠陥を生成して膜の品質を低下させます。MBE法と同様に、RHEEDを用いることで、PLD β-Ga2O3成膜プロセス中に材料の表面構造や形態をリアルタイムでモニタリングすることができ、研究者は成長情報を正確に取得できます。PLD法は高導電性のβ-Ga2O3薄膜を成長させると期待されており、Ga2O3パワーデバイスにおける最適なオーミックコンタクトソリューションとなることが期待されています。