Oksidētu stāvošu graudu un epitaksiālās augšanas tehnoloģija-II

2. Epitaksiāla plānās plēves augšana

Substrāts nodrošina fizisku atbalsta slāni jeb vadošu slāni Ga2O3 barošanas ierīcēm. Nākamais svarīgais slānis ir kanāla slānis jeb epitaksiālais slānis, ko izmanto sprieguma pretestībai un nesēju transportam. Lai palielinātu sabrukšanas spriegumu un samazinātu vadītspējas pretestību, daži no priekšnoteikumiem ir kontrolējams biezums un leģēšanas koncentrācija, kā arī optimāla materiāla kvalitāte. Augstas kvalitātes Ga2O3 epitaksiālie slāņi parasti tiek uzklāti, izmantojot molekulāro staru epitaksiju (MBE), metālorganisko ķīmisko tvaiku pārklāšanu (MOCVD), halogenīdu tvaiku pārklāšanu (HVPE), impulsa lāzera pārklāšanu (PLD) un miglas CVD uzklāšanas metodes.

2. tabula. Dažas reprezentatīvas epitaksiālās tehnoloģijas.

2.1 MBE metode

MBE tehnoloģija ir pazīstama ar savu spēju audzēt augstas kvalitātes, bezdefektu β-Ga2O3 plēves ar kontrolējamu n-tipa dopingu, pateicoties tās īpaši augstajam vakuuma videi un augstajai materiāla tīrībai. Tā rezultātā tā ir kļuvusi par vienu no visplašāk pētītajām un potenciāli komercializētajām β-Ga2O3 plāno kārtiņu uzklāšanas tehnoloģijām. Turklāt MBE metode veiksmīgi sagatavoja arī augstas kvalitātes, maz leģētu heterostruktūras β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 plāno kārtiņu. MBE var uzraudzīt virsmas struktūru un morfoloģiju reāllaikā ar atomu slāņa precizitāti, izmantojot atstarošanas augstas enerģijas elektronu difrakciju (RHEED). Tomēr β-Ga2O3 plēves, kas audzētas, izmantojot MBE tehnoloģiju, joprojām saskaras ar daudzām problēmām, piemēram, zemu augšanas ātrumu un mazu plēves izmēru. Pētījumā tika atklāts, ka augšanas ātrums bija (010)>(001)>(−201)>(100). Nedaudz Ga bagātos apstākļos 650 līdz 750°C temperatūrā β-Ga2O3 (010) uzrāda optimālu augšanu ar gludu virsmu un augstu augšanas ātrumu. Izmantojot šo metodi, tika veiksmīgi panākta β-Ga2O3 epitaksija ar RMS raupjumu 0,1 nm. β-Ga2O3 Ga bagātā vidē dažādās temperatūrās audzētas MBE plēves ir parādītas attēlā. Novel Crystal Technology Inc. ir veiksmīgi epitaksiāli izgatavojis 10 × 15 mm2 β-Ga2O3 MBE plāksnes. Tās nodrošina augstas kvalitātes (010) orientētus β-Ga2O3 monokristāla substrātus ar 500 μm biezumu un XRD FWHM zem ​​150 loka sekundēm. Substrāts ir ar Sn vai Fe leģēts. Ar Sn leģētajam vadošajam substrātam leģējuma koncentrācija ir no 1E18 līdz 9E18cm−3, savukārt ar dzelzi leģētajam pusizolējošajam substrātam ir pretestība, kas lielāka par 10E10 Ω cm.

2.2 MOCVD metode

MOCVD izmanto metālorganiskos savienojumus kā prekursoru materiālus plānu kārtiņu audzēšanai, tādējādi panākot liela mēroga komerciālu ražošanu. Audzējot Ga2O3, izmantojot MOCVD metodi, kā Ga avotu parasti izmanto trimetilgalliju (TMGa), trietilgalliju (TEGa) un Ga (dipentilglikola formiātu), savukārt kā skābekļa avotu izmanto H2O, O2 vai N2O. Audzēšanai, izmantojot šo metodi, parasti ir nepieciešama augsta temperatūra (>800°C). Šai tehnoloģijai ir potenciāls sasniegt zemu nesēju koncentrāciju un elektronu mobilitāti augstā un zemā temperatūrā, tāpēc tai ir liela nozīme augstas veiktspējas β-Ga2O3 jaudas ierīču realizēšanā. Salīdzinot ar MBE audzēšanas metodi, MOCVD priekšrocība ir ļoti augstu β-Ga2O3 kārtiņu augšanas ātrumu sasniegšana, pateicoties augstas temperatūras augšanas un ķīmisko reakciju īpašībām.

7. attēls β-Ga2O3 (010) AFM attēls

8. attēls. β-Ga2O3. Savstarpējā saistība starp μ un loksnes pretestību, kas mērīta ar Hola metodi un temperatūru.

2.3 HVPE metode

HVPE ir nobriedusi epitaksiālā tehnoloģija, un to plaši izmanto III-V savienojumu pusvadītāju epitaksiālajā audzēšanā. HVPE ir pazīstams ar zemām ražošanas izmaksām, ātru augšanas ātrumu un augstu plēves biezumu. Jāatzīmē, ka HVPEβ-Ga2O3 parasti ir raupja virsmas morfoloģija un augsts virsmas defektu un bedru blīvums. Tāpēc pirms ierīces ražošanas ir nepieciešami ķīmiskie un mehāniskie pulēšanas procesi. HVPE tehnoloģija β-Ga2O3 epitaksijai parasti izmanto gāzveida GaCl un O2 kā prekursorus, lai veicinātu (001) β-Ga2O3 matricas augstas temperatūras reakciju. 9. attēlā parādīts epitaksiālās plēves virsmas stāvoklis un augšanas ātrums kā temperatūras funkcija. Pēdējos gados Japānas uzņēmums Novel Crystal Technology Inc. ir guvis ievērojamus komerciālus panākumus HVPE homoepitaksiālajā β-Ga2O3 ar epitaksiālā slāņa biezumu no 5 līdz 10 μm un plākšņu izmēriem 2 un 4 collas. Turklāt komercializācijas stadijā ir nonākušas arī China Electronics Technology Group Corporation ražotās 20 μm biezās HVPE β-Ga2O3 homoepitaksiālās plāksnes.

9. attēls. HVPE metode β-Ga2O3

2.4 PLD metode

PLD tehnoloģiju galvenokārt izmanto sarežģītu oksīda plēvju un heterostruktūru uzklāšanai. PLD augšanas procesā fotonu enerģija tiek saistīta ar mērķa materiālu, izmantojot elektronu emisijas procesu. Atšķirībā no MBE, PLD avota daļiņas tiek veidotas ar lāzera starojumu ar ārkārtīgi augstu enerģiju (>100 eV) un pēc tam uzklātas uz sakarsēta substrāta. Tomēr ablācijas procesa laikā dažas augstas enerģijas daļiņas tieši iedarbosies uz materiāla virsmu, radot punktveida defektus un tādējādi samazinot plēves kvalitāti. Līdzīgi kā MBE metodi, RHEED var izmantot, lai reāllaikā uzraudzītu materiāla virsmas struktūru un morfoloģiju PLD β-Ga2O3 uzklāšanas procesa laikā, ļaujot pētniekiem precīzi iegūt informāciju par augšanu. Paredzams, ka PLD metode ļaus izaudzēt ļoti vadošas β-Ga2O3 plēves, padarot to par optimizētu omiskā kontakta risinājumu Ga2O3 jaudas ierīcēs.

10. attēls. Ar Si leģēta Ga2O3 AFM attēls

2.5 MIST-CVD metode

MIST-CVD ir relatīvi vienkārša un rentabla plāno kārtiņu audzēšanas tehnoloģija. Šī CVD metode ietver atomizēta prekursora izsmidzināšanas reakciju uz substrāta, lai panāktu plānas kārtiņas uzklāšanu. Tomēr līdz šim Ga2O3, kas audzēts, izmantojot miglas CVD, joprojām trūkst labu elektrisko īpašību, kas nākotnē atstāj daudz iespēju uzlabojumiem un optimizācijai.