3. Epitaxiale dunnefilmgroei
Het substraat biedt een fysieke steunlaag of geleidende laag voor Ga2O3-vermogensapparaten.De volgende belangrijke laag is de kanaallaag of epitaxiale laag die wordt gebruikt voor spanningsweerstand en dragertransport.Om de doorslagspanning te verhogen en de geleidingsweerstand te minimaliseren, zijn een regelbare dikte en dopingconcentratie, evenals een optimale materiaalkwaliteit, enkele vereisten.Hoogwaardige Ga2O3-epitaxiale lagen worden doorgaans afgezet met behulp van moleculaire bundelepitaxie (MBE), metaalorganische chemische dampdepositie (MOCVD), halogenidedampdepositie (HVPE), gepulseerde laserdepositie (PLD) en mist-CVD-gebaseerde depositietechnieken.
Tabel 2 Enkele representatieve epitaxiale technologieën
3.1 MBE-methode
MBE-technologie staat bekend om zijn vermogen om hoogwaardige, defectvrije β-Ga2O3-films te kweken met controleerbare n-type doping vanwege de ultrahoge vacuümomgeving en de hoge materiaalzuiverheid.Als gevolg hiervan is het een van de meest bestudeerde en potentieel gecommercialiseerde β-Ga2O3-dunnefilmdepositietechnologieën geworden.Bovendien bereidde de MBE-methode ook met succes een hoogwaardige, laaggedoteerde heterostructuur β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 dunne filmlaag voor.MBE kan de oppervlaktestructuur en morfologie in realtime monitoren met atomaire laagprecisie door gebruik te maken van reflectie-hoge-energie-elektronendiffractie (RHEED).β-Ga2O3-films gekweekt met behulp van MBE-technologie worden echter nog steeds geconfronteerd met veel uitdagingen, zoals een lage groeisnelheid en een klein filmformaat.Uit het onderzoek bleek dat de groeisnelheid in de orde van (010)>(001)>(−201)>(100) lag.Onder enigszins Ga-rijke omstandigheden van 650 tot 750°C vertoont β-Ga2O3 (010) een optimale groei met een glad oppervlak en een hoge groeisnelheid.Met behulp van deze methode werd met succes β-Ga2O3-epitaxie bereikt met een RMS-ruwheid van 0,1 nm.β-Ga2O3 In een Ga-rijke omgeving worden MBE-films getoond die bij verschillende temperaturen zijn gegroeid in de figuur.Novel Crystal Technology Inc. heeft met succes epitaxiaal 10 x 15 mm2 β-Ga2O3MBE-wafels geproduceerd.Ze bieden hoogwaardige (010) georiënteerde β-Ga2O3 monokristallijne substraten met een dikte van 500 μm en XRD FWHM van minder dan 150 boogseconden.Het substraat is Sn-gedoteerd of Fe-gedoteerd.Het Sn-gedoteerde geleidende substraat heeft een doteringsconcentratie van 1E18 tot 9E18cm−3, terwijl het met ijzer gedoteerde semi-isolerende substraat een soortelijke weerstand heeft die hoger is dan 10E10 Ω cm.
3.2 MOCVD-methode
MOCVD gebruikt metaalorganische verbindingen als precursormaterialen om dunne films te laten groeien, waardoor grootschalige commerciële productie wordt bereikt.Bij het kweken van Ga2O3 met behulp van de MOCVD-methode worden gewoonlijk trimethylgallium (TMGa), triethylgallium (TEGa) en Ga (dipentylglycolformiaat) gebruikt als Ga-bron, terwijl H2O, O2 of N2O als zuurstofbron worden gebruikt.Voor het kweken met deze methode zijn doorgaans hoge temperaturen nodig (>800°C).Deze technologie heeft het potentieel om een lage dragerconcentratie en elektronenmobiliteit bij hoge en lage temperaturen te bereiken, en is dus van groot belang voor de realisatie van krachtige β-Ga2O3-vermogensapparaten.Vergeleken met de MBE-groeimethode heeft MOCVD het voordeel dat het zeer hoge groeisnelheden van β-Ga2O3-films bereikt vanwege de kenmerken van groei bij hoge temperaturen en chemische reacties.
Figuur 7 β-Ga2O3 (010) AFM-afbeelding
Figuur 8 β-Ga2O3 De relatie tussenμen plaatweerstand gemeten door Hall en temperatuur
3.3 HVPE-methode
HVPE is een volwassen epitaxiale technologie en wordt veel gebruikt bij de epitaxiale groei van III-V-samengestelde halfgeleiders.HVPE staat bekend om zijn lage productiekosten, snelle groeisnelheid en hoge filmdikte.Opgemerkt moet worden dat HVPEβ-Ga2O3 gewoonlijk een ruwe oppervlaktemorfologie en een hoge dichtheid aan oppervlaktedefecten en putjes vertoont.Daarom zijn chemische en mechanische polijstprocessen vereist voordat het apparaat wordt vervaardigd.HVPE-technologie voor β-Ga2O3-epitaxie maakt gewoonlijk gebruik van gasvormig GaCl en O2 als voorlopers om de reactie bij hoge temperatuur van de (001) β-Ga2O3-matrix te bevorderen.Figuur 9 toont de oppervlakteconditie en groeisnelheid van de epitaxiale film als functie van de temperatuur.De afgelopen jaren heeft het Japanse Novel Crystal Technology Inc. aanzienlijk commercieel succes geboekt met HVPE homeepitaxiaal β-Ga2O3, met epitaxiale laagdiktes van 5 tot 10 μm en wafelgroottes van 2 en 4 inch.Bovendien zijn 20 μm dikke HVPE β-Ga2O3 homeepitaxiale wafers, geproduceerd door China Electronics Technology Group Corporation, ook de commercialiseringsfase ingegaan.
Figuur 9 HVPE-methode β-Ga2O3
3.4 PLD-methode
PLD-technologie wordt voornamelijk gebruikt om complexe oxidefilms en heterostructuren af te zetten.Tijdens het PLD-groeiproces wordt fotonenenergie via het elektronenemissieproces aan het doelmateriaal gekoppeld.In tegenstelling tot MBE worden PLD-brondeeltjes gevormd door laserstraling met extreem hoge energie (>100 eV) en vervolgens afgezet op een verwarmd substraat.Tijdens het ablatieproces zullen sommige hoogenergetische deeltjes echter rechtstreeks inwerken op het materiaaloppervlak, waardoor puntdefecten ontstaan en daardoor de kwaliteit van de film wordt verminderd.Net als de MBE-methode kan RHEED worden gebruikt om de oppervlaktestructuur en morfologie van het materiaal in realtime te monitoren tijdens het PLD β-Ga2O3-depositieproces, waardoor onderzoekers nauwkeurig groei-informatie kunnen verkrijgen.Verwacht wordt dat de PLD-methode zeer geleidende β-Ga2O3-films zal laten groeien, waardoor het een geoptimaliseerde ohmse contactoplossing wordt in Ga2O3-vermogensapparaten.
Figuur 10 AFM-opname van Si-gedoteerd Ga2O3
3.5 MIST-CVD-methode
MIST-CVD is een relatief eenvoudige en kosteneffectieve dunnefilmgroeitechnologie.Deze CVD-methode omvat de reactie waarbij een verstoven precursor op een substraat wordt gespoten om dunne-filmafzetting te bereiken.Tot nu toe ontbeert Ga2O3, gekweekt met behulp van mist-CVD, echter nog steeds goede elektrische eigenschappen, wat in de toekomst veel ruimte laat voor verbetering en optimalisatie.
Posttijd: 30 mei 2024