2. Epitaxiale dunnefilmgroei
Het substraat vormt een fysieke ondersteuningslaag of geleidende laag voor Ga2O3-voedingscomponenten. De volgende belangrijke laag is de kanaallaag of epitaxiale laag die wordt gebruikt voor spanningsweerstand en ladingsdragertransport. 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 dampafzetting (MOCVD), halidedampafzetting (HVPE), gepulste laserdepositie (PLD) en op nevel-CVD gebaseerde depositietechnieken.
Tabel 2 Enkele representatieve epitaxiale technologieën
2.1 MBE-methode
MBE-technologie staat bekend om haar vermogen om hoogwaardige, defectvrije β-Ga2O3-films te produceren met een controleerbare n-type doping dankzij de ultrahoge vacuümomgeving en hoge materiaalzuiverheid. Hierdoor is het een van de meest bestudeerde en potentieel gecommercialiseerde dunnefilmdepositietechnologieën voor β-Ga2O3 geworden. Bovendien heeft de MBE-methode met succes een hoogwaardige, laaggedoteerde heterostructuur β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3-dunnefilmlaag geproduceerd. MBE kan de oppervlaktestructuur en -morfologie in realtime monitoren met atomaire-laagprecisie door middel van reflectie-hoogenergetische elektronendiffractie (RHEED). β-Ga2O3-films die met MBE-technologie zijn geproduceerd, kampen echter nog steeds met vele 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 licht Ga-rijke omstandigheden van 650 tot 750 °C vertoont β-Ga2O3 (010) optimale groei met een glad oppervlak en een hoge groeisnelheid. Met deze methode werd β-Ga2O3-epitaxie succesvol bereikt met een RMS-ruwheid van 0,1 nm. β-Ga2O3 In een Ga-rijke omgeving worden MBE-films, gegroeid bij verschillende temperaturen, weergegeven in de afbeelding. Novel Crystal Technology Inc. heeft met succes 10 × 15 mm² β-Ga2O3 MBE-wafers epitaxiaal geproduceerd. Deze leveren hoogwaardige (010) georiënteerde β-Ga2O3 monokristalsubstraten met een dikte van 500 μm en een 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.
2.2 MOCVD-methode
MOCVD gebruikt metaalorganische verbindingen als precursormaterialen om dunne films te laten groeien, wat grootschalige commerciële productie mogelijk maakt. Bij het kweken van Ga2O3 met de MOCVD-methode worden trimethylgallium (TMGa), triethylgallium (TEGa) en Ga (dipentylglycolformiaat) meestal gebruikt als Ga-bron, terwijl H2O, O2 of N2O als zuurstofbron worden gebruikt. Groei met deze methode vereist over het algemeen hoge temperaturen (> 800 °C). Deze technologie heeft de potentie om een lage ladingsdragerconcentratie en elektronenmobiliteit bij zowel hoge als lage temperaturen te bereiken, en is daarom van groot belang voor de realisatie van hoogwaardige β-Ga2O3-vermogenscomponenten. Vergeleken met de MBE-groeimethode heeft MOCVD het voordeel dat het zeer hoge groeisnelheden van β-Ga2O3-films bereikt dankzij de eigenschappen van groei bij hoge temperaturen en chemische reacties.
Figuur 7 β-Ga2O3 (010) AFM-afbeelding
Figuur 8 β-Ga2O3 De relatie tussen μ- en plaatweerstand gemeten door Hall en temperatuur
2.3 HVPE-methode
HVPE is een volwassen epitaxiale technologie en wordt veel gebruikt voor de epitaxiale groei van III-V-compound halfgeleiders. HVPE staat bekend om zijn lage productiekosten, snelle groeisnelheid en hoge filmdikte. HVPEβ-Ga2O3 vertoont doorgaans een ruwe oppervlaktemorfologie en een hoge dichtheid aan oppervlaktedefecten en putjes. Daarom zijn chemische en mechanische polijstprocessen vereist vóór de productie van het apparaat. HVPE-technologie voor β-Ga2O3-epitaxie gebruikt doorgaans gasvormig GaCl en O2 als precursors om de hogetemperatuurreactie 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. aanzienlijke commerciële successen geboekt met HVPE homo-epitaxiale β-Ga2O3, met epitaxiale laagdiktes van 5 tot 10 μm en wafergroottes van 2 en 4 inch. Bovendien zijn de 20 μm dikke HVPE β-Ga2O3 homo-epitaxiale wafers, geproduceerd door China Electronics Technology Group Corporation, ook in de commercialiseringsfase beland.
Figuur 9 HVPE-methode β-Ga2O3
2.4 PLD-methode
PLD-technologie wordt voornamelijk gebruikt voor het deponeren van complexe oxidefilms en heterostructuren. Tijdens het PLD-groeiproces wordt fotonenergie gekoppeld aan het doelmateriaal via het elektronenemissieproces. In tegenstelling tot MBE worden PLD-brondeeltjes gevormd door laserstraling met extreem hoge energie (> 100 eV) en vervolgens afgezet op een verhit substraat. Tijdens het ablatieproces zullen sommige hoogenergetische deeltjes echter direct het materiaaloppervlak beïnvloeden, waardoor puntdefecten ontstaan en de kwaliteit van de film afneemt. 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 nauwkeurige groei-informatie kunnen verkrijgen. De PLD-methode zal naar verwachting zeer geleidende β-Ga2O3-films laten groeien, wat het een geoptimaliseerde ohmse contactoplossing maakt in Ga2O3-vermogenscomponenten.
Figuur 10 AFM-afbeelding van Si-gedoteerd Ga2O3
2.5 MIST-CVD-methode
MIST-CVD is een relatief eenvoudige en kosteneffectieve dunnefilmgroeitechnologie. Deze CVD-methode omvat de reactie waarbij een vernevelde precursor op een substraat wordt gespoten om een dunnefilmafzetting te bereiken. Tot nu toe mist Ga2O3-groei met behulp van mist-CVD echter nog steeds goede elektrische eigenschappen, waardoor er in de toekomst nog veel ruimte is voor verbetering en optimalisatie.
Geplaatst op: 30 mei 2024