2. Epitaxiale dunnefilmgroei
Het substraat vormt een fysieke ondersteuningslaag of geleidende laag voor Ga2O3-vermogenscomponenten. De volgende belangrijke laag is de kanaallaag of epitaxiale laag, die dient voor spanningsbestendigheid en ladingsdragerstransport. Om de doorslagspanning te verhogen en de geleidingsweerstand te minimaliseren, zijn een beheersbare dikte en doteringsconcentratie, evenals een optimale materiaalkwaliteit, essentiële voorwaarden. Hoogwaardige Ga2O3-epitaxiale lagen worden doorgaans afgezet met behulp van moleculaire bundelepitaxie (MBE), metaalorganische chemische dampafzetting (MOCVD), halogeendampafzetting (HVPE), gepulseerde laserdepositie (PLD) en fog CVD-gebaseerde afzettingstechnieken.
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 dotering, dankzij de ultrahoge vacuümomgeving en de hoge zuiverheid van het materiaal. Hierdoor is het uitgegroeid tot een van de meest onderzochte en potentieel commercieel toepasbare technologieën voor de depositie van β-Ga2O3-dunne films. Bovendien is met de MBE-methode ook met succes een hoogwaardige, laaggedoteerde heterostructuur β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3-dunne filmlaag geproduceerd. MBE maakt het mogelijk om de oppervlaktestructuur en -morfologie in realtime te monitoren met atomaire precisie door middel van reflectie-hoogenergetische elektronendiffractie (RHEED). β-Ga2O3-films die met MBE-technologie worden geproduceerd, kampen echter nog steeds met diverse uitdagingen, zoals een lage groeisnelheid en een kleine filmgrootte. Uit onderzoek is gebleken dat de groeisnelheid in de volgende volgorde ligt: (010)>(001)>(−201)>(100). Onder licht Ga-rijke omstandigheden bij 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. In een Ga-rijke omgeving zijn MBE-films van β-Ga2O3, gegroeid bij verschillende temperaturen, weergegeven in de figuur. Novel Crystal Technology Inc. heeft met succes epitaxiaal β-Ga2O3 MBE-wafers van 10 × 15 mm² geproduceerd. Zij leveren hoogwaardige (010)-georiënteerde β-Ga2O3-eenkristalsubstraten met een dikte van 500 μm en een XRD FWHM van minder dan 150 boogseconden. Het substraat is gedoteerd met Sn of Fe. Het Sn-gedoteerde geleidende substraat heeft een doteringsconcentratie van 1E18 tot 9E18 cm−3, terwijl het ijzergedoteerde semi-isolerende substraat een soortelijke weerstand heeft die hoger is dan 10E10 Ω cm.
2.2 MOCVD-methode
MOCVD maakt gebruik van metaalorganische verbindingen als precursoren voor de groei van dunne films, waardoor grootschalige commerciële productie mogelijk wordt. Bij de groei van Ga2O3 met de MOCVD-methode worden trimethylgallium (TMGa), triethylgallium (TEGa) en Ga (dipentylglycolformiaat) doorgaans gebruikt als Ga-bron, terwijl H2O, O2 of N2O als zuurstofbron dienen. Groei met deze methode vereist over het algemeen hoge temperaturen (>800 °C). Deze technologie heeft het potentieel om een lage ladingsdragerconcentratie en een hoge elektronenmobiliteit bij lage temperaturen te bereiken, waardoor het van groot belang is voor de realisatie van hoogwaardige β-Ga2O3-vermogenscomponenten. In vergelijking met de MBE-groeimethode heeft MOCVD het voordeel dat zeer hoge groeisnelheden van β-Ga2O3-films worden 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 de plaatweerstand gemeten met Hall en temperatuur
2.3 HVPE-methode
HVPE is een volwaardige epitaxiale technologie die veelvuldig wordt gebruikt voor de epitaxiale groei van III-V-verbindinghalfgeleiders. HVPE staat bekend om zijn lage productiekosten, snelle groeisnelheid en hoge filmdikte. Het is belangrijk op te merken dat HVPE β-Ga2O3 doorgaans een ruw oppervlak en een hoge dichtheid aan oppervlaktedefecten en putjes vertoont. Daarom zijn chemische en mechanische polijstprocessen nodig vóór de productie van het apparaat. HVPE-technologie voor β-Ga2O3-epitaxie maakt doorgaans gebruik van gasvormig GaCl en O2 als precursoren om de reactie bij hoge temperatuur van de (001) β-Ga2O3-matrix te bevorderen. Figuur 9 toont de oppervlakteconditie en de 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-homo-epitaxiale β-Ga2O3, met epitaxiale laagdikte van 5 tot 10 μm en waferformaten van 2 en 4 inch. Daarnaast zijn ook de door China Electronics Technology Group Corporation geproduceerde 20 μm dikke HVPE β-Ga2O3 homo-epitaxiale wafers in de commercialiseringsfase beland.
Figuur 9 HVPE-methode β-Ga2O3
2.4 PLD-methode
PLD-technologie wordt voornamelijk gebruikt voor het afzetten van complexe oxidefilms en heterostructuren. Tijdens het PLD-groeiproces wordt fotonenenergie via elektronenemissie aan het doelmateriaal gekoppeld. In tegenstelling tot MBE worden PLD-brondeeltjes gevormd door laserstraling met een extreem hoge energie (>100 eV) en vervolgens afgezet op een verhit substraat. Tijdens het ablatieproces zullen sommige hoogenergetische deeltjes echter direct het materiaaloppervlak raken, waardoor puntdefecten ontstaan en de kwaliteit van de film afneemt. Net als bij de MBE-methode kan RHEED worden gebruikt om de oppervlaktestructuur en -morfologie van het materiaal in realtime te monitoren tijdens het PLD β-Ga2O3-afzettingsproces, waardoor onderzoekers nauwkeurige groeigegevens kunnen verkrijgen. De PLD-methode zal naar verwachting zeer geleidende β-Ga2O3-films produceren, waardoor het een geoptimaliseerde ohmische contactoplossing is voor Ga2O3-vermogenscomponenten.
Figuur 10 AFM-afbeelding van Si-gedoteerd Ga2O3
2.5 MIST-CVD-methode
MIST-CVD is een relatief eenvoudige en kosteneffectieve technologie voor de groei van dunne films. Deze CVD-methode omvat de reactie van het verstuiven van een vernevelde precursor op een substraat om een dunne film te vormen. Tot nu toe ontbreekt het Ga2O3 dat met mist-CVD is gegroeid echter nog aan goede elektrische eigenschappen, wat veel ruimte laat voor verbetering en optimalisatie in de toekomst.
Geplaatst op: 30 mei 2024