2. Epitaksial tynnfilmvekst
Substratet danner et fysisk støttelag eller et ledende lag for Ga2O3-kraftenheter. Det neste viktige laget er kanallaget eller det epitaksiale laget som brukes til spenningsmotstand og bærertransport. For å øke gjennomslagsspenningen og minimere ledningsmotstanden er kontrollerbar tykkelse og dopingkonsentrasjon, samt optimal materialkvalitet, noen forutsetninger. Ga2O3-epitaksiale lag av høy kvalitet avsettes vanligvis ved hjelp av molekylærstråleepitaksi (MBE), metallorganisk kjemisk dampavsetning (MOCVD), halogeniddampavsetning (HVPE), pulset laseravsetning (PLD) og tåke-CVD-baserte avsetningsteknikker.
Tabell 2 Noen representative epitaksiale teknologier
2.1 MBE-metoden
MBE-teknologi er kjent for sin evne til å dyrke defektfrie β-Ga2O3-filmer av høy kvalitet med kontrollerbar n-type doping på grunn av det ultrahøye vakuummiljøet og den høye materialrenheten. Som et resultat har den blitt en av de mest studerte og potensielt kommersialiserte β-Ga2O3-tynnfilmavsetningsteknologiene. I tillegg har MBE-metoden også fremstilt et høykvalitets, lavdopet heterostruktur β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3-tynnfilmlag. MBE kan overvåke overflatestruktur og morfologi i sanntid med atomlagspresisjon ved å bruke refleksjonshøyenergielektrondiffraksjon (RHEED). Imidlertid står β-Ga2O3-filmer dyrket med MBE-teknologi fortsatt overfor mange utfordringer, som lav vekstrate og liten filmstørrelse. Studien fant at vekstraten var i størrelsesorden (010)>(001)>(−201)>(100). Under litt Ga-rike forhold på 650 til 750 °C viser β-Ga2O3 (010) optimal vekst med en glatt overflate og høy vekstrate. Ved bruk av denne metoden ble β-Ga2O3-epitaksi oppnådd med en RMS-ruhet på 0,1 nm. β-Ga2O3 I et Ga-rikt miljø vises MBE-filmer dyrket ved forskjellige temperaturer i figuren. Novel Crystal Technology Inc. har med hell epitaksialt produsert 10 × 15 mm2 β-Ga2O3MBE-wafere. De gir (010)-orienterte β-Ga2O3-enkeltkrystallsubstrater av høy kvalitet med en tykkelse på 500 μm og XRD FWHM under 150 buesekunder. Substratet er Sn-dopet eller Fe-dopet. Det Sn-dopede ledende substratet har en dopingkonsentrasjon på 1E18 til 9E18cm⁻³, mens det jerndopede halvisolerende substratet har en resistivitet høyere enn 10E10 Ω cm⁻¹.
2.2 MOCVD-metoden
MOCVD bruker metallorganiske forbindelser som forløpermaterialer for å dyrke tynne filmer, og oppnår dermed storskala kommersiell produksjon. Ved dyrking av Ga₂O₃ ved bruk av MOCVD-metoden brukes vanligvis trimetylgallium (TMGa), trietylgallium (TEGa) og Ga (dipentylglykolformiat) som Ga-kilde, mens H₂O, O₂ eller N₂O brukes som oksygenkilde. Vekst ved bruk av denne metoden krever vanligvis høye temperaturer (>800 °C). Denne teknologien har potensial til å oppnå lav bærerkonsentrasjon og elektronmobilitet ved høy og lav temperatur, så den er av stor betydning for realiseringen av høyytelses β-Ga₂O₃-kraftenheter. Sammenlignet med MBE-vekstmetoden har MOCVD fordelen av å oppnå svært høye vekstrater for β-Ga₂O₃-filmer på grunn av egenskapene til høytemperaturvekst og kjemiske reaksjoner.
Figur 7 β-Ga2O3 (010) AFM-bilde
Figur 8 β-Ga2O3 Forholdet mellom μ og platemotstand målt med Hall og temperatur
2.3 HVPE-metoden
HVPE er en moden epitaksialteknologi og har blitt mye brukt i epitaksial vekst av III-V-forbindelseshalvledere. HVPE er kjent for sine lave produksjonskostnader, raske veksthastighet og høye filmtykkelse. Det skal bemerkes at HVPEβ-Ga2O3 vanligvis viser ru overflatemorfologi og høy tetthet av overflatedefekter og groper. Derfor kreves kjemiske og mekaniske poleringsprosesser før produksjon av enheten. HVPE-teknologi for β-Ga2O3-epitaksi bruker vanligvis gassformig GaCl og O2 som forløpere for å fremme høytemperaturreaksjonen til (001) β-Ga2O3-matrisen. Figur 9 viser overflatetilstanden og veksthastigheten til den epitaksiale filmen som en funksjon av temperatur. I de senere år har Japans Novel Crystal Technology Inc. oppnådd betydelig kommersiell suksess med HVPE homoepitaksial β-Ga2O3, med epitaksiale lagtykkelser på 5 til 10 μm og waferstørrelser på 2 og 4 tommer. I tillegg har 20 μm tykke HVPE β-Ga2O3 homoepitaksiale wafere produsert av China Electronics Technology Group Corporation også gått inn i kommersialiseringsfasen.
Figur 9 HVPE-metode β-Ga2O3
2.4 PLD-metoden
PLD-teknologi brukes hovedsakelig til å avsette komplekse oksidfilmer og heterostrukturer. Under PLD-vekstprosessen kobles fotonenergi til målmaterialet gjennom elektronemisjonsprosessen. I motsetning til MBE dannes PLD-kildepartikler av laserstråling med ekstremt høy energi (>100 eV) og avsettes deretter på et oppvarmet substrat. Under ablasjonsprosessen vil imidlertid noen høyenergipartikler direkte påvirke materialoverflaten, noe som skaper punktdefekter og dermed reduserer filmens kvalitet. I likhet med MBE-metoden kan RHEED brukes til å overvåke overflatestrukturen og morfologien til materialet i sanntid under PLD β-Ga2O3-avsetningsprosessen, slik at forskere kan innhente nøyaktig vekstinformasjon. PLD-metoden forventes å dyrke svært ledende β-Ga2O3-filmer, noe som gjør den til en optimalisert ohmsk kontaktløsning i Ga2O3-kraftenheter.
Figur 10 AFM-bilde av Si-dopet Ga2O3
2.5 MIST-CVD-metoden
MIST-CVD er en relativt enkel og kostnadseffektiv tynnfilmvekstteknologi. Denne CVD-metoden innebærer reaksjonen med å sprøyte en forstøvet forløper på et substrat for å oppnå tynnfilmavsetning. Imidlertid mangler Ga2O3 dyrket ved hjelp av tåke-CVD så langt fortsatt gode elektriske egenskaper, noe som gir mye rom for forbedring og optimalisering i fremtiden.
Publiseringstid: 30. mai 2024