2. Wzrost cienkich warstw epitaksjalnych
Podłoże stanowi fizyczną warstwę nośną lub warstwę przewodzącą dla elementów mocy Ga2O3. Kolejną ważną warstwą jest warstwa kanałowa lub warstwa epitaksjalna, służąca do zapewnienia rezystancji napięciowej i transportu nośników. Aby zwiększyć napięcie przebicia i zminimalizować rezystancję przewodzenia, konieczne jest kontrolowanie grubości i stężenia domieszek, a także zapewnienie optymalnej jakości materiału. Wysokiej jakości warstwy epitaksjalne Ga2O3 są zazwyczaj osadzane metodami epitaksji z wiązek molekularnych (MBE), osadzania chemicznego związków metaloorganicznych z fazy gazowej (MOCVD), osadzania z fazy gazowej halogenków (HVPE), osadzania laserem impulsowym (PLD) oraz osadzania chemicznego z fazy gazowej z mgły węglowej (mg CVD).
Tabela 2 Niektóre reprezentatywne technologie epitaksjalne
2.1 Metoda MBE
Technologia MBE jest znana ze swojej zdolności do wytwarzania wysokiej jakości, bezdefektowych warstw β-Ga2O3 z kontrolowanym domieszkowaniem typu n dzięki środowisku ultrawysokiej próżni i wysokiej czystości materiału. W rezultacie stała się jedną z najszerzej badanych i potencjalnie skomercjalizowanych technologii osadzania cienkich warstw β-Ga2O3. Ponadto, metoda MBE z powodzeniem przygotowała również wysokiej jakości, nisko domieszkową heterostrukturę cienkiej warstwy β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3. MBE może monitorować strukturę i morfologię powierzchni w czasie rzeczywistym z precyzją warstwy atomowej, wykorzystując odbiciową dyfrakcję elektronów o wysokiej energii (RHEED). Jednak warstwy β-Ga2O3 wytwarzane przy użyciu technologii MBE nadal napotykają wiele wyzwań, takich jak niska szybkość wzrostu i mały rozmiar warstwy. Badanie wykazało, że szybkość wzrostu była rzędu (010)>(001)>(−201)>(100). W warunkach lekko wzbogaconych w Ga, w temperaturze od 650 do 750°C, β-Ga2O3 (010) wykazuje optymalny wzrost z gładką powierzchnią i wysoką szybkością wzrostu. Stosując tę metodę, udało się uzyskać epitaksję β-Ga2O3 z chropowatością średniokwadratową (RMS) równą 0,1 nm. β-Ga2O3 W środowisku bogatym w Ga, warstwy MBE hodowane w różnych temperaturach pokazano na rysunku. Firma Novel Crystal Technology Inc. pomyślnie wytworzyła epitaksjalnie płytki β-Ga2O3MBE o powierzchni 10 × 15 mm2. Zapewniają one wysokiej jakości podłoża monokrystaliczne β-Ga2O3 zorientowane (010) o grubości 500 μm i XRD FWHM poniżej 150 sekund kątowych. Podłoże jest domieszkowane Sn lub Fe. Podłoże przewodzące domieszkowane Sn ma stężenie domieszki wynoszące od 1E18 do 9E18cm−3, natomiast podłoże półizolacyjne domieszkowane żelazem ma rezystywność większą niż 10E10 Ω cm.
2.2 Metoda MOCVD
Metoda MOCVD wykorzystuje związki metaloorganiczne jako materiały prekursorowe do hodowli cienkich warstw, umożliwiając tym samym komercyjną produkcję na dużą skalę. Podczas hodowli Ga₂O₂ metodą MOCVD, trimetylogal (TMGa), trietylogal (TEGa) i Ga (mrówczan dipentyloglikolu) są zazwyczaj używane jako źródło Ga, podczas gdy H₂O, O₂ lub N₂O są używane jako źródło tlenu. Hodowla tą metodą zazwyczaj wymaga wysokich temperatur (>800°C). Technologia ta ma potencjał osiągnięcia niskiego stężenia nośników oraz wysokiej i niskiej ruchliwości elektronów, co ma ogromne znaczenie dla realizacji wysokowydajnych urządzeń mocy β-Ga₂O₂. W porównaniu z metodą wzrostu MBE, MOCVD ma tę zaletę, że osiąga bardzo wysokie szybkości wzrostu warstw β-Ga₂O₂ ze względu na charakterystykę wzrostu w wysokiej temperaturze i reakcji chemicznych.
Ryc. 7 Obraz β-Ga2O3 (010) AFM
Rysunek 8 β-Ga2O3 Związek między μ a rezystancją powierzchniową mierzoną metodą Halla i temperaturą
2.3 Metoda HVPE
HVPE to dojrzała technologia epitaksjalna, szeroko stosowana w epitaksji półprzewodników związkowych III-V. HVPE charakteryzuje się niskim kosztem produkcji, szybkim tempem wzrostu i dużą grubością warstwy. Należy zauważyć, że HVPEβ-Ga2O3 zazwyczaj charakteryzuje się chropowatą morfologią powierzchni i dużą gęstością defektów i wżerów. Dlatego przed wyprodukowaniem urządzenia wymagane są procesy chemicznego i mechanicznego polerowania. Technologia HVPE do epitaksji β-Ga2O3 zazwyczaj wykorzystuje gazowy GaCl i O2 jako prekursory, aby przyspieszyć reakcję wysokotemperaturową matrycy (001) β-Ga2O3. Rysunek 9 przedstawia stan powierzchni i tempo wzrostu warstwy epitaksjalnej w funkcji temperatury. W ostatnich latach japońska firma Novel Crystal Technology Inc. odniosła znaczący sukces komercyjny w dziedzinie homoepitaksjalnego HVPE β-Ga2O3, z grubością warstwy epitaksjalnej od 5 do 10 μm i rozmiarami płytek 2 i 4 cali. Ponadto, homoepitaksjalne płytki HVPE β-Ga2O3 o grubości 20 μm, produkowane przez China Electronics Technology Group Corporation, również weszły w fazę komercjalizacji.
Rysunek 9 Metoda HVPE β-Ga2O3
2.4 Metoda PLD
Technologia PLD jest wykorzystywana głównie do osadzania złożonych warstw tlenkowych i heterostruktur. Podczas procesu wzrostu PLD energia fotonów jest sprzężona z materiałem docelowym poprzez emisję elektronów. W przeciwieństwie do MBE, cząstki źródłowe PLD są formowane przez promieniowanie laserowe o ekstremalnie wysokiej energii (>100 eV), a następnie osadzane na rozgrzanym podłożu. Jednak podczas procesu ablacji niektóre cząstki o wysokiej energii bezpośrednio uderzają w powierzchnię materiału, tworząc punktowe defekty i tym samym obniżając jakość warstwy. Podobnie jak metoda MBE, RHEED może być używana do monitorowania struktury powierzchni i morfologii materiału w czasie rzeczywistym podczas procesu osadzania PLD β-Ga2O3, umożliwiając naukowcom dokładne uzyskanie informacji o wzroście. Oczekuje się, że metoda PLD pozwoli na wytworzenie wysoce przewodzących warstw β-Ga2O3, co czyni ją zoptymalizowanym rozwiązaniem dla styków omowych w urządzeniach mocy Ga2O3.
Rysunek 10 Obraz AFM Ga2O3 domieszkowanego krzemem
2.5 Metoda MIST-CVD
MIST-CVD to stosunkowo prosta i ekonomiczna technologia wzrostu cienkich warstw. Metoda CVD polega na natryskiwaniu rozpylonego prekursora na podłoże w celu uzyskania cienkiej warstwy. Jednak jak dotąd Ga2O3 hodowany metodą Mist CVD nadal nie ma dobrych właściwości elektrycznych, co pozostawia wiele miejsca na ulepszenia i optymalizację w przyszłości.
Czas publikacji: 30 maja 2024 r.