2. Wzrost cienkich warstw epitaksjalnych
Podłoże zapewnia fizyczną warstwę nośną lub warstwę przewodzącą dla urządzeń mocy Ga2O3. Kolejną ważną warstwą jest warstwa kanałowa lub warstwa epitaksjalna używana do rezystancji napięciowej i transportu nośników. Aby zwiększyć napięcie przebicia i zminimalizować rezystancję przewodzenia, kontrolowana grubość i stężenie domieszek, a także optymalna jakość materiału, to niektóre z warunków wstępnych. Wysokiej jakości warstwy epitaksjalne Ga2O3 są zazwyczaj osadzane przy użyciu epitaksji wiązką molekularną (MBE), osadzania chemicznego z fazy gazowej związków metaloorganicznych (MOCVD), osadzania z fazy gazowej halogenków (HVPE), osadzania laserem impulsowym (PLD) i technik osadzania opartych na technologii mgły 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 pomyślnie przygotowała również wysokiej jakości, nisko domieszkowaną 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 wytworzone 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 bogatych w Ga, wynoszących od 650 do 750°C, β-Ga2O3 (010) wykazuje optymalny wzrost z gładką powierzchnią i wysoką szybkością wzrostu. Stosując tę metodę, epitaksja β-Ga2O3 została pomyślnie osiągnięta z chropowatością RMS wynoszącą 0,1 nm. β-Ga2O3 W środowisku bogatym w Ga, filmy MBE hodowane w różnych temperaturach są pokazane na rysunku. Novel Crystal Technology Inc. pomyślnie wyprodukowała epitaksjalnie 10 × 15 mm2 płytek β-Ga2O3MBE. Zapewniają one wysokiej jakości (010) zorientowane monokrystaliczne podłoża β-Ga2O3 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 półizolacyjne podłoże domieszkowane żelazem ma rezystywność większą niż 10E10 Ω cm.
2.2 Metoda MOCVD
MOCVD wykorzystuje związki metaloorganiczne jako materiały prekursorowe do hodowli cienkich warstw, osiągając w ten sposób komercyjną produkcję na dużą skalę. Podczas hodowli Ga2O3 metodą MOCVD, trimetylogal (TMGa), trietylogal (TEGa) i Ga (mrówczan dipentyloglikolu) są zwykle używane jako źródło Ga, podczas gdy H2O, O2 lub N2O są używane jako źródło tlenu. Hodowla przy użyciu tej metody wymaga zazwyczaj wysokich temperatur (>800°C). Ta technologia ma potencjał osiągnięcia niskiego stężenia nośników oraz wysokiej i niskiej temperatury ruchliwości elektronów, więc ma duże znaczenie dla realizacji wysokowydajnych urządzeń mocy β-Ga2O3. W porównaniu z metodą wzrostu MBE, MOCVD ma tę zaletę, że osiąga bardzo wysokie szybkości wzrostu warstw β-Ga2O3 ze względu na charakterystykę wzrostu w wysokiej temperaturze i reakcji chemicznych.
Ryc. 7 Obraz β-Ga2O3 (010) AFM
Rysunek 8 β-Ga2O3 Zależność między μ a rezystancją warstwy mierzoną metodą Halla i temperatury
2.3 Metoda HVPE
HVPE to dojrzała technologia epitaksjalna, która jest szeroko stosowana w epitaksjalnym wzroście półprzewodników III-V. HVPE jest znany z niskich kosztów produkcji, szybkiego tempa wzrostu i dużej grubości warstwy. Należy zauważyć, że HVPEβ-Ga2O3 zwykle wykazuje chropowatą morfologię powierzchni i dużą gęstość defektów powierzchniowych i wżerów. Dlatego przed wyprodukowaniem urządzenia wymagane są procesy chemicznego i mechanicznego polerowania. Technologia HVPE do epitaksji β-Ga2O3 zwykle wykorzystuje gazowy GaCl i O2 jako prekursory w celu promowania reakcji wysokotemperaturowej matrycy (001) β-Ga2O3. Rysunek 9 przedstawia stan powierzchni i tempo wzrostu warstwy epitaksjalnej jako funkcję temperatury. W ostatnich latach japońska firma Novel Crystal Technology Inc. osiągnęła znaczący sukces komercyjny w zakresie 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 głównie wykorzystywana do osadzania złożonych warstw tlenkowych i heterostruktur. Podczas procesu wzrostu PLD energia fotonów jest sprzężona z materiałem docelowym poprzez proces emisji elektronów. W przeciwieństwie do MBE, cząstki źródłowe PLD są formowane przez promieniowanie laserowe o ekstremalnie wysokiej energii (>100 eV), a następnie osadzane na podgrzanym podłożu. Jednak podczas procesu ablacji niektóre cząstki o wysokiej energii będą bezpośrednio oddziaływać na powierzchnię materiału, tworząc defekty punktowe, a 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 badaczom dokładne uzyskanie informacji o wzroście. Oczekuje się, że metoda PLD będzie wytwarzać wysoce przewodzące warstwy β-Ga2O3, co czyni ją zoptymalizowanym rozwiązaniem kontaktu omowego w urządzeniach mocy Ga2O3.
Rysunek 10 Obraz AFM domieszkowanego krzemem Ga2O3
2.5 Metoda MIST-CVD
MIST-CVD to stosunkowo prosta i ekonomiczna technologia wzrostu cienkich warstw. Ta metoda CVD obejmuje reakcję rozpylania rozpylonego prekursora na podłoże w celu uzyskania osadzania cienkich warstw. Jednak jak dotąd Ga2O3 hodowany przy użyciu mist CVD nadal nie ma dobrych właściwości elektrycznych, co pozostawia wiele miejsca na poprawę i optymalizację w przyszłości.
Czas publikacji: 30-05-2024