2. Эпитаксиальный рост тонких пленок
Подложка обеспечивает физический опорный слой или проводящий слой для силовых устройств Ga2O3. Следующий важный слой — это канальный слой или эпитаксиальный слой, используемый для сопротивления напряжению и переноса носителей. Для увеличения напряжения пробоя и минимизации сопротивления проводимости некоторыми предварительными условиями являются контролируемая толщина и концентрация легирования, а также оптимальное качество материала. Высококачественные эпитаксиальные слои Ga2O3 обычно наносятся с использованием молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD), осаждения из паровой фазы галогенидов (HVPE), импульсного лазерного осаждения (PLD) и методов осаждения на основе туманного химического осаждения из паровой фазы.
Таблица 2 Некоторые репрезентативные эпитаксиальные технологии
2.1 Метод МЛЭ
Технология MBE известна своей способностью выращивать высококачественные, бездефектные пленки β-Ga2O3 с контролируемым легированием n-типа благодаря своей сверхвысокой вакуумной среде и высокой чистоте материала. В результате она стала одной из наиболее широко изученных и потенциально коммерциализируемых технологий осаждения тонких пленок β-Ga2O3. Кроме того, метод MBE также успешно подготовил высококачественный, низколегированный гетероструктурный слой тонкой пленки β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3. MBE может контролировать структуру и морфологию поверхности в реальном времени с точностью атомного слоя, используя дифракцию отражательных электронов высокой энергии (RHEED). Однако пленки β-Ga2O3, выращенные с использованием технологии MBE, по-прежнему сталкиваются со многими проблемами, такими как низкая скорость роста и малый размер пленки. Исследование показало, что скорость роста была в порядке (010)>(001)>(−201)>(100). В условиях слегка богатых Ga от 650 до 750 °C β-Ga2O3 (010) демонстрирует оптимальный рост с гладкой поверхностью и высокой скоростью роста. С использованием этого метода была успешно достигнута эпитаксия β-Ga2O3 с шероховатостью RMS 0,1 нм. β-Ga2O3 В среде, богатой Ga, пленки MBE, выращенные при различных температурах, показаны на рисунке. Novel Crystal Technology Inc. успешно произвела эпитаксиальным способом пластины β-Ga2O3MBE размером 10 × 15 мм2. Они обеспечивают высококачественные (010) ориентированные монокристаллические подложки β-Ga2O3 толщиной 500 мкм и XRD FWHM ниже 150 угловых секунд. Подложка легирована Sn или легирована Fe. Проводящая подложка, легированная оловом, имеет концентрацию легирования от 1E18 до 9E18 см−3, в то время как полуизолирующая подложка, легированная железом, имеет удельное сопротивление выше 10E10 Ом см.
2.2 Метод MOCVD
MOCVD использует металлоорганические соединения в качестве исходных материалов для выращивания тонких пленок, тем самым достигая крупномасштабного коммерческого производства. При выращивании Ga2O3 с использованием метода MOCVD в качестве источника Ga обычно используются триметилгаллий (TMGa), триэтилгаллий (TEGa) и Ga (дипентилгликольформиат), в то время как в качестве источника кислорода используются H2O, O2 или N2O. Рост с использованием этого метода обычно требует высоких температур (>800 °C). Эта технология имеет потенциал для достижения низкой концентрации носителей и подвижности электронов при высоких и низких температурах, поэтому она имеет большое значение для реализации высокопроизводительных силовых устройств β-Ga2O3. По сравнению с методом роста MBE, MOCVD имеет преимущество в достижении очень высоких скоростей роста пленок β-Ga2O3 из-за характеристик высокотемпературного роста и химических реакций.
Рис. 7. АСМ-изображение β-Ga2O3 (010).
Рисунок 8 β-Ga2O3. Связь между μ и сопротивлением слоя, измеренным с помощью эффекта Холла и температуры.
2.3 Метод HVPE
HVPE является зрелой эпитаксиальной технологией и широко используется в эпитаксиальном росте полупроводниковых соединений III-V. HVPE известен своей низкой стоимостью производства, высокой скоростью роста и большой толщиной пленки. Следует отметить, что HVPEβ-Ga2O3 обычно демонстрирует грубую морфологию поверхности и высокую плотность поверхностных дефектов и ямок. Поэтому перед изготовлением устройства требуются химические и механические процессы полировки. Технология HVPE для эпитаксии β-Ga2O3 обычно использует газообразные GaCl и O2 в качестве прекурсоров для содействия высокотемпературной реакции матрицы (001) β-Ga2O3. На рисунке 9 показано состояние поверхности и скорость роста эпитаксиальной пленки в зависимости от температуры. В последние годы японская компания Novel Crystal Technology Inc. достигла значительного коммерческого успеха в области гомоэпитаксиального HVPE β-Ga2O3 с толщиной эпитаксиального слоя от 5 до 10 мкм и размерами пластин 2 и 4 дюйма. Кроме того, гомоэпитаксиальные пластины HVPE β-Ga2O3 толщиной 20 мкм, производимые China Electronics Technology Group Corporation, также вышли на стадию коммерциализации.
Рисунок 9 Метод HVPE β-Ga2O3
2.4 Метод ПЛД
Технология PLD в основном используется для осаждения сложных оксидных пленок и гетероструктур. В процессе роста PLD энергия фотонов связывается с целевым материалом через процесс электронной эмиссии. В отличие от MBE, исходные частицы PLD формируются лазерным излучением с чрезвычайно высокой энергией (>100 эВ) и затем осаждаются на нагретой подложке. Однако в процессе абляции некоторые высокоэнергетические частицы будут напрямую воздействовать на поверхность материала, создавая точечные дефекты и, таким образом, снижая качество пленки. Подобно методу MBE, RHEED можно использовать для мониторинга структуры поверхности и морфологии материала в реальном времени во время процесса осаждения PLD β-Ga2O3, что позволяет исследователям точно получать информацию о росте. Ожидается, что метод PLD позволит выращивать высокопроводящие пленки β-Ga2O3, что делает его оптимизированным решением для омических контактов в силовых устройствах Ga2O3.
Рисунок 10 АСМ-изображение Ga2O3, легированного Si
2.5 Метод MIST-CVD
MIST-CVD — это относительно простая и экономически эффективная технология роста тонких пленок. Этот метод CVD включает реакцию распыления распыленного прекурсора на подложку для достижения осаждения тонкой пленки. Однако до сих пор Ga2O3, выращенный с использованием туманного CVD, все еще не обладает хорошими электрическими свойствами, что оставляет много места для улучшения и оптимизации в будущем.
Время публикации: 30 мая 2024 г.