2. Эпитаксиальный рост тонких пленок
Подложка обеспечивает физический опорный слой или проводящий слой для силовых устройств на основе Ga2O3. Следующий важный слой — это канальный слой или эпитаксиальный слой, используемый для сопротивления напряжению и переноса носителей заряда. Для увеличения напряжения пробоя и минимизации сопротивления проводимости необходимы контролируемая толщина и концентрация легирования, а также оптимальное качество материала. Высококачественные эпитаксиальные слои Ga2O3 обычно осаждаются с использованием методов молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), металлоорганического химического осаждения из паровой фазы (МОХС), галогенидного осаждения из паровой фазы (ГЭП), импульсного лазерного осаждения (ПЛО) и осаждения на основе туманного химического осаждения из паровой фазы (ТХС).
Таблица 2. Некоторые типичные эпитаксиальные технологии.
2.1 Метод МБЭ
Технология молекулярно-пучковой эпитаксии (МБЭ) известна своей способностью выращивать высококачественные, бездефектные пленки β-Ga2O3 с контролируемым n-типом легирования благодаря сверхвысокому вакууму и высокой чистоте материала. В результате она стала одной из наиболее широко изучаемых и потенциально коммерциализируемых технологий осаждения тонких пленок β-Ga2O3. Кроме того, метод МБЭ также успешно позволил получить высококачественный, низколегированный гетероструктурный тонкий слой β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3. МБЭ позволяет контролировать структуру и морфологию поверхности в реальном времени с точностью до атомного слоя, используя дифракцию электронов высокой энергии на отражение (RHEED). Однако пленки β-Ga2O3, выращенные с использованием технологии МБЭ, по-прежнему сталкиваются со многими проблемами, такими как низкая скорость роста и малый размер пленки. Исследование показало, что скорость роста находится в следующем порядке: (010)>(001)>(−201)>(100). В условиях небольшого избытка галлия при температуре от 650 до 750 °C β-Ga2O3 (010) демонстрирует оптимальный рост с гладкой поверхностью и высокой скоростью роста. С помощью этого метода была успешно достигнута эпитаксия β-Ga2O3 со среднеквадратичной шероховатостью 0,1 нм. На рисунке показаны пленки β-Ga2O3, выращенные методом молекулярно-пучковой эпитаксии (МПЭ) при различных температурах в среде, обогащенной галлием. Компания Novel Crystal Technology Inc. успешно эпитаксиально изготовила 10 × 15 мм2 пластин β-Ga2O3, полученных методом МПЭ. Они обеспечивают высококачественные монокристаллические подложки β-Ga2O3 с ориентацией (010), толщиной 500 мкм и шириной на половине высоты (FWHM) на рентгенограмме менее 150 угловых секунд. Подложка легирована оловом или железом. 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 Ω·см.
2.2 Метод MOCVD
Метод MOCVD использует металлоорганические соединения в качестве прекурсоров для выращивания тонких пленок, что позволяет достичь крупномасштабного коммерческого производства. При выращивании Ga2O3 методом MOCVD в качестве источника галлия обычно используются триметилгаллий (TMGa), триэтилгаллий (TEGa) и Ga (дипентилгликольформиат), а в качестве источника кислорода — H2O, O2 или N2O. Для выращивания этим методом обычно требуются высокие температуры (>800 °C). Эта технология потенциально позволяет достичь низкой концентрации носителей заряда и высокой и низкотемпературной подвижности электронов, поэтому она имеет большое значение для создания высокоэффективных силовых устройств на основе β-Ga2O3. По сравнению с методом MBE, MOCVD имеет преимущество в достижении очень высоких скоростей роста пленок β-Ga2O3 благодаря характеристикам высокотемпературного роста и химических реакций.
Рис. 7. АСМ-изображение β-Ga2O3 (010).
Рисунок 8. β-Ga2O3. Зависимость между μ и удельным сопротивлением, измеренным методом Холла, и температурой.
2.3 Метод HVPE
Технология HVPE является зрелой эпитаксиальной технологией и широко используется для эпитаксиального роста полупроводниковых соединений III-V групп. HVPE известна своей низкой себестоимостью производства, высокой скоростью роста и большой толщиной пленки. Следует отметить, что HVPE-β-Ga2O3 обычно имеет шероховатую морфологию поверхности и высокую плотность поверхностных дефектов и ямок. Поэтому перед изготовлением устройства требуются процессы химической и механической полировки. В технологии HVPE для эпитаксии β-Ga2O3 обычно используются газообразные GaCl и O2 в качестве прекурсоров для стимулирования 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. добилась значительных коммерческих успехов в области гомоэпитаксиального β-Ga2O3, полученного методом HVPE, с толщиной эпитаксиальных слоев от 5 до 10 мкм и размерами пластин 2 и 4 дюйма. Кроме того, на коммерциализацию вышли и гомоэпитаксиальные пластины β-Ga2O3 толщиной 20 мкм, производимые китайской компанией China Electronics Technology Group Corporation.
Рисунок 9. Метод HVPE для β-Ga2O3
2.4 Метод PLD
Технология PLD в основном используется для осаждения сложных оксидных пленок и гетероструктур. В процессе роста методом PLD энергия фотонов передается на целевой материал посредством процесса электронной эмиссии. В отличие от MBE, частицы источника PLD формируются лазерным излучением с чрезвычайно высокой энергией (>100 эВ) и впоследствии осаждаются на нагретую подложку. Однако в процессе абляции некоторые высокоэнергетические частицы непосредственно воздействуют на поверхность материала, создавая точечные дефекты и, таким образом, снижая качество пленки. Аналогично методу MBE, RHEED может использоваться для мониторинга структуры и морфологии поверхности материала в реальном времени в процессе осаждения β-Ga2O3 методом PLD, что позволяет исследователям точно получать информацию о росте. Ожидается, что метод PLD позволит выращивать высокопроводящие пленки β-Ga2O3, что сделает его оптимальным решением для омических контактов в силовых устройствах на основе Ga2O3.
Рисунок 10. Изображение легированного кремнием Ga2O3, полученное с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ).
2.5 Метод MIST-CVD
MIST-CVD — это относительно простая и экономически эффективная технология выращивания тонких пленок. Этот метод CVD включает в себя реакцию распыления атомизированного прекурсора на подложку для осаждения тонкой пленки. Однако до сих пор Ga2O3, выращенный с использованием MIST-CVD, не обладает хорошими электрическими свойствами, что оставляет много возможностей для улучшения и оптимизации в будущем.
Дата публикации: 30 мая 2024 г.