2. Rast epitaxných tenkých vrstiev
Substrát poskytuje fyzickú nosnú vrstvu alebo vodivú vrstvu pre výkonové zariadenia Ga2O3. Ďalšou dôležitou vrstvou je kanálová vrstva alebo epitaxná vrstva, ktorá sa používa pre napäťový odpor a transport nosičov náboja. Na zvýšenie prierazného napätia a minimalizáciu vodivého odporu sú potrebné kontrolovateľná hrúbka a koncentrácia dopovania, ako aj optimálna kvalita materiálu. Vysokokvalitné epitaxné vrstvy Ga2O3 sa typicky nanášajú pomocou molekulárno-lúčovej epitaxie (MBE), chemickej depozície z pár kovových organických zlúčenín (MOCVD), depozície z pár halogenidov (HVPE), pulznej laserovej depozície (PLD) a techník depozície založených na hmlovom CVD.
Tabuľka 2 Niektoré reprezentatívne epitaxné technológie
2.1 Metóda MBE
Technológia MBE je známa svojou schopnosťou pestovať vysokokvalitné, bezdefektné filmy β-Ga2O3 s kontrolovateľným dopovaním typu n vďaka prostrediu ultra vysokého vákua a vysokej čistote materiálu. Vďaka tomu sa stala jednou z najštudovanejších a potenciálne komerčne využívaných technológií nanášania tenkých filmov β-Ga2O3. Okrem toho metóda MBE úspešne pripravila aj vysokokvalitnú, nízko dopovanú tenkú vrstvu heterostruktúry β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3. MBE dokáže monitorovať povrchovú štruktúru a morfológiu v reálnom čase s presnosťou atómovej vrstvy pomocou reflexnej difrakcie vysokoenergetických elektrónov (RHEED). Filmy β-Ga2O3 pestované pomocou technológie MBE však stále čelia mnohým výzvam, ako je nízka rýchlosť rastu a malá veľkosť filmu. Štúdia zistila, že rýchlosť rastu bola rádovo (010)>(001)>(−201)>(100). V podmienkach mierne bohatých na Ga pri teplotách 650 až 750 °C vykazuje β-Ga2O3 (010) optimálny rast s hladkým povrchom a vysokou rýchlosťou rastu. Pomocou tejto metódy sa úspešne dosiahla epitaxia β-Ga2O3 s drsnosťou RMS 0,1 nm. Na obrázku sú znázornené filmy MBE β-Ga2O3 pestované v prostredí bohatom na Ga pri rôznych teplotách. Spoločnosť Novel Crystal Technology Inc. úspešne epitaxne vyrobila doštičky β-Ga2O3MBE s rozmermi 10 × 15 mm2. Poskytujú vysoko kvalitné (010) orientované monokryštálové substráty β-Ga2O3 s hrúbkou 500 μm a XRD FWHM pod 150 oblúkových sekúnd. Substrát je dopovaný Sn alebo Fe. Vodivý substrát dopovaný Sn má koncentráciu dopovania 1E18 až 9E18cm−3, zatiaľ čo poloizolačný substrát dopovaný železom má odpor vyšší ako 10E10 Ω cm.
2.2 Metóda MOCVD
MOCVD využíva organické zlúčeniny kovov ako prekurzorové materiály na rast tenkých vrstiev, čím dosahuje komerčnú produkciu vo veľkom meradle. Pri pestovaní Ga2O3 pomocou metódy MOCVD sa ako zdroj Ga zvyčajne používa trimetylgálium (TMGa), trietylgálium (TEGa) a Ga (dipentylglykolformiát), zatiaľ čo ako zdroj kyslíka sa používajú H2O, O2 alebo N2O. Rast pomocou tejto metódy si vo všeobecnosti vyžaduje vysoké teploty (> 800 °C). Táto technológia má potenciál dosiahnuť nízku koncentráciu nosičov náboja a vysokú a nízku teplotu mobility elektrónov, takže má veľký význam pre realizáciu vysokovýkonných výkonových zariadení β-Ga2O3. V porovnaní s metódou rastu MBE má MOCVD výhodu v dosahovaní veľmi vysokých rýchlostí rastu vrstiev β-Ga2O3 vďaka charakteristikám rastu pri vysokých teplotách a chemickým reakciám.
Obrázok 7 β-Ga203 (010) AFM snímka
Obrázok 8 β-Ga2O3 Vzťah medzi μ a vrstvovým odporom meraným Hallovou metódou a teplotou
2.3 Metóda HVPE
HVPE je vyspelá epitaxná technológia a široko sa používa pri epitaxnom raste polovodičov III-V skupiny. HVPE je známy svojimi nízkymi výrobnými nákladmi, rýchlou rýchlosťou rastu a vysokou hrúbkou filmu. Treba poznamenať, že HVPEβ-Ga2O3 zvyčajne vykazuje drsnú povrchovú morfológiu a vysokú hustotu povrchových defektov a jamiek. Preto sú pred výrobou zariadenia potrebné chemické a mechanické leštiace procesy. Technológia HVPE pre epitaxiu β-Ga2O3 zvyčajne používa plynné GaCl a O2 ako prekurzory na podporu vysokoteplotnej reakcie matrice (001) β-Ga2O3. Obrázok 9 znázorňuje stav povrchu a rýchlosť rastu epitaxného filmu ako funkciu teploty. V posledných rokoch dosiahla japonská spoločnosť Novel Crystal Technology Inc. významný komerčný úspech s homoepitaxným β-Ga2O3 HVPE s hrúbkou epitaxnej vrstvy 5 až 10 μm a veľkosťou doštičiek 2 a 4 palce. Okrem toho vstúpili do štádia komercializácie aj 20 μm hrubé homoepitaxné doštičky HVPE β-Ga2O3 vyrobené spoločnosťou China Electronics Technology Group Corporation.
Obrázok 9 Metóda HVPE β-Ga2O3
2.4 Metóda PLD
Technológia PLD sa používa hlavne na nanášanie komplexných oxidových filmov a heterostruktúr. Počas procesu rastu PLD sa fotónová energia viaže na cieľový materiál prostredníctvom procesu elektrónovej emisie. Na rozdiel od MBE sú zdrojové častice PLD tvorené laserovým žiarením s extrémne vysokou energiou (> 100 eV) a následne sa nanášajú na zahriaty substrát. Počas ablačného procesu však niektoré vysokoenergetické častice priamo narážajú na povrch materiálu, čím vytvárajú bodové defekty a tým znižujú kvalitu filmu. Podobne ako metóda MBE, aj RHEED sa dá použiť na monitorovanie povrchovej štruktúry a morfológie materiálu v reálnom čase počas procesu nanášania β-Ga2O3 pomocou PLD, čo umožňuje výskumníkom presne získať informácie o raste. Očakáva sa, že metóda PLD umožní rast vysoko vodivých filmov β-Ga2O3, čím sa stane optimalizovaným ohmickým kontaktným riešením vo výkonových zariadeniach Ga2O3.
Obrázok 10 AFM snímka Ga2O3 dopovaného kremíkom
2.5 Metóda MIST-CVD
MIST-CVD je relatívne jednoduchá a nákladovo efektívna technológia rastu tenkých vrstiev. Táto metóda CVD zahŕňa reakciu nastriekania atomizovaného prekurzora na substrát za účelom dosiahnutia nanesenia tenkých vrstiev. Ga2O3 pestovaný pomocou hmly CVD však doteraz nemá dobré elektrické vlastnosti, čo ponecháva veľký priestor na zlepšenie a optimalizáciu v budúcnosti.
Čas uverejnenia: 30. mája 2024