2. Rast epitaksialnih tankih filmov
Substrat zagotavlja fizično nosilno plast ali prevodno plast za napajalne naprave Ga2O3. Naslednja pomembna plast je kanalska plast ali epitaksialna plast, ki se uporablja za napetostno upornost in transport nosilcev naboja. Za povečanje prebojne napetosti in zmanjšanje prevodne upornosti sta potrebna nadzorovana debelina in koncentracija dopiranja ter optimalna kakovost materiala. Visokokakovostne epitaksialne plasti Ga2O3 se običajno nanašajo z uporabo molekularno-žarkovne epitaksije (MBE), nanašanja s kovinsko-organsko kemijsko paro (MOCVD), nanašanja s halogenidnimi parami (HVPE), pulznega laserskega nanašanja (PLD) in tehnik nanašanja na osnovi meglenega CVD.
Tabela 2 Nekatere reprezentativne epitaksialne tehnologije
2.1 Metoda MBE
Tehnologija MBE je znana po svoji sposobnosti gojenja visokokakovostnih, brez defektnih filmov β-Ga2O3 z nadzorovanim dopiranjem tipa n zaradi ultra visokega vakuuma in visoke čistosti materiala. Posledično je postala ena najbolj preučevanih in potencialno komercializiranih tehnologij nanašanja tankih filmov β-Ga2O3. Poleg tega je metoda MBE uspešno pripravila tudi visokokakovosten, nizko dopiran heterostrukturni tanki film β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3. MBE lahko spremlja površinsko strukturo in morfologijo v realnem času z natančnostjo atomske plasti z uporabo refleksijske visokoenergijske elektronske difrakcije (RHEED). Vendar se filmi β-Ga2O3, vzgojeni s tehnologijo MBE, še vedno soočajo s številnimi izzivi, kot sta nizka stopnja rasti in majhna velikost filma. Študija je pokazala, da je bila stopnja rasti v vrstnem redu (010)>(001)>(−201)>(100). V rahlo z Ga bogatih pogojih od 650 do 750 °C kaže β-Ga2O3 (010) optimalno rast z gladko površino in visoko hitrostjo rasti. S to metodo je bila uspešno dosežena epitaksija β-Ga2O3 z RMS hrapavostjo 0,1 nm. Na sliki so prikazani filmi MBE β-Ga2O3, vzgojeni v okolju, bogatem z Ga, pri različnih temperaturah. Podjetje Novel Crystal Technology Inc. je uspešno epitaksialno izdelalo rezine β-Ga2O3MBE velikosti 10 × 15 mm2. Zagotavljajo visokokakovostne (010) orientirane monokristalne substrate β-Ga2O3 z debelino 500 μm in XRD FWHM pod 150 ločnimi sekundami. Substrat je dopiran s Sn ali Fe. Prevodni substrat, dopiran s Sn, ima koncentracijo dopiranja od 1E18 do 9E18cm−3, medtem ko ima pol-izolacijski substrat, dopiran z železom, upornost višjo od 10E10 Ω cm.
2.2 Metoda MOCVD
MOCVD uporablja kovinske organske spojine kot predhodne materiale za rast tankih filmov, s čimer doseže komercialno proizvodnjo v velikem obsegu. Pri gojenju Ga2O3 z metodo MOCVD se kot vir Ga običajno uporabljajo trimetilgalij (TMGa), trietilgalij (TEGa) in Ga (dipentil glikol format), medtem ko se kot vir kisika uporabljajo H2O, O2 ali N2O. Rast s to metodo običajno zahteva visoke temperature (> 800 °C). Ta tehnologija ima potencial za doseganje nizke koncentracije nosilcev ter visoke in nizke temperature mobilnosti elektronov, zato je zelo pomembna za realizacijo visokozmogljivih energetskih naprav β-Ga2O3. V primerjavi z metodo rasti MBE ima MOCVD prednost, da dosega zelo visoke stopnje rasti filmov β-Ga2O3 zaradi značilnosti rasti pri visokih temperaturah in kemijskih reakcij.
Slika 7 Slika β-Ga2O3 (010) AFM
Slika 8 β-Ga2O3 Razmerje med μ in upornostjo plasti, izmerjeno s Hallovo spektroskopijo, ter temperaturo
2.3 Metoda HVPE
HVPE je zrela epitaksialna tehnologija in se pogosto uporablja pri epitaksialni rasti polprevodnikov III-V spojin. HVPE je znan po nizkih proizvodnih stroških, hitri stopnji rasti in visoki debelini filma. Treba je opozoriti, da ima HVPEβ-Ga2O3 običajno hrapavo površinsko morfologijo in visoko gostoto površinskih napak in jamic. Zato so pred izdelavo naprave potrebni kemični in mehanski postopki poliranja. Tehnologija HVPE za epitaksijo β-Ga2O3 običajno uporablja plinasta GaCl in O2 kot predhodnika za spodbujanje visokotemperaturne reakcije matrice (001) β-Ga2O3. Slika 9 prikazuje stanje površine in stopnjo rasti epitaksialnega filma kot funkcijo temperature. V zadnjih letih je japonsko podjetje Novel Crystal Technology Inc. doseglo pomemben komercialni uspeh pri homoepitaksialni rasti HVPE β-Ga2O3, z debelino epitaksialne plasti od 5 do 10 μm in velikostjo rezin 2 in 4 palca. Poleg tega so v fazo komercializacije vstopile tudi 20 μm debele homoepitaksialne rezine HVPE β-Ga2O3, ki jih proizvaja China Electronics Technology Group Corporation.
Slika 9 Metoda HVPE β-Ga2O3
2.4 Metoda PLD
Tehnologija PLD se uporablja predvsem za nanašanje kompleksnih oksidnih filmov in heterostruktur. Med postopkom rasti PLD se energija fotonov poveže s ciljnim materialom prek procesa elektronske emisije. Za razliko od MBE se izvorni delci PLD tvorijo z laserskim sevanjem z izjemno visoko energijo (> 100 eV) in nato nanesejo na segreto podlago. Vendar pa bodo med postopkom ablacije nekateri visokoenergijski delci neposredno vplivali na površino materiala, kar bo ustvarilo točkovne napake in s tem zmanjšalo kakovost filma. Podobno kot metoda MBE se lahko tudi RHEED uporablja za spremljanje površinske strukture in morfologije materiala v realnem času med postopkom nanašanja β-Ga2O3 s PLD, kar raziskovalcem omogoča natančno pridobivanje informacij o rasti. Pričakuje se, da bo metoda PLD vzgojila visoko prevodne filme β-Ga2O3, zaradi česar je optimizirana ohmska kontaktna rešitev v močnostnih napravah Ga2O3.
Slika 10 AFM slika Ga2O3, dopiranega s silicijem
2.5 Metoda MIST-CVD
MIST-CVD je relativno preprosta in stroškovno učinkovita tehnologija za rast tankih filmov. Ta CVD metoda vključuje reakcijo pršenja atomiziranega prekurzorja na substrat za dosego nanašanja tankega filma. Vendar pa Ga2O3, vzgojen z megličnim CVD, do sedaj še nima dobrih električnih lastnosti, kar pušča veliko prostora za izboljšave in optimizacijo v prihodnosti.
Čas objave: 30. maj 2024