2. Epitaxiell tunnfilmstillväxt
Substratet utgör ett fysiskt stödlager eller ledande lager för Ga2O3-kraftkomponenter. Nästa viktiga lager är kanallagret eller epitaxiella lagret som används för spänningsresistans och laddningsbärartransport. För att öka genombrottsspänningen och minimera ledningsresistansen är kontrollerbar tjocklek och dopningskoncentration, samt optimal materialkvalitet, några förutsättningar. Högkvalitativa Ga2O3-epitaxiella lager deponeras vanligtvis med hjälp av molekylärstråleepitaxi (MBE), metallorganisk kemisk ångdeponering (MOCVD), halogenidångdeponering (HVPE), pulserad laserdeponering (PLD) och dim-CVD-baserade deponeringstekniker.
Tabell 2 Några representativa epitaxiella teknologier
2.1 MBE-metoden
MBE-tekniken är känd för sin förmåga att odla högkvalitativa, defektfria β-Ga2O3-filmer med kontrollerbar n-typ-dopning tack vare dess ultrahöga vakuummiljö och höga materialrenhet. Som ett resultat har den blivit en av de mest studerade och potentiellt kommersialiserade β-Ga2O3-tunnfilmsavsättningsteknikerna. Dessutom har MBE-metoden framgångsrikt framställt ett högkvalitativt, lågdopat heterostruktur-β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3-tunnfilmsskikt. MBE kan övervaka ytstruktur och morfologi i realtid med atomlagerprecision genom att använda reflektions-högenergielektrondiffraktion (RHEED). β-Ga2O3-filmer som odlas med MBE-teknik står dock fortfarande inför många utmaningar, såsom låg tillväxthastighet och liten filmstorlek. Studien fann att tillväxthastigheten var i storleksordningen (010)>(001)>(−201)>(100). Under lätt Ga-rika förhållanden på 650 till 750 °C uppvisar β-Ga2O3 (010) optimal tillväxt med en slät yta och hög tillväxthastighet. Med denna metod uppnåddes β-Ga2O3-epitaxi framgångsrikt med en RMS-grovhet på 0,1 nm. β-Ga2O3 I en Ga-rik miljö visas MBE-filmer som odlats vid olika temperaturer i figuren. Novel Crystal Technology Inc. har framgångsrikt epitaxiellt producerat 10 × 15 mm2 β-Ga2O3MBE-wafers. De ger högkvalitativa (010) orienterade β-Ga2O3 enkristallsubstrat med en tjocklek på 500 μm och XRD FWHM under 150 bågsekunder. Substratet är Sn-dopat eller Fe-dopat. Det Sn-dopade ledande substratet har en dopningskoncentration på 1E18 till 9E18cm⁻³, medan det järndopade halvisolerande substratet har en resistivitet högre än 10E10 Ω cm⁻¹.
2.2 MOCVD-metoden
MOCVD använder metallorganiska föreningar som prekursormaterial för att odla tunna filmer, vilket möjliggör storskalig kommersiell produktion. Vid odling av Ga₂O₃ med MOCVD-metoden används vanligtvis trimetylgallium (TMGa), trietylgallium (TEGa) och Ga (dipentylglykolformiat) som Ga-källa, medan H₂O, O₂ eller N₂O används som syrekälla. Odling med denna metod kräver generellt höga temperaturer (>800 °C). Denna teknik har potential att uppnå låg bärarkoncentration och elektronmobilitet vid hög och låg temperatur, så den är av stor betydelse för realiseringen av högpresterande β-Ga₂O₃-kraftenheter. Jämfört med MBE-odlingsmetoden har MOCVD fördelen att uppnå mycket höga tillväxthastigheter för β-Ga₂O₃-filmer på grund av egenskaperna hos högtemperaturtillväxt och kemiska reaktioner.
Figur 7 β-Ga2O3 (010) AFM-bild
Figur 8 β-Ga2O3 Sambandet mellan μ och plåtmotstånd mätt med Hall och temperatur
2.3 HVPE-metoden
HVPE är en mogen epitaxialteknik och har använts i stor utsträckning vid epitaxial tillväxt av III-V-sammansatta halvledare. HVPE är känt för sin låga produktionskostnad, snabba tillväxthastighet och höga filmtjocklek. Det bör noteras att HVPEβ-Ga2O3 vanligtvis uppvisar grov ytmorfologi och hög densitet av ytdefekter och gropar. Därför krävs kemiska och mekaniska poleringsprocesser innan anordningen tillverkas. HVPE-teknik för β-Ga2O3-epitaxi använder vanligtvis gasformig GaCl och O2 som prekursorer för att främja högtemperaturreaktionen av (001) β-Ga2O3-matrisen. Figur 9 visar yttillståndet och tillväxthastigheten för den epitaxiella filmen som en funktion av temperaturen. Under senare år har Japans Novel Crystal Technology Inc. uppnått betydande kommersiell framgång inom HVPE homoepitaxiell β-Ga2O3, med epitaxiella lagertjocklekar på 5 till 10 μm och waferstorlekar på 2 och 4 tum. Dessutom har 20 μm tjocka HVPE β-Ga2O3 homoepitaxiala wafers producerade av China Electronics Technology Group Corporation också gått in i kommersialiseringsstadiet.
Figur 9 HVPE-metod β-Ga2O3
2.4 PLD-metoden
PLD-tekniken används huvudsakligen för att deponera komplexa oxidfilmer och heterostrukturer. Under PLD-tillväxtprocessen kopplas fotonenergi till målmaterialet genom elektronemissionsprocessen. Till skillnad från MBE bildas PLD-källpartiklar genom laserstrålning med extremt hög energi (>100 eV) och deponeras därefter på ett uppvärmt substrat. Under ablationsprocessen kommer dock vissa högenergipartiklar att direkt påverka materialytan, vilket skapar punktdefekter och därmed minskar filmens kvalitet. I likhet med MBE-metoden kan RHEED användas för att övervaka materialets ytstruktur och morfologi i realtid under PLD:s β-Ga2O3-deponeringsprocessen, vilket gör det möjligt för forskare att korrekt erhålla tillväxtinformation. PLD-metoden förväntas odla högledande β-Ga2O3-filmer, vilket gör den till en optimerad ohmsk kontaktlösning i Ga2O3-kraftenheter.
Figur 10 AFM-bild av Si-dopad Ga2O3
2.5 MIST-CVD-metoden
MIST-CVD är en relativt enkel och kostnadseffektiv teknik för tunnfilmstillväxt. Denna CVD-metod innebär att en finfördelad prekursor sprayas på ett substrat för att uppnå tunnfilmsavsättning. Hittills saknar dock Ga2O3 som odlats med hjälp av mist-CVD fortfarande goda elektriska egenskaper, vilket lämnar mycket utrymme för förbättring och optimering i framtiden.
Publiceringstid: 30 maj 2024