2. Епітаксіальний ріст тонких плівок
Підкладка забезпечує фізичний опорний шар або провідний шар для силових пристроїв Ga2O3. Наступним важливим шаром є канальний шар або епітаксійний шар, який використовується для опору напрузі та транспорту носіїв заряду. Для збільшення пробивної напруги та мінімізації опору провідності необхідні контрольована товщина та концентрація легування, а також оптимальна якість матеріалу. Високоякісні епітаксійні шари Ga2O3 зазвичай осаджуються за допомогою молекулярно-променевої епітаксії (MBE), металоорганічного хімічного осадження з парової фази (MOCVD), галогенідного осадження з парової фази (HVPE), імпульсного лазерного осадження (PLD) та методів осадження на основі туманного CVD.
Таблиця 2 Деякі репрезентативні епітаксіальні технології
2.1 Метод МБЕ
Технологія МЛЕ відома своєю здатністю вирощувати високоякісні, бездефектні плівки β-Ga2O3 з контрольованим легуванням n-типу завдяки середовищу надвисокого вакууму та високій чистоті матеріалу. Як результат, вона стала однією з найбільш широко вивчених та потенційно комерціалізованих технологій осадження тонких плівок β-Ga2O3. Крім того, метод МЛЕ також успішно підготував високоякісний, низьколегований шар тонкої плівки гетероструктури β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3. МЛЕ може контролювати структуру та морфологію поверхні в режимі реального часу з точністю атомарного шару за допомогою дифракції відбивних електронів високої енергії (RHEED). Однак плівки β-Ga2O3, вирощені за допомогою технології МЛЕ, все ще стикаються з багатьма проблемами, такими як низька швидкість росту та малий розмір плівки. Дослідження показало, що швидкість росту була порядку (010)>(001)>(−201)>(100). В умовах незначного збільшення вмісту Ga при температурі від 650 до 750°C, β-Ga2O3 (010) демонструє оптимальний ріст з гладкою поверхнею та високою швидкістю росту. За допомогою цього методу було успішно досягнуто епітаксії β-Ga2O3 з шорсткістю RMS 0,1 нм. На рисунку показано плівки β-Ga2O3, вирощені в середовищі, багатому на Ga, за різних температур. Компанія Novel Crystal Technology Inc. успішно епітаксіально виготовила пластини β-Ga2O3MBE розміром 10 × 15 мм2. Вони забезпечують високоякісні монокристалічні підкладки β-Ga2O3 з орієнтацією (010) товщиною 500 мкм та XRD FWHM нижче 150 кутових секунд. Підкладка легована Sn або Fe. Провідна підкладка, легована Sn, має концентрацію легування від 1E18 до 9E18 см−3, тоді як напівізолююча підкладка, легована залізом, має питомий опір вище 10E10 Ом см.
2.2 Метод MOCVD
Метод MOCVD використовує металоорганічні сполуки як матеріали-попередники для вирощування тонких плівок, що дозволяє досягти великомасштабного комерційного виробництва. Під час вирощування Ga2O3 методом MOCVD як джерело Ga зазвичай використовуються триметилгалій (TMGa), триетилгалій (TEGa) та Ga (дипентилглікольформіат), тоді як H2O, O2 або N2O - як джерело кисню. Вирощування цим методом зазвичай вимагає високих температур (>800°C). Ця технологія має потенціал для досягнення низької концентрації носіїв заряду та високої та низької температурної рухливості електронів, тому вона має велике значення для реалізації високопродуктивних енергетичних пристроїв β-Ga2O3. Порівняно з методом вирощування MBE, MOCVD має перевагу в досягненні дуже високих швидкостей росту плівок β-Ga2O3 завдяки характеристикам високотемпературного росту та хімічних реакцій.
Рисунок 7 β-Ga2O3 (010) АСМ зображення
Рисунок 8. β-Ga2O3. Зв'язок між μ та опором шару, виміряним методом Холла, та температурою.
2.3 Метод високої щільності та високої щільності
HVPE – це зріла епітаксіальна технологія, яка широко використовується для епітаксіального росту напівпровідників III-V групи. HVPE відомий своєю низькою собівартістю, швидкими темпами росту та високою товщиною плівки. Слід зазначити, що HVPEβ-Ga2O3 зазвичай демонструє шорстку морфологію поверхні та високу щільність поверхневих дефектів та ямок. Тому перед виготовленням пристрою необхідні хімічні та механічні процеси полірування. Технологія HVPE для епітаксії β-Ga2O3 зазвичай використовує газоподібні GaCl та O2 як прекурсори для стимулювання високотемпературної реакції матриці (001) β-Ga2O3. На рисунку 9 показано стан поверхні та швидкість росту епітаксіальної плівки як функцію температури. В останні роки японська компанія Novel Crystal Technology Inc. досягла значного комерційного успіху в гомоепітаксіальному β-Ga2O3 з HVPE, з товщиною епітаксіального шару від 5 до 10 мкм та розмірами пластин 2 та 4 дюйми. Крім того, гомоепітаксіальні пластини HVPE β-Ga2O3 товщиною 20 мкм, вироблені China Electronics Technology Group Corporation, також вступили в стадію комерціалізації.
Рисунок 9. Метод HVPE β-Ga2O3
2.4 Метод ПЛІС
Технологія PLD в основному використовується для осадження складних оксидних плівок та гетероструктур. Під час процесу вирощування PLD енергія фотонів передається на цільовий матеріал через процес електронної емісії. На відміну від MBE, частинки джерела PLD формуються лазерним випромінюванням з надзвичайно високою енергією (>100 еВ) і згодом осідають на нагріту підкладку. Однак під час процесу абляції деякі високоенергетичні частинки безпосередньо впливають на поверхню матеріалу, створюючи точкові дефекти та тим самим знижуючи якість плівки. Подібно до методу MBE, RHEED може бути використаний для моніторингу структури поверхні та морфології матеріалу в режимі реального часу під час процесу осадження β-Ga2O3 за допомогою PLD, що дозволяє дослідникам точно отримувати інформацію про ріст. Очікується, що метод PLD дозволить вирощувати високопровідні плівки β-Ga2O3, що робить його оптимізованим рішенням для омічного контакту в силових пристроях Ga2O3.
Рисунок 10. АСМ-зображення Ga2O3, легованого Si
2.5 Метод MIST-CVD
MIST-CVD – це відносно проста та економічно ефективна технологія вирощування тонких плівок. Цей метод CVD передбачає реакцію розпилення атомізованого прекурсора на підкладку для досягнення тонкої плівки. Однак, досі Ga2O3, вирощений за допомогою CVD у тумані, все ще не має хороших електричних властивостей, що залишає багато можливостей для вдосконалення та оптимізації в майбутньому.
Час публікації: 30 травня 2024 р.