Tehnologija oksidiranog stojećeg zrna i epitaksijalnog rasta-Ⅱ

2. Epitaksijalni rast tankog filma

Podloga pruža fizički sloj potpore ili provodni sloj za Ga2O3 energetske uređaje. Sljedeći važan sloj je sloj kanala ili epitaksijalni sloj koji se koristi za naponsku otpornost i transport nosioca. Da bi se povećao napon proboja i minimizirao otpor provodljivosti, preduvjeti su kontrolirana debljina i koncentracija dopinga, kao i optimalan kvalitet materijala. Visokokvalitetni Ga2O3 epitaksijalni slojevi se obično nanose pomoću epitaksije molekularnim snopom (MBE), metalnih organskih hemijskih taloženja parom (MOCVD), taloženja halogenim parom (HVPE), pulsnog laserskog taloženja (PLD) i tehnika taloženja baziranih na magli CVD.

Tabela 2 Neke reprezentativne epitaksijalne tehnologije

2.1 MBE metoda

MBE tehnologija je poznata po svojoj sposobnosti uzgoja visokokvalitetnih β-Ga2O3 filmova bez defekata s kontroliranim dopingom n-tipa zbog svog ultra-visokog vakuumskog okruženja i visoke čistoće materijala. Kao rezultat toga, postao je jedna od najčešće proučavanih i potencijalno komercijaliziranih tehnologija taloženja tankog filma β-Ga2O3. Osim toga, MBE metoda je također uspješno pripremila visokokvalitetni, nisko-dopirani heterostrukturni β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 sloj tankog filma. MBE može pratiti površinsku strukturu i morfologiju u realnom vremenu sa preciznošću atomskog sloja koristeći refleksijsku difrakciju elektrona visoke energije (RHEED). Međutim, β-Ga2O3 filmovi uzgojeni korištenjem MBE tehnologije i dalje se suočavaju s mnogim izazovima, kao što su niska stopa rasta i mala veličina filma. Studija je otkrila da je stopa rasta bila reda (010)>(001)>(−201)>(100). U uslovima blago bogatim Ga od 650 do 750°C, β-Ga2O3 (010) pokazuje optimalan rast sa glatkom površinom i velikom brzinom rasta. Koristeći ovu metodu, uspješno je postignuta β-Ga2O3 epitaksija sa RMS hrapavošću od 0,1 nm. β-Ga2O3 U okruženju bogatom Ga, MBE filmovi uzgojeni na različitim temperaturama prikazani su na slici. Novel Crystal Technology Inc. uspješno je epitaksijalno proizveo 10 × 15 mm2 β-Ga2O3MBE pločice. Oni pružaju visokokvalitetne (010) orijentirane monokristalne supstrate β-Ga2O3 debljine 500 μm i XRD FWHM ispod 150 lučnih sekundi. Supstrat je dopiran Sn ili Fe. Provodljiva podloga dopirana Sn ima koncentraciju dopinga od 1E18 do 9E18cm−3, dok poluizolaciona podloga dopirana željezom ima otpornost veću od 10E10 Ω cm.

2.2 MOCVD metoda

MOCVD koristi metalna organska jedinjenja kao prekursorske materijale za proizvodnju tankih filmova, čime se postiže velika komercijalna proizvodnja. Prilikom uzgoja Ga2O3 MOCVD metodom, trimetilgalijum (TMGa), trietilgalijum (TEGa) i Ga (dipentil glikol format) se obično koriste kao izvor Ga, dok se kao izvor kiseonika koriste H2O, O2 ili N2O. Rast uz pomoć ove metode općenito zahtijeva visoke temperature (>800°C). Ova tehnologija ima potencijal da postigne nisku koncentraciju nosioca i mobilnost elektrona na visokim i niskim temperaturama, pa je od velikog značaja za realizaciju β-Ga2O3 energetskih uređaja visokih performansi. U poređenju sa MBE metodom rasta, MOCVD ima prednost u postizanju veoma visokih stopa rasta β-Ga2O3 filmova zbog karakteristika rasta pri visokim temperaturama i hemijskih reakcija.

Slika 7 β-Ga2O3 (010) AFM slika

Slika 8 β-Ga2O3 Odnos između μ i otpora lima izmjerenog Hallom i temperature

2.3 HVPE metoda

HVPE je zrela epitaksijalna tehnologija i naširoko se koristi u epitaksijalnom rastu složenih poluprovodnika III-V. HVPE je poznat po niskoj cijeni proizvodnje, brzoj stopi rasta i velikoj debljini filma. Treba napomenuti da HVPEβ-Ga2O3 obično pokazuje grubu površinsku morfologiju i veliku gustoću površinskih defekata i udubljenja. Stoga su prije proizvodnje uređaja potrebni procesi kemijskog i mehaničkog poliranja. HVPE tehnologija za epitaksiju β-Ga2O3 obično koristi gasoviti GaCl i O2 kao prekursore za promociju reakcije na visokoj temperaturi matrice (001) β-Ga2O3. Slika 9 prikazuje stanje površine i brzinu rasta epitaksijalnog filma u funkciji temperature. Poslednjih godina, japanska kompanija Novel Crystal Technology Inc. postigla je značajan komercijalni uspeh u HVPE homoepitaksijalnom β-Ga2O3, sa debljinama epitaksijalnog sloja od 5 do 10 μm i veličinama pločice od 2 i 4 inča. Osim toga, 20 μm debljine HVPE β-Ga2O3 homoepitaksijalnih pločica koje proizvodi China Electronics Technology Group Corporation su također ušle u fazu komercijalizacije.

Slika 9 HVPE metoda β-Ga2O3

2.4 PLD metoda

PLD tehnologija se uglavnom koristi za taloženje složenih oksidnih filmova i heterostruktura. Tokom procesa rasta PLD, energija fotona je spojena na ciljni materijal kroz proces elektronske emisije. Za razliku od MBE, čestice izvora PLD se formiraju laserskim zračenjem sa izuzetno visokom energijom (>100 eV) i potom se talože na zagrijanu podlogu. Međutim, tokom procesa ablacije, neke čestice visoke energije će direktno uticati na površinu materijala, stvarajući tačkaste defekte i na taj način smanjujući kvalitet filma. Slično MBE metodi, RHEED se može koristiti za praćenje površinske strukture i morfologije materijala u realnom vremenu tokom procesa taloženja PLD β-Ga2O3, omogućavajući istraživačima da precizno dobiju informacije o rastu. Očekuje se da će PLD metoda uzgajati visoko provodljive β-Ga2O3 filmove, što je čini optimiziranim omskim kontaktnim rješenjem u Ga2O3 energetskim uređajima.

Slika 10 AFM slika Ga2O3 dopiranog Si

2.5 MIST-CVD metoda

MIST-CVD je relativno jednostavna i isplativa tehnologija rasta tankog filma. Ova CVD metoda uključuje reakciju prskanja atomiziranog prekursora na podlogu kako bi se postiglo taloženje tankog filma. Međutim, do sada, Ga2O3 uzgojen korištenjem magle CVD još uvijek nema dobra električna svojstva, što ostavlja mnogo prostora za poboljšanje i optimizaciju u budućnosti.