2. Epitaxní růst tenkého filmu
Substrát poskytuje fyzickou nosnou vrstvu nebo vodivou vrstvu pro napájecí zařízení Ga2O3. Další důležitou vrstvou je kanálová vrstva nebo epitaxní vrstva používaná pro napěťový odpor a transport nosiče. Aby se zvýšilo průrazné napětí a minimalizovalo vodivostní odpor, jsou určitými předpoklady řiditelná tloušťka a koncentrace dopingu, stejně jako optimální kvalita materiálu. Vysoce kvalitní epitaxní vrstvy Ga2O3 jsou typicky nanášeny pomocí epitaxe molekulárního paprsku (MBE), metal organické chemické depozice z plynné fáze (MOCVD), halogenidové depozice z plynné fáze (HVPE), pulzní laserové depozice (PLD) a depozičních technik na bázi mlhového CVD.
Tabulka 2 Některé reprezentativní epitaxní technologie
2.1 metoda MBE
Technologie MBE je známá svou schopností pěstovat vysoce kvalitní, bezchybné β-Ga2O3 filmy s řiditelným dopingem typu n díky prostředí s ultra vysokým vakuem a vysokou čistotou materiálu. V důsledku toho se stal jednou z nejvíce studovaných a potenciálně komercializovaných technologií nanášení tenkých vrstev β-Ga2O3. Kromě toho metoda MBE také úspěšně připravila vysoce kvalitní, nízko dotovanou heterostrukturní vrstvu tenkého filmu β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3. MBE může monitorovat povrchovou strukturu a morfologii v reálném čase s přesností atomové vrstvy pomocí reflexní vysokoenergetické elektronové difrakce (RHEED). Filmy β-Ga2O3 pěstované pomocí technologie MBE však stále čelí mnoha výzvám, jako je nízká rychlost růstu a malá velikost filmu. Studie zjistila, že rychlost růstu byla v řádu (010)>(001)>(−201)>(100). Za podmínek mírně bohatých na Ga 650 až 750 °C vykazuje β-Ga2O3 (010) optimální růst s hladkým povrchem a vysokou rychlostí růstu. Pomocí této metody bylo úspěšně dosaženo β-Ga2O3 epitaxe s RMS drsností 0,1 nm. β-Ga2O3 V prostředí bohatém na Ga jsou na obrázku znázorněny filmy MBE pěstované při různých teplotách. Společnost Novel Crystal Technology Inc. úspěšně epitaxně vyrobila 10 × 15 mm2 β-Ga2O3MBE destičky. Poskytují vysoce kvalitní (010) orientované β-Ga2O3 monokrystalické substráty o tloušťce 500 μm a XRD FWHM pod 150 obloukových sekund. Substrát je dopován Sn nebo Fe. Vodivý substrát s příměsí Sn má koncentraci dotování 1E18 až 9E18cm−3, zatímco poloizolační substrát s příměsí železa má měrný odpor vyšší než 10E10 Ω cm.
2.2 Metoda MOCVD
MOCVD používá organické sloučeniny kovů jako prekurzorové materiály k růstu tenkých filmů, čímž se dosahuje komerční produkce ve velkém měřítku. Při pěstování Ga2O3 metodou MOCVD se jako zdroj Ga obvykle používá trimethylgallium (TMGa), triethylgallium (TEGa) a Ga (dipentylglykolformiát), zatímco jako zdroj kyslíku H2O, O2 nebo N2O. Růst pomocí této metody obecně vyžaduje vysoké teploty (>800 °C). Tato technologie má potenciál dosáhnout nízké koncentrace nosiče a vysokoteplotní a nízkoteplotní mobility elektronů, takže má velký význam pro realizaci vysoce výkonných výkonových zařízení β-Ga2O3. Ve srovnání s růstovou metodou MBE má MOCVD výhodu v dosahování velmi vysokých rychlostí růstu filmů β-Ga2O3 díky vlastnostem vysokoteplotního růstu a chemických reakcí.
Obrázek 7 β-Ga2O3 (010) AFM snímek
Obrázek 8 β-Ga2O3 Vztah mezi μa plošným odporem měřeným Hallem a teplotou
2.3 Metoda HVPE
HVPE je vyspělá epitaxní technologie a je široce používána při epitaxním růstu polovodičů sloučenin III-V. HVPE je známý pro své nízké výrobní náklady, rychlou rychlost růstu a vysokou tloušťku filmu. Je třeba poznamenat, že HVPEβ-Ga2O3 obvykle vykazuje drsnou povrchovou morfologii a vysokou hustotu povrchových defektů a důlků. Před výrobou zařízení jsou proto nutné chemické a mechanické procesy leštění. Technologie HVPE pro epitaxi β-Ga2O3 obvykle využívá plynný GaCl a O2 jako prekurzory k podpoře vysokoteplotní reakce matrice (001) β-Ga2O3. Obrázek 9 ukazuje stav povrchu a rychlost růstu epitaxního filmu jako funkci teploty. V posledních letech dosáhla japonská společnost Novel Crystal Technology Inc. významného komerčního úspěchu v HVPE homoepitaxiálním β-Ga2O3 s tloušťkou epitaxní vrstvy 5 až 10 μm a velikostí plátků 2 a 4 palce. Kromě toho do fáze komercializace vstoupily také homoepitaxiální destičky HVPE β-Ga2O3 o tloušťce 20 μm vyráběné společností China Electronics Technology Group Corporation.
Obrázek 9 HVPE metoda β-Ga2O3
2.4 Metoda PLD
Technologie PLD se používá hlavně k nanášení složitých oxidových filmů a heterostruktur. Během procesu růstu PLD je fotonová energie připojena k cílovému materiálu prostřednictvím procesu emise elektronů. Na rozdíl od MBE jsou částice zdroje PLD tvořeny laserovým zářením s extrémně vysokou energií (>100 eV) a následně deponovány na zahřátý substrát. Během procesu ablace však některé vysokoenergetické částice přímo narazí na povrch materiálu, vytvoří bodové defekty a sníží tak kvalitu filmu. Podobně jako u metody MBE lze RHEED použít k monitorování povrchové struktury a morfologie materiálu v reálném čase během procesu depozice PLD β-Ga2O3, což umožňuje výzkumníkům přesně získat informace o růstu. U metody PLD se očekává růst vysoce vodivých vrstev β-Ga2O3, což z ní činí optimalizované řešení ohmických kontaktů v napájecích zařízeních Ga2O3.
Obrázek 10 AFM snímek Si dopovaného Ga2O3
2.5 Metoda MIST-CVD
MIST-CVD je relativně jednoduchá a cenově výhodná technologie růstu tenkých vrstev. Tato metoda CVD zahrnuje reakci rozprašování atomizovaného prekurzoru na substrát za účelem dosažení depozice tenkého filmu. Zatím však Ga2O3 pěstovaný pomocí mlhového CVD stále postrádá dobré elektrické vlastnosti, což ponechává velký prostor pro zlepšení a optimalizaci do budoucna.
Čas odeslání: 30. května 2024