2. Epitaksial tyndfilmvækst
Substratet giver et fysisk støttelag eller ledende lag til Ga2O3-strømenheder. Det næste vigtige lag er kanallaget eller epitaksiallaget, der bruges til spændingsmodstand og bærertransport. For at øge gennemslagsspændingen og minimere ledningsmodstanden er kontrollerbar tykkelse og dopingkoncentration samt optimal materialekvalitet nogle forudsætninger. Højkvalitets Ga2O3-epitaksiale lag aflejres typisk ved hjælp af molekylærstråleepitaksi (MBE), metalorganisk kemisk dampaflejring (MOCVD), halogeniddampaflejring (HVPE), pulseret laseraflejring (PLD) og tåge-CVD-baserede aflejringsteknikker.
Tabel 2 Nogle repræsentative epitaksiale teknologier
2.1 MBE metode
MBE-teknologien er kendt for sin evne til at dyrke højkvalitets, fejlfri β-Ga2O3-film med kontrollerbar n-type doping på grund af dets ultrahøje vakuummiljø og høje materialerenhed. Som følge heraf er det blevet en af de mest undersøgte og potentielt kommercialiserede β-Ga2O3 tyndfilmdepositionsteknologier. Derudover har MBE-metoden også med succes udarbejdet et lav-dopet heterostruktur β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 tyndfilmlag af høj kvalitet. MBE kan overvåge overfladestruktur og morfologi i realtid med atomlagspræcision ved at bruge reflekterende højenergi elektrondiffraktion (RHEED). Imidlertid står β-Ga2O3-film dyrket ved hjælp af MBE-teknologi stadig over for mange udfordringer, såsom lav væksthastighed og lille filmstørrelse. Undersøgelsen fandt, at vækstraten var i størrelsesordenen (010)>(001)>(−201)>(100). Under let Ga-rige forhold på 650 til 750°C udviser β-Ga2O3 (010) optimal vækst med en glat overflade og høj væksthastighed. Ved hjælp af denne metode blev β-Ga2O3-epitaksi med succes opnået med en RMS-ruhed på 0,1 nm. β-Ga2O3 I et Ga-rigt miljø er MBE-film dyrket ved forskellige temperaturer vist i figuren. Novel Crystal Technology Inc. har med succes epitaksielt produceret 10 × 15 mm2 β-Ga2O3MBE wafers. De giver højkvalitets (010) orienterede β-Ga2O3 enkeltkrystalsubstrater med en tykkelse på 500 μm og XRD FWHM under 150 buesekunder. Substratet er Sn-doteret eller Fe-doteret. Det Sn-doterede ledende substrat har en dopingkoncentration på 1E18 til 9E18cm−3, mens det jerndopede semi-isolerende substrat har en resistivitet højere end 10E10 Ω cm.
2.2 MOCVD metode
MOCVD bruger organiske metalforbindelser som forløbermaterialer til at dyrke tynde film og derved opnå kommerciel produktion i stor skala. Ved dyrkning af Ga2O3 ved hjælp af MOCVD-metoden anvendes normalt trimethylgallium (TMGa), triethylgallium (TEGa) og Ga (dipentylglycolformiat) som Ga-kilden, mens H2O, O2 eller N2O anvendes som oxygenkilde. Vækst med denne metode kræver generelt høje temperaturer (>800°C). Denne teknologi har potentialet til at opnå lav bærerkoncentration og høj- og lavtemperaturelektronmobilitet, så den er af stor betydning for realiseringen af højtydende β-Ga2O3-effektenheder. Sammenlignet med MBE-vækstmetoden har MOCVD den fordel at opnå meget høje væksthastigheder af β-Ga2O3-film på grund af egenskaberne ved højtemperaturvækst og kemiske reaktioner.
Figur 7 β-Ga2O3 (010) AFM-billede
Figur 8 β-Ga2O3 Forholdet mellem μ og plademodstand målt ved Hall og temperatur
2.3 HVPE metode
HVPE er en moden epitaksial teknologi og er blevet brugt i vid udstrækning i epitaksial vækst af III-V sammensatte halvledere. HVPE er kendt for sine lave produktionsomkostninger, hurtige væksthastighed og høje filmtykkelse. Det skal bemærkes, at HVPEβ-Ga2O3 normalt udviser ru overflademorfologi og høj tæthed af overfladedefekter og gruber. Derfor kræves kemiske og mekaniske poleringsprocesser før fremstilling af enheden. HVPE-teknologi til β-Ga2O3-epitaksi bruger sædvanligvis gasformig GaCl og O2 som forstadier til at fremme højtemperaturreaktionen af (001) β-Ga2O3-matrixen. Figur 9 viser overfladetilstanden og væksthastigheden af den epitaksiale film som en funktion af temperaturen. I de seneste år har Japans Novel Crystal Technology Inc. opnået betydelig kommerciel succes inden for HVPE-homoepitaxial β-Ga2O3 med epitaksiale lagtykkelser på 5 til 10 μm og waferstørrelser på 2 og 4 tommer. Derudover er 20 μm tykke HVPE β-Ga2O3 homomepitaksiale wafere produceret af China Electronics Technology Group Corporation også gået ind i kommercialiseringsstadiet.
Figur 9 HVPE-metode β-Ga2O3
2.4 PLD metode
PLD-teknologi bruges hovedsageligt til at afsætte komplekse oxidfilm og heterostrukturer. Under PLD-vækstprocessen kobles fotonenergi til målmaterialet gennem elektronemissionsprocessen. I modsætning til MBE dannes PLD-kildepartikler ved laserstråling med ekstrem høj energi (>100 eV) og aflejres efterfølgende på et opvarmet substrat. Men under ablationsprocessen vil nogle højenergipartikler direkte påvirke materialets overflade, hvilket skaber punktdefekter og dermed reducerer filmens kvalitet. I lighed med MBE-metoden kan RHEED bruges til at overvåge materialets overfladestruktur og morfologi i realtid under PLD β-Ga2O3-aflejringsprocessen, hvilket giver forskere mulighed for nøjagtigt at opnå vækstinformation. PLD-metoden forventes at dyrke stærkt ledende β-Ga2O3-film, hvilket gør den til en optimeret ohmsk kontaktløsning i Ga2O3-strømenheder.
Figur 10 AFM-billede af Si-doteret Ga2O3
2.5 MIST-CVD metode
MIST-CVD er en relativt enkel og omkostningseffektiv tyndfilmvækstteknologi. Denne CVD-metode involverer reaktionen ved at sprøjte en forstøvet precursor på et substrat for at opnå tyndfilmaflejring. Men indtil videre mangler Ga2O3 dyrket ved brug af tåge-CVD stadig gode elektriske egenskaber, hvilket giver masser af plads til forbedring og optimering i fremtiden.
Indlægstid: 30. maj 2024