3. Epitaktisches Dünnschichtwachstum
Das Substrat stellt eine physikalische Trägerschicht oder leitende Schicht für Ga2O3-Leistungsgeräte dar. Die nächste wichtige Schicht ist die Kanalschicht oder Epitaxieschicht, die für Spannungsfestigkeit und Ladungsträgertransport dient. Um die Durchbruchspannung zu erhöhen und den Leitungswiderstand zu minimieren, sind kontrollierbare Dicke und Dotierungskonzentration sowie eine optimale Materialqualität einige Voraussetzungen. Hochwertige epitaktische Ga2O3-Schichten werden typischerweise mithilfe von Molekularstrahlepitaxie (MBE), metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD), Halogenid-Gasphasenabscheidung (HVPE), gepulster Laserabscheidung (PLD) und Nebel-CVD-basierten Abscheidungstechniken abgeschieden.
Tabelle 2 Einige repräsentative Epitaxietechnologien
3.1 MBE-Methode
Die MBE-Technologie ist bekannt für ihre Fähigkeit, aufgrund ihrer Ultrahochvakuumumgebung und hohen Materialreinheit hochwertige, defektfreie β-Ga2O3-Filme mit kontrollierbarer n-Typ-Dotierung zu züchten. Dadurch ist es zu einer der am umfassendsten untersuchten und potenziell kommerzialisierten Technologien zur Dünnschichtabscheidung aus β-Ga2O3 geworden. Darüber hinaus konnte mit der MBE-Methode auch eine hochwertige, niedrig dotierte Heterostruktur-Dünnschicht aus β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 erfolgreich hergestellt werden. MBE kann Oberflächenstruktur und -morphologie in Echtzeit mit Atomschichtpräzision überwachen, indem es die Reflexions-Hochenergie-Elektronenbeugung (RHEED) nutzt. Allerdings stehen β-Ga2O3-Filme, die mithilfe der MBE-Technologie gezüchtet werden, immer noch vor vielen Herausforderungen, wie z. B. einer geringen Wachstumsrate und einer geringen Filmgröße. Die Studie ergab, dass die Wachstumsrate in der Größenordnung von (010)>(001)>(−201)>(100) lag. Unter leicht Ga-reichen Bedingungen von 650 bis 750 °C zeigt β-Ga2O3 (010) ein optimales Wachstum mit glatter Oberfläche und hoher Wachstumsrate. Mit dieser Methode wurde eine β-Ga2O3-Epitaxie mit einer RMS-Rauheit von 0,1 nm erfolgreich erreicht. β-Ga2O3 In einer Ga-reichen Umgebung sind in der Abbildung MBE-Filme dargestellt, die bei unterschiedlichen Temperaturen gewachsen sind. Novel Crystal Technology Inc. hat erfolgreich 10 × 15 mm2 große β-Ga2O3MBE-Wafer epitaktisch hergestellt. Sie liefern qualitativ hochwertige (010)-orientierte β-Ga2O3-Einkristallsubstrate mit einer Dicke von 500 μm und einer XRD-FWHM unter 150 Bogensekunden. Das Substrat ist Sn-dotiert oder Fe-dotiert. Das Sn-dotierte leitfähige Substrat weist eine Dotierungskonzentration von 1E18 bis 9E18cm−3 auf, während das mit Eisen dotierte halbisolierende Substrat einen spezifischen Widerstand von mehr als 10E10 Ω cm aufweist.
3.2 MOCVD-Methode
MOCVD nutzt metallorganische Verbindungen als Vorläufermaterialien zum Züchten dünner Filme und ermöglicht so eine großtechnische kommerzielle Produktion. Bei der Züchtung von Ga2O3 mit der MOCVD-Methode werden üblicherweise Trimethylgallium (TMGa), Triethylgallium (TEGa) und Ga (Dipentylglykolformiat) als Ga-Quelle verwendet, während H2O, O2 oder N2O als Sauerstoffquelle verwendet werden. Das Wachstum mit dieser Methode erfordert im Allgemeinen hohe Temperaturen (>800 °C). Diese Technologie hat das Potenzial, eine niedrige Ladungsträgerkonzentration und Elektronenmobilität bei hohen und niedrigen Temperaturen zu erreichen, und ist daher von großer Bedeutung für die Realisierung leistungsstarker β-Ga2O3-Leistungsgeräte. Im Vergleich zur MBE-Wachstumsmethode hat MOCVD aufgrund der Eigenschaften des Hochtemperaturwachstums und chemischer Reaktionen den Vorteil, sehr hohe Wachstumsraten von β-Ga2O3-Filmen zu erreichen.
Abbildung 7 β-Ga2O3 (010) AFM-Bild
Abbildung 8 β-Ga2O3 Die Beziehung zwischen μ und dem Schichtwiderstand, gemessen durch Hall und Temperatur
3.3 HVPE-Methode
HVPE ist eine ausgereifte Epitaxietechnologie und wird häufig beim epitaktischen Wachstum von III-V-Verbindungshalbleitern eingesetzt. HVPE ist für seine niedrigen Produktionskosten, seine schnelle Wachstumsrate und seine hohe Foliendicke bekannt. Es ist zu beachten, dass HVPEβ-Ga2O3 normalerweise eine raue Oberflächenmorphologie und eine hohe Dichte an Oberflächendefekten und Grübchen aufweist. Daher sind vor der Herstellung des Geräts chemische und mechanische Polierprozesse erforderlich. Die HVPE-Technologie für die β-Ga2O3-Epitaxie verwendet normalerweise gasförmiges GaCl und O2 als Vorläufer, um die Hochtemperaturreaktion der (001) β-Ga2O3-Matrix zu fördern. Abbildung 9 zeigt den Oberflächenzustand und die Wachstumsrate des Epitaxiefilms als Funktion der Temperatur. In den letzten Jahren hat das japanische Unternehmen Novel Crystal Technology Inc. mit epitaktischen Schichtdicken von 5 bis 10 μm und Wafergrößen von 2 und 4 Zoll erhebliche kommerzielle Erfolge im HVPE-Homoepitaxie-β-Ga2O3 erzielt. Darüber hinaus sind auch 20 μm dicke HVPE-β-Ga2O3-Homöoepitaxialwafer der China Electronics Technology Group Corporation in die Kommerzialisierungsphase eingetreten.
Abbildung 9 HVPE-Methode β-Ga2O3
3.4 PLD-Methode
Die PLD-Technologie wird hauptsächlich zur Abscheidung komplexer Oxidfilme und Heterostrukturen eingesetzt. Während des PLD-Wachstumsprozesses wird Photonenenergie durch den Elektronenemissionsprozess an das Zielmaterial gekoppelt. Im Gegensatz zu MBE werden PLD-Quellenpartikel durch Laserstrahlung mit extrem hoher Energie (>100 eV) gebildet und anschließend auf einem erhitzten Substrat abgeschieden. Während des Ablationsprozesses treffen jedoch einige hochenergetische Partikel direkt auf die Materialoberfläche, wodurch Punktfehler entstehen und somit die Qualität des Films beeinträchtigt wird. Ähnlich wie die MBE-Methode kann RHEED verwendet werden, um die Oberflächenstruktur und Morphologie des Materials während des PLD-β-Ga2O3-Abscheidungsprozesses in Echtzeit zu überwachen, sodass Forscher genaue Wachstumsinformationen erhalten können. Es wird erwartet, dass die PLD-Methode hochleitfähige β-Ga2O3-Filme wachsen lässt, was sie zu einer optimierten ohmschen Kontaktlösung in Ga2O3-Leistungsgeräten macht.
Abbildung 10 AFM-Bild von Si-dotiertem Ga2O3
3.5 MIST-CVD-Methode
MIST-CVD ist eine relativ einfache und kostengünstige Dünnschichtwachstumstechnologie. Bei dieser CVD-Methode wird ein zerstäubter Vorläufer auf ein Substrat gesprüht, um eine Dünnschichtabscheidung zu erreichen. Allerdings weist Ga2O3, das mittels Nebel-CVD gezüchtet wird, bislang noch keine guten elektrischen Eigenschaften auf, was in der Zukunft noch viel Raum für Verbesserungen und Optimierungen lässt.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 30. Mai 2024