2. Epitaktisches Dünnschichtwachstum
Das Substrat dient als physikalische Trägerschicht bzw. leitfähige Schicht für Ga₂O₃-Leistungsbauelemente. Die nächste wichtige Schicht ist die Kanalschicht bzw. Epitaxieschicht, die für den Spannungswiderstand und den Ladungstransport verantwortlich ist. Um die Durchbruchspannung zu erhöhen und den Leitwiderstand zu minimieren, sind eine kontrollierbare Schichtdicke und Dotierungskonzentration sowie eine optimale Materialqualität Voraussetzung. Hochwertige Ga₂O₃-Epitaxieschichten werden typischerweise mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE), metallorganischer chemischer Gasphasenabscheidung (MOCVD), Halogenid-Dampfabscheidung (HVPE), gepulster Laserabscheidung (PLD) und Fog-CVD-basierten Abscheidungstechniken hergestellt.
Tabelle 2 Einige repräsentative Epitaxietechnologien
2.1 MBE-Methode
Die Molekularstrahlepitaxie (MBE) ist bekannt für ihre Fähigkeit, hochwertige, defektfreie β-Ga₂O₃-Filme mit kontrollierbarer n-Dotierung zu erzeugen. Dies ist auf das Ultrahochvakuum und die hohe Materialreinheit zurückzuführen. Daher zählt sie zu den am häufigsten untersuchten und potenziell kommerziell nutzbaren Dünnschichtabscheidungstechnologien für β-Ga₂O₃. Mit der MBE-Methode konnte zudem erfolgreich eine hochwertige, niedrig dotierte Heterostruktur-Dünnschicht aus β-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃/Ga₂O₃ hergestellt werden. MBE ermöglicht die Echtzeitüberwachung von Oberflächenstruktur und -morphologie mit atomarer Präzision mittels Reflexions-Hochenergie-Elektronenbeugung (RHEED). Allerdings stehen mit der MBE-Technologie hergestellte β-Ga₂O₃-Filme weiterhin vor Herausforderungen wie geringer Wachstumsrate und kleiner Filmgröße. Die Studie ergab, dass die Wachstumsrate in der Reihenfolge (010) > (001) > (−201) > (100) abläuft. Unter leicht galliumreichen Bedingungen bei 650 bis 750 °C zeigt β-Ga₂O₃ (010) optimales Wachstum mit glatter Oberfläche und hoher Wachstumsrate. Mit dieser Methode wurde die Epitaxie von β-Ga₂O₃ mit einer RMS-Rauheit von 0,1 nm erfolgreich realisiert. Abbildung 1 zeigt MBE-Filme von β-Ga₂O₃, die in einer galliumreichen Umgebung bei verschiedenen Temperaturen gewachsen sind. Novel Crystal Technology Inc. hat erfolgreich 10 × 15 mm² große β-Ga₂O₃-MBE-Wafer epitaktisch hergestellt. Diese liefern hochwertige, (010)-orientierte β-Ga₂O₃-Einkristallsubstrate mit einer Dicke von 500 μm und einer XRD-Halbwertsbreite (FWHM) unter 150 Bogensekunden. Das Substrat ist entweder mit Zinn oder Eisen dotiert. Das mit Zinn 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.
2.2 MOCVD-Verfahren
MOCVD nutzt metallorganische Verbindungen als Vorläufermaterialien für das Wachstum dünner Schichten und ermöglicht so die großtechnische Produktion. Bei der Ga₂O₃-Abscheidung mittels MOCVD werden üblicherweise Trimethylgallium (TMGa), Triethylgallium (TEGa) und Gallium (Dipentylglykolformiat) als Galliumquelle und H₂O, O₂ oder N₂O als Sauerstoffquelle verwendet. Das Wachstum mit diesem Verfahren erfordert in der Regel hohe Temperaturen (>800 °C). Diese Technologie bietet das Potenzial, niedrige Ladungsträgerkonzentrationen sowie hohe und niedrige Temperatur-Elektronenmobilitäten zu erzielen und ist daher von großer Bedeutung für die Realisierung von Hochleistungs-β-Ga₂O₃-Leistungshalbleitern. Im Vergleich zum MBE-Verfahren ermöglicht MOCVD aufgrund der Eigenschaften des Hochtemperaturwachstums und der chemischen Reaktionen sehr hohe Wachstumsraten von β-Ga₂O₃-Schichten.
Abbildung 7 β-Ga2O3 (010) AFM-Bild
Abbildung 8 β-Ga2O3 Der Zusammenhang zwischen μ und dem mittels Hall-Analyse gemessenen Flächenwiderstand und der Temperatur
2.3 HVPE-Methode
Die Homoepitaxie (HVPE) ist eine ausgereifte Epitaxietechnologie und wird häufig für das epitaktische Wachstum von III-V-Halbleitern eingesetzt. HVPE zeichnet sich durch niedrige Produktionskosten, hohe Wachstumsraten und große Schichtdicken aus. HVPE-β-Ga₂O₃ weist üblicherweise eine raue Oberflächenmorphologie und eine hohe Dichte an Oberflächendefekten und Poren auf. Daher sind vor der Bauelementfertigung chemische und mechanische Polierprozesse erforderlich. Bei der HVPE-Technologie für die β-Ga₂O₃-Epitaxie werden in der Regel gasförmiges GaCl und O₂ als Vorläufer verwendet, um die Hochtemperaturreaktion der (001)-β-Ga₂O₃-Matrix zu fördern. Abbildung 9 zeigt den Oberflächenzustand und die Wachstumsrate des Epitaxiefilms in Abhängigkeit von der Temperatur. In den letzten Jahren hat das japanische Unternehmen Novel Crystal Technology Inc. mit HVPE-homoepitaxiebasiertem β-Ga₂O₃ bedeutende kommerzielle Erfolge erzielt, mit Epitaxieschichtdicken von 5 bis 10 μm und Wafergrößen von 2 und 4 Zoll. Darüber hinaus haben auch 20 μm dicke HVPE β-Ga2O3-Homoepitaxie-Wafer, die von der China Electronics Technology Group Corporation hergestellt werden, die Kommerzialisierungsphase erreicht.
Abbildung 9 HVPE-Methode β-Ga2O3
2.4 PLD-Verfahren
Die PLD-Technologie wird hauptsächlich zur Abscheidung komplexer Oxidschichten und Heterostrukturen eingesetzt. Beim PLD-Wachstumsprozess wird Photonenenergie durch Elektronenemission an das Zielmaterial gekoppelt. Im Gegensatz zur MBE werden die Quellpartikel bei der PLD durch Laserstrahlung mit extrem hoher Energie (>100 eV) erzeugt und anschließend auf einem erhitzten Substrat abgeschieden. Während des Ablationsprozesses treffen jedoch einige hochenergetische Partikel direkt auf die Materialoberfläche, wodurch Punktdefekte entstehen und die Schichtqualität beeinträchtigt wird. Ähnlich wie bei der MBE-Methode kann die Oberflächenstruktur und -morphologie des Materials während der PLD-Abscheidung von β-Ga₂O₃ mittels RHEED in Echtzeit überwacht werden, wodurch Forscher präzise Wachstumsinformationen gewinnen können. Es wird erwartet, dass die PLD-Methode hochleitfähige β-Ga₂O₃-Schichten erzeugt und somit eine optimierte Lösung für ohmsche Kontakte in Ga₂O₃-Leistungsbauelementen darstellt.
Abbildung 10 AFM-Bild von Si-dotiertem Ga2O3
2.5 MIST-CVD-Verfahren
MIST-CVD ist eine relativ einfache und kostengünstige Technologie zur Dünnschichtabscheidung. Bei diesem CVD-Verfahren wird ein atomisierter Vorläufer auf ein Substrat gesprüht, um eine Dünnschicht zu erzeugen. Allerdings weist Ga₂O₃, das mittels Mist-CVD hergestellt wurde, bisher noch keine guten elektrischen Eigenschaften auf, was zukünftig erhebliches Verbesserungspotenzial bietet.
Veröffentlichungsdatum: 30. Mai 2024