2. Epitaksiaalne õhukese kile kasv
Substraat annab Ga2O3 toiteseadmetele füüsilise tugikihi või juhtiva kihi. Järgmine oluline kiht on pingetakistuseks ja kandja transpordiks kasutatav kanalikiht ehk epitaksiaalkiht. Läbilöögipinge suurendamiseks ja juhtivustakistuse minimeerimiseks on mõned eeldused kontrollitav paksus ja dopingu kontsentratsioon ning optimaalne materjali kvaliteet. Kvaliteetsed Ga2O3 epitaksiaalsed kihid sadestatakse tavaliselt molekulaarkiirepitaksika (MBE), metalli orgaanilise keemilise aurustamise-sadestamise (MOCVD), halogeniid-aurustamise-sadestamise (HVPE), impulsslaser-sadestamise (PLD) ja udu-CVD-põhise sadestamise tehnika abil.
Tabel 2 Mõned tüüpilised epitaksiaaltehnoloogiad
2.1 MBE meetod
MBE tehnoloogia on oma ülikõrge vaakumkeskkonna ja materjali kõrge puhtuse tõttu tuntud oma võime poolest kasvatada kvaliteetseid defektideta β-Ga2O3 kilesid, millel on kontrollitav n-tüüpi doping. Selle tulemusena on sellest saanud üks enim uuritud ja potentsiaalselt turustatud β-Ga2O3 õhukese kile sadestamise tehnoloogiaid. Lisaks valmistati MBE meetodiga edukalt ka kõrgekvaliteediline madala legeeritud heterostruktuuriga β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 õhuke kilekiht. MBE saab jälgida pinna struktuuri ja morfoloogiat reaalajas aatomikihi täpsusega, kasutades peegelduskõrge energiaga elektronide difraktsiooni (RHEED). MBE tehnoloogia abil kasvatatud β-Ga2O3 kiled seisavad siiski silmitsi paljude väljakutsetega, nagu madal kasvukiirus ja väike kile suurus. Uuringus leiti, et kasvutempo oli suurusjärgus (010)>(001)>(−201)>(100). Kergelt Ga-rikastes tingimustes 650–750 °C näitab β-Ga2O3 (010) optimaalset kasvu sileda pinna ja suure kasvukiirusega. Seda meetodit kasutades saavutati edukalt β-Ga2O3 epitaks, mille RMS karedus oli 0, 1 nm. β-Ga2O3 Ga-rikkas keskkonnas on joonisel näidatud erinevatel temperatuuridel kasvatatud MBE-kiled. Novel Crystal Technology Inc. on edukalt tootnud epitaksiaalselt 10 × 15 mm2 β-Ga2O3MBE vahvleid. Need pakuvad kvaliteetset (010) orienteeritud β-Ga2O3 monokristalli substraate paksusega 500 μm ja XRD FWHM alla 150 kaaresekundi. Substraat on legeeritud Sn või Fe. Sn-leegitud juhtiva substraadi dopingukontsentratsioon on 1E18 kuni 9E18cm-3, samas kui rauaga legeeritud poolisoleeriva substraadi eritakistus on suurem kui 10E10 Ω cm.
2.2 MOCVD meetod
MOCVD kasutab metallide orgaanilisi ühendeid lähteainetena õhukeste kilede kasvatamiseks, saavutades seeläbi suuremahulise kaubandusliku tootmise. Ga2O3 kasvatamisel MOCVD meetodil kasutatakse Ga allikana tavaliselt trimetüülgalliumi (TMGa), trietüülgalliumi (TEGa) ja Ga (dipentüülglükoolformiaat), hapnikuallikana aga H2O, O2 või N2O. Seda meetodit kasutav kasvatamine nõuab üldiselt kõrget temperatuuri (>800 °C). Sellel tehnoloogial on potentsiaal saavutada madal kandja kontsentratsioon ning kõrge ja madala temperatuuriga elektronide liikuvus, seega on sellel suur tähtsus suure jõudlusega β-Ga2O3 toiteseadmete realiseerimisel. Võrreldes MBE kasvumeetodiga on MOCVD eeliseks β-Ga2O3 kilede väga kõrge kasvukiirus kõrgel temperatuuril kasvamise ja keemiliste reaktsioonide omaduste tõttu.
Joonis 7 β-Ga2O3 (010) AFM-pilt
Joonis 8 β-Ga2O3 Suhe μ ja Halli järgi mõõdetud lehe takistuse ja temperatuuri vahel
2.3 HVPE meetod
HVPE on küps epitaksiaaltehnoloogia ja seda on laialdaselt kasutatud III-V liitpooljuhtide epitaksiaalses kasvus. HVPE on tuntud oma madalate tootmiskulude, kiire kasvutempo ja suure kilepaksuse poolest. Tuleb märkida, et HVPEβ-Ga2O3-l on tavaliselt kare pinnamorfoloogia ning pinnadefektide ja aukude tihedus. Seetõttu on enne seadme valmistamist vaja keemilisi ja mehaanilisi poleerimisprotsesse. HVPE tehnoloogia β-Ga2O3 epitakseerimiseks kasutab tavaliselt gaasilist GaCl ja O2 lähteainetena, et soodustada (001) β-Ga2O3 maatriksi kõrge temperatuuri reaktsiooni. Joonisel 9 on näidatud epitaksiaalse kile pinna seisund ja kasvukiirus temperatuuri funktsioonina. Viimastel aastatel on Jaapani ettevõte Novel Crystal Technology Inc saavutanud märkimisväärset kaubanduslikku edu HVPE homoepitaksiaalse β-Ga2O3 alal, mille epitaksiaalse kihi paksus on 5–10 μm ja vahvlite suurus 2 ja 4 tolli. Lisaks on turustamisfaasi jõudnud ka China Electronics Technology Group Corporationi toodetud 20 μm paksused HVPE β-Ga2O3 homoepitaksiaalsed vahvlid.
Joonis 9 HVPE meetod β-Ga2O3
2.4 PLD meetod
PLD-tehnoloogiat kasutatakse peamiselt keerukate oksiidkilede ja heterostruktuuride sadestamiseks. PLD kasvuprotsessi ajal seotakse footoni energia sihtmaterjaliga elektronide emissiooniprotsessi kaudu. Erinevalt MBE-st moodustuvad PLD-allika osakesed ülikõrge energiaga (>100 eV) laserkiirgusega ja sadestuvad seejärel kuumutatud substraadile. Kuid ablatsiooniprotsessi ajal mõjutavad mõned suure energiaga osakesed otseselt materjali pinda, tekitades punktdefekte ja vähendades seega kile kvaliteeti. Sarnaselt MBE-meetodile saab RHEED-i kasutada materjali pinnastruktuuri ja morfoloogia jälgimiseks reaalajas PLD β-Ga2O3 sadestamisprotsessi ajal, võimaldades teadlastel saada täpselt kasvuteavet. Eeldatakse, et PLD-meetod kasvatab väga juhtivaid β-Ga2O3 kilesid, muutes selle optimeeritud oomiliseks kontaktlahenduseks Ga2O3 toiteseadmetes.
Joonis 10 Si legeeritud Ga2O3 AFM-pilt
2.5 MIST-CVD meetod
MIST-CVD on suhteliselt lihtne ja kulutõhus õhukese kile kasvatamise tehnoloogia. See CVD-meetod hõlmab pihustatud prekursori pihustamist substraadile, et saavutada õhukese kile sadestumine. Kuid siiani puuduvad mist CVD abil kasvatatud Ga2O3-l head elektrilised omadused, mis jätab palju arenguruumi ja optimeerimisruumi edaspidiseks.
Postitusaeg: 30. mai-2024