3. Epitaksiaalinen ohutkalvokasvu
Substraatti tarjoaa fyysisen tukikerroksen tai johtavan kerroksen Ga2O3-teholaitteille. Seuraava tärkeä kerros on kanavakerros tai epitaksiaalinen kerros, jota käytetään jänniteresistanssiin ja kantoaallon siirtoon. Ohjausjännitteen nostamiseksi ja johtavuusvastuksen minimoimiseksi tarvitaan säädettävä paksuus ja seostuspitoisuus sekä optimaalinen materiaalin laatu. Laadukkaat Ga2O3-epitaksiaalikerrokset kerrostetaan tyypillisesti käyttämällä molekyylisuihkuepitaksia (MBE), metalliorgaanista kemiallista höyrypinnoitusta (MOCVD), halogenidihöyrypinnoitusta (HVPE), pulssilaserpinnoitusta (PLD) ja sumu-CVD-pohjaista pinnoitustekniikkaa.
Taulukko 2 Eräitä edustavia epitaksitekniikoita
3.1 MBE-menetelmä
MBE-teknologia tunnetaan kyvystään kasvattaa korkealaatuisia, virheettömiä β-Ga2O3-kalvoja, joissa on hallittavissa oleva n-tyyppinen seostus sen erittäin korkean tyhjiöympäristön ja korkean materiaalin puhtauden ansiosta. Tämän seurauksena siitä on tullut yksi laajimmin tutkituista ja mahdollisesti kaupallisista β-Ga2O3-ohutkalvopinnoitustekniikoista. Lisäksi MBE-menetelmällä valmistettiin onnistuneesti myös korkealaatuinen, vähän seostettu heterorakenne β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 ohutkalvokerros. MBE voi seurata pinnan rakennetta ja morfologiaa reaaliajassa atomikerroksen tarkkuudella käyttämällä heijastuskorkean energian elektronidiffraktiota (RHEED). MBE-teknologialla kasvatetut β-Ga2O3-kalvot kohtaavat kuitenkin edelleen monia haasteita, kuten alhainen kasvunopeus ja pieni kalvokoko. Tutkimuksessa havaittiin, että kasvuvauhti oli luokkaa (010)>(001)>(−201)>(100). Hieman Ga-rikkaissa olosuhteissa 650-750 °C β-Ga2O3 (010) kasvaa optimaalisesti sileällä pinnalla ja suurella kasvunopeudella. Tätä menetelmää käyttämällä β-Ga2O3-epitaksia saavutettiin onnistuneesti RMS-karheudella 0,1 nm. β-Ga2O3 Ga-rikkaassa ympäristössä eri lämpötiloissa kasvatetut MBE-kalvot on esitetty kuvassa. Novel Crystal Technology Inc. on onnistuneesti tuottanut epitaksiaalisesti 10 × 15 mm2 β-Ga2O3MBE-kiekkoja. Ne tarjoavat korkealaatuisia (010) suuntautuneita β-Ga2O3-yksikidesubstraatteja, joiden paksuus on 500 μm ja XRD FWHM alle 150 kaarisekuntia. Substraatti on Sn- tai Fe-seostettu. Sn-seostetun johtavan substraatin seostuspitoisuus on 1E18 - 9E18cm-3, kun taas rautaseostetun puolieristyssubstraatin resistiivisyys on suurempi kuin 10E10 Ω cm.
3.2 MOCVD-menetelmä
MOCVD käyttää metalliorgaanisia yhdisteitä esiastemateriaaleina ohuiden kalvojen kasvattamiseen, mikä saavuttaa suuren mittakaavan kaupallisen tuotannon. Kasvatettaessa Ga2O3:a MOCVD-menetelmällä Ga-lähteenä käytetään yleensä trimetyyligalliumia (TMGa), trietyyligalliumia (TEGa) ja Ga:ta (dipentyyliglykoliformiaattia) ja happilähteenä H2O:ta, O2:ta tai N2O:ta. Kasvu tällä menetelmällä vaatii yleensä korkeita lämpötiloja (>800 °C). Tällä tekniikalla on potentiaalia saavuttaa alhainen kantoaaltopitoisuus ja korkean ja matalan lämpötilan elektronien liikkuvuus, joten sillä on suuri merkitys korkean suorituskyvyn β-Ga2O3 teholaitteiden toteuttamisessa. MBE-kasvatusmenetelmään verrattuna MOCVD:llä on se etu, että se saavuttaa erittäin suuret β-Ga2O3-kalvojen kasvunopeudet korkean lämpötilan kasvun ja kemiallisten reaktioiden ominaisuuksien vuoksi.
Kuva 7 β-Ga2O3 (010) AFM-kuva
Kuva 8 β-Ga2O3 μ:n ja Hallin mittaaman levyresistanssin ja lämpötilan välinen suhde
3.3 HVPE-menetelmä
HVPE on kypsä epitaksiaalinen tekniikka, ja sitä on käytetty laajalti III-V-yhdistepuolijohteiden epitaksiaalisessa kasvussa. HVPE tunnetaan alhaisista tuotantokustannuksistaan, nopeasta kasvustaan ja suuresta kalvopaksuudestaan. On huomattava, että HVPEβ-Ga2O3:lla on tavallisesti karkea pintamorfologia ja suuri pintavikojen ja kuoppien tiheys. Siksi ennen laitteen valmistusta vaaditaan kemiallisia ja mekaanisia kiillotusprosesseja. HVPE-teknologia β-Ga2O3-epitaksia varten käyttää yleensä kaasumaista GaCl:a ja O2:ta esiasteena edistämään (001) β-Ga2O3-matriisin korkean lämpötilan reaktiota. Kuva 9 esittää epitaksiaalikalvon pinnan tilan ja kasvunopeuden lämpötilan funktiona. Viime vuosina japanilainen Novel Crystal Technology Inc. on saavuttanut merkittävää kaupallista menestystä HVPE:n homoepitaksiaalisessa β-Ga2O3:ssa, jonka epitaksiaalinen kerrospaksuus on 5–10 μm ja kiekkojen koot 2 ja 4 tuumaa. Lisäksi China Electronics Technology Group Corporationin valmistamat 20 μm paksut HVPE β-Ga2O3 homoepitaksiaaliset kiekot ovat myös siirtyneet kaupallistamisvaiheeseen.
Kuva 9 HVPE-menetelmä β-Ga2O3
3.4 PLD-menetelmä
PLD-tekniikkaa käytetään pääasiassa monimutkaisten oksidikalvojen ja heterorakenteiden kerrostamiseen. PLD-kasvuprosessin aikana fotonienergia kytkeytyy kohdemateriaaliin elektroniemissioprosessin kautta. Toisin kuin MBE, PLD-lähdehiukkaset muodostuvat erittäin korkean energian (>100 eV) lasersäteilyllä ja kerrostuvat sen jälkeen kuumennetulle alustalle. Kuitenkin ablaatioprosessin aikana jotkin korkeaenergiset hiukkaset vaikuttavat suoraan materiaalin pintaan aiheuttaen pistevikoja ja heikentäen siten kalvon laatua. MBE-menetelmän tapaan RHEED:llä voidaan seurata materiaalin pintarakennetta ja morfologiaa reaaliajassa PLD β-Ga2O3-laskeumaprosessin aikana, jolloin tutkijat voivat saada tarkasti kasvutietoa. PLD-menetelmän odotetaan kasvattavan erittäin johtavia β-Ga2O3-kalvoja, mikä tekee siitä optimoidun ohmisen kontaktiratkaisun Ga2O3-teholaitteissa.
Kuva 10 AFM-kuva Si-seostetusta Ga2O3:sta
3.5 MIST-CVD -menetelmä
MIST-CVD on suhteellisen yksinkertainen ja kustannustehokas ohutkalvokasvatusteknologia. Tämä CVD-menetelmä sisältää reaktion, jossa sumutetaan sumutettu esiaste substraatille ohutkalvosaostumisen aikaansaamiseksi. Kuitenkin toistaiseksi sumu-CVD:llä kasvatetulla Ga2O3:lla ei ole vielä hyviä sähköisiä ominaisuuksia, mikä jättää paljon parantamisen ja optimoinnin varaa tulevaisuudessa.
Postitusaika: 30.5.2024