2. Epitaxiális vékonyréteg növekedés
A szubsztrát fizikai hordozóréteget vagy vezető réteget biztosít a Ga2O3 tápegységek számára. A következő fontos réteg a csatornaréteg vagy epitaxiális réteg, amelyet a feszültségellenállásra és a hordozószállításra használnak. Az áttörési feszültség növelése és a vezetési ellenállás minimalizálása érdekében néhány előfeltétel a szabályozható vastagság és adalékolási koncentráció, valamint az optimális anyagminőség. A kiváló minőségű Ga2O3 epitaxiális rétegeket jellemzően molekuláris nyaláb epitaxiával (MBE), fém szerves kémiai gőzleválasztással (MOCVD), halogenid gőzleválasztással (HVPE), pulzáló lézeres leválasztással (PLD) és köd-CVD alapú leválasztási technikákkal rakják le.
2. táblázat Néhány reprezentatív epitaxiális technológia
2.1 MBE módszer
Az MBE technológia arról híres, hogy rendkívül magas vákuumkörnyezetének és nagy anyagtisztaságának köszönhetően képes kiváló minőségű, hibamentes β-Ga2O3 filmeket termeszteni, szabályozható n-típusú adalékkal. Ennek eredményeként az egyik legszélesebb körben tanulmányozott és potenciálisan kereskedelmi forgalomba hozott β-Ga2O3 vékonyréteg-leválasztási technológia lett. Emellett az MBE módszerrel egy jó minőségű, alacsony adalékolású heteroszerkezetű β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 vékonyréteget is sikerült előállítani. Az MBE a reflexiós nagyenergiájú elektrondiffrakció (RHEED) segítségével valós időben képes atomi réteg pontossággal monitorozni a felület szerkezetét és morfológiáját. Az MBE technológiával termesztett β-Ga2O3 fóliák azonban még mindig számos kihívással néznek szembe, például az alacsony növekedési sebességgel és a kis filmmérettel. A tanulmány megállapította, hogy a növekedési ütem a (010)>(001)>(−201)>(100) nagyságrendű volt. Enyhén Ga-ban gazdag, 650-750 °C közötti körülmények között a β-Ga2O3 (010) optimális növekedést mutat, sima felülettel és magas növekedési sebességgel. Ezzel a módszerrel a β-Ga2O3 epitaxia sikeresen megvalósult 0,1 nm RMS érdesség mellett. β-Ga2O3 Ga-ban gazdag környezetben a különböző hőmérsékleteken termesztett MBE filmek az ábrán láthatók. A Novel Crystal Technology Inc. sikeresen epitaxiálisan állított elő 10 × 15 mm2-es β-Ga2O3MBE lapkákat. Kiváló minőségű (010) orientált β-Ga2O3 egykristály hordozót biztosítanak 500 μm vastagsággal és 150 ívmásodperc alatti XRD FWHM-rel. A szubsztrát Sn vagy Fe adalékolt. Az Sn-dal adalékolt vezetőképes szubsztrátum adalékolási koncentrációja 1E18-9E18cm−3, míg a vassal adalékolt félszigetelő hordozó fajlagos ellenállása 10E10 Ω cm-nél nagyobb.
2.2 MOCVD módszer
A MOCVD fém szerves vegyületeket használ prekurzor anyagként vékony filmek növesztéséhez, ezáltal nagyszabású kereskedelmi termelést valósít meg. A MOCVD módszerrel végzett Ga2O3 termesztésnél Ga forrásként általában trimetilgalliumot (TMGa), trietilgalliumot (TEGa) és Ga-t (dipentilglikol-formiát), oxigénforrásként pedig H2O, O2 vagy N2O használnak. Az ezzel a módszerrel történő növekedés általában magas hőmérsékletet igényel (>800 °C). Ezzel a technológiával alacsony hordozókoncentráció, valamint magas és alacsony hőmérsékletű elektronmobilitás érhető el, így nagy jelentőséggel bír a nagy teljesítményű β-Ga2O3 teljesítményeszközök megvalósításában. Az MBE növekedési módszerrel összehasonlítva a MOCVD előnye, hogy a β-Ga2O3 filmek nagyon magas növekedési sebességét éri el a magas hőmérsékleten történő növekedés és a kémiai reakciók jellemzői miatt.
7. ábra β-Ga2O3 (010) AFM kép
8. ábra β-Ga2O3 A Hall által mért μ és lemezellenállás és a hőmérséklet kapcsolata
2.3 HVPE módszer
A HVPE egy kiforrott epitaxiális technológia, és széles körben alkalmazzák a III-V összetett félvezetők epitaxiális növekedésében. A HVPE alacsony gyártási költségéről, gyors növekedési üteméről és nagy filmvastagságáról ismert. Meg kell jegyezni, hogy a HVPEβ-Ga2O3 általában durva felületi morfológiát és nagy sűrűségű felületi hibákat és gödröket mutat. Ezért a készülék gyártása előtt vegyi és mechanikai polírozási eljárások szükségesek. A β-Ga2O3 epitaxiához használt HVPE technológia általában gáznemű GaCl-t és O2-t használ prekurzorként a (001) β-Ga2O3 mátrix magas hőmérsékletű reakciójának elősegítésére. A 9. ábra az epitaxiális film felületi állapotát és növekedési sebességét mutatja a hőmérséklet függvényében. Az elmúlt években a japán Novel Crystal Technology Inc. jelentős kereskedelmi sikereket ért el a HVPE homoepitaxiális β-Ga2O3 területén, 5-10 μm epitaxiális rétegvastagsággal és 2 és 4 hüvelykes ostyamérettel. Emellett a China Electronics Technology Group Corporation által gyártott 20 μm vastag HVPE β-Ga2O3 homoepitaxiális ostyák is kereskedelmi forgalomba hozatalba léptek.
9. ábra HVPE módszer β-Ga2O3
2.4 PLD módszer
A PLD technológiát főleg összetett oxidfilmek és heterostruktúrák lerakására használják. A PLD növekedési folyamata során a fotonenergia az elektronemissziós folyamaton keresztül kapcsolódik a célanyaghoz. Az MBE-vel ellentétben a PLD forrásrészecskék rendkívül nagy energiájú (>100 eV) lézersugárzás hatására jönnek létre, majd fűtött hordozóra rakódnak le. Az ablációs folyamat során azonban egyes nagy energiájú részecskék közvetlenül érintik az anyag felületét, pontszerű hibákat hozva létre, és ezáltal csökkentve a film minőségét. Az MBE-módszerhez hasonlóan a RHEED segítségével valós időben nyomon követhető az anyag felületi szerkezete és morfológiája a PLD β-Ga2O3 lerakódási folyamat során, így a kutatók pontosan nyerhetnek növekedési információkat. A PLD módszer várhatóan nagy vezetőképességű β-Ga2O3 filmeket növeszt, így optimalizált ohmos érintkezési megoldássá válik a Ga2O3 tápegységekben.
10. ábra AFM képe Si-vel adalékolt Ga2O3-ról
2.5 MIST-CVD módszer
A MIST-CVD egy viszonylag egyszerű és költséghatékony vékonyréteg-növekedési technológia. Ez a CVD-módszer magában foglalja egy porlasztott prekurzor permetezésének reakcióját a szubsztrátumra a vékonyréteg-lerakódás elérése érdekében. Mindazonáltal a köd CVD-vel termesztett Ga2O3 még mindig nem rendelkezik jó elektromos tulajdonságokkal, ami sok teret hagy a fejlesztésre és az optimalizálásra a jövőben.
Feladás időpontja: 2024. május 30