酸化立像とエピタキシャル成長技術-Ⅱ

2. エピタキシャル薄膜成長

基板は、Ga2O3 パワーデバイスに物理的な支持層または導電層を提供します。次に重要な層は、耐電圧性とキャリア輸送に使用されるチャネル層またはエピタキシャル層です。降伏電圧を高め、導通抵抗を最小限に抑えるには、制御可能な厚さとドーピング濃度、および最適な材料品質がいくつかの前提条件となります。高品質の Ga2O3 エピタキシャル層は通常、分子線エピタキシー (MBE)、有機金属化学蒸着 (MOCVD)、ハロゲン化物蒸着 (HVPE)、パルス レーザー蒸着 (PLD)、およびフォグ CVD ベースの蒸着技術を使用して蒸着されます。

表 2 代表的なエピタキシャル技術

2.1 MBE法

MBE テクノロジーは、超高真空環境と高い材料純度により、制御可能な n 型ドーピングを使用して高品質で欠陥のない β-Ga2O3 膜を成長できることで知られています。その結果、β-Ga2O3 薄膜堆積技術は最も広く研究され、商業化される可能性のある技術の 1 つになりました。さらに、MBE 法は、高品質で低ドープのヘテロ構造 β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 薄膜層の作製にも成功しました。 MBE は、反射高エネルギー電子回折 (RHEED) を使用して、表面構造と形態を原子層の精度でリアルタイムに監視できます。しかし、MBE技術を用いて成長させたβ-Ga2O3膜は、成長速度の遅さや膜サイズの小ささなど、依然として多くの課題に直面している。この研究では、成長率は (010) > (001) > (-201) > (100) の順であることがわかりました。 650 ～ 750°C のわずかに Ga リッチな条件下では、β-Ga2O3 (010) は滑らかな表面と高い成長速度で最適な成長を示します。この方法を使用すると、RMS 粗さ 0.1 nm の β-Ga2O3 エピタキシーが成功裏に達成されました。 β-Ga2O3 Ga が豊富な環境で、さまざまな温度で成長した MBE 膜を図に示します。 Novel Crystal Technology Inc. は、10 × 15mm2 β-Ga2O3MBE ウェーハのエピタキシャル製造に成功しました。これらは、厚さ 500 μm、XRD FWHM が 150 アーク秒未満の高品質 (010) 配向 β-Ga2O3 単結晶基板を提供します。基板はＳｎドープまたはＦｅドープである。 Sn ドープの導電性基板のドーピング濃度は 1E18 ～ 9E18cm-3 ですが、鉄ドープの半絶縁性基板の抵抗率は 10E10 Ω cm より高くなります。

2.2 MOCVD法

MOCVD は金属有機化合物を前駆体材料として使用して薄膜を成長させ、それによって大規模な商業生産を実現します。 MOCVD 法を使用して Ga2O3 を成長させる場合、通常、Ga ソースとしてトリメチルガリウム (TMGa)、トリエチルガリウム (TEGa)、および Ga (ギ酸ジペンチルグリコール) が使用され、酸素ソースとしては H2O、O2、または N2O が使用されます。この方法を使用した成長には通常、高温 (>800°C) が必要です。この技術は、低いキャリア濃度と高温および低温での電子移動度を実現する可能性があり、高性能なβ-Ga2O3パワーデバイスの実現にとって非常に重要です。 MOCVD 法は、MBE 成長法と比較して、高温成長と化学反応という特性により、β-Ga2O3 膜の成長速度が非常に速いという利点があります。

図 7 β-Ga2O3 (010) AFM 像

図8 β-Ga2O3 ホールと温度で測定したμとシート抵抗の関係

2.3 HVPE法

HVPE は成熟したエピタキシャル技術であり、III-V 族化合物半導体のエピタキシャル成長に広く使用されています。 HVPE は、製造コストが低く、成長速度が速く、膜厚が厚いことで知られています。 HVPEβ-Ga2O3 は通常、粗い表面形態と高密度の表面欠陥およびピットを示すことに注意してください。したがって、デバイスを製造する前に化学的および機械的研磨プロセスが必要です。 β-Ga2O3 エピタキシー用の HVPE 技術では、通常、ガス状の GaCl と O2 を前駆体として使用して、(001) β-Ga2O3 マトリックスの高温反応を促進します。図9は、温度の関数としてのエピタキシャル膜の表面状態と成長速度を示しています。近年、日本の Novel Crystal Technology Inc. は、エピタキシャル層の厚さが 5 ～ 10 μm、ウェーハ サイズが 2 インチと 4 インチの HVPE ホモエピタキシャル β-Ga2O3 で商業的に大きな成功を収めています。さらに、China Electronics Technology Group Corporation が製造する厚さ 20 μm の HVPE β-Ga2O3 ホモエピタキシャル ウェーハも商品化段階に入っています。

図9 HVPE法 β-Ga2O3

2.4 PLD法

PLD 技術は主に複合酸化膜とヘテロ構造の堆積に使用されます。 PLD 成長プロセス中、光子エネルギーは電子放出プロセスを通じてターゲット材料に結合されます。 MBE とは対照的に、PLD ソース粒子は非常に高いエネルギー (>100 eV) のレーザー放射によって形成され、その後加熱された基板上に堆積されます。ただし、アブレーションプロセス中に、一部の高エネルギー粒子が材料表面に直接衝突し、点欠陥が生じ、フィルムの品質が低下します。 MBE 法と同様に、RHEED を使用すると、PLD β-Ga2O3 堆積プロセス中に材料の表面構造と形態をリアルタイムで監視できるため、研究者は成長情報を正確に取得できます。 PLD 法は、導電性の高い β-Ga2O3 膜を成長させることが期待されており、Ga2O3 パワーデバイスにおける最適化されたオーム接触ソリューションになります。

図 10 Si ドープ Ga2O3 の AFM 画像

2.5 MIST-CVD法

MIST-CVD は、比較的シンプルでコスト効率の高い薄膜成長技術です。この CVD 法には、霧化した前駆体を基板上にスプレーして薄膜の堆積を達成する反応が含まれます。しかし、これまでのところ、ミスト CVD を使用して成長させた Ga2O3 はまだ良好な電気的特性を欠いており、将来的には改善と最適化の余地が多く残されています。