3. 에피택셜 박막 성장
기판은 Ga2O3 전력 장치를 위한 물리적 지지층 또는 전도성 층을 제공합니다. 다음으로 중요한 층은 전압 저항과 캐리어 전송에 사용되는 채널 층 또는 에피택셜 층입니다. 항복전압을 높이고 전도 저항을 최소화하기 위해서는 두께와 도핑 농도를 제어할 수 있어야 하며, 재료 품질도 최적이어야 한다. 고품질 Ga2O3 에피택셜 층은 일반적으로 분자빔 에피택시(MBE), 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD), 할로겐화물 기상 증착(HVPE), 펄스 레이저 증착(PLD) 및 포그 CVD 기반 증착 기술을 사용하여 증착됩니다.
표 2 대표적인 에피택시 기술
3.1 MBE 방법
MBE 기술은 초고진공 환경과 높은 재료 순도 덕분에 제어 가능한 n형 도핑으로 고품질의 결함 없는 β-Ga2O3 필름을 성장시킬 수 있는 능력으로 유명합니다. 그 결과, β-Ga2O3 박막 증착 기술 중 가장 널리 연구되고 상용화될 가능성이 있는 기술 중 하나가 되었습니다. 또한, MBE 방법은 고품질의 저도핑 이종구조 β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 박막층을 성공적으로 제조했다. MBE는 반사 고에너지 전자 회절(RHEED)을 사용하여 원자층 정밀도로 표면 구조와 형태를 실시간으로 모니터링할 수 있습니다. 그러나 MBE 기술을 사용하여 성장한 β-Ga2O3 필름은 여전히 낮은 성장 속도 및 작은 필름 크기와 같은 많은 과제에 직면해 있습니다. 조사 결과 성장률은 (010)>(001)>(-201)>(100) 순으로 나타났다. 650~750°C의 약간 Ga가 풍부한 조건에서 β-Ga2O3(010)은 매끄러운 표면과 높은 성장률로 최적의 성장을 나타냅니다. 이 방법을 사용하여 0.1 nm의 RMS 거칠기로 β-Ga2O3 에피택시를 성공적으로 달성했습니다. β-Ga2O3 Ga가 풍부한 환경에서 다양한 온도에서 성장한 MBE 필름이 그림에 표시됩니다. Novel Crystal Technology Inc.는 10×15mm2 β-Ga2O3MBE 웨이퍼를 에피택셜 방식으로 생산하는 데 성공했습니다. 이 제품은 두께가 500μm이고 XRD FWHM이 150arc sec 미만인 고품질 (010) 지향 β-Ga2O3 단결정 기판을 제공합니다. 기판은 Sn 도핑 또는 Fe 도핑입니다. Sn이 도핑된 전도성 기판은 1E18~9E18cm-3의 도핑 농도를 갖는 반면, 철이 도핑된 반절연 기판은 10E10Ωcm보다 높은 저항률을 갖는다.
3.2 MOCVD 방법
MOCVD는 금속 유기화합물을 전구체 물질로 사용해 박막을 성장시켜 대규모 상업 생산을 가능하게 한다. MOCVD 방법을 사용하여 Ga2O3를 성장시키는 경우 일반적으로 Ga 소스로 트리메틸갈륨(TMGa), 트리에틸갈륨(TEGa) 및 Ga(디펜틸 글리콜 포메이트)가 사용되며, 산소 소스로는 H2O, O2 또는 N2O가 사용됩니다. 이 방법을 사용하여 성장하려면 일반적으로 고온(>800°C)이 필요합니다. 이 기술은 낮은 캐리어 농도와 고온 및 저온 전자 이동도를 구현할 수 있는 잠재력을 갖고 있어 고성능 β-Ga2O3 전력소자 구현에 큰 의미를 갖는다. MOCVD는 MBE 성장법에 비해 고온 성장과 화학반응의 특성으로 인해 β-Ga2O3막의 성장 속도가 매우 높다는 장점이 있다.
그림 7 β-Ga2O3(010) AFM 이미지
그림 8 β-Ga2O3 홀과 온도에 의해 측정된 μ와 시트 저항 사이의 관계
3.3 HVPE 방법
HVPE는 성숙한 에피택셜 기술이며 III-V 화합물 반도체의 에피택셜 성장에 널리 사용되어 왔습니다. HVPE는 생산 비용이 저렴하고 성장 속도가 빠르며 필름 두께가 두꺼운 것으로 알려져 있습니다. HVPEβ-Ga2O3는 일반적으로 거친 표면 형태와 높은 밀도의 표면 결함 및 피트를 나타냅니다. 따라서 소자를 제작하기 전에 화학적, 기계적 연마 공정이 필요합니다. β-Ga2O3 에피택시를 위한 HVPE 기술은 일반적으로 기체 GaCl과 O2를 전구체로 사용하여 (001) β-Ga2O3 매트릭스의 고온 반응을 촉진합니다. 그림 9는 온도에 따른 에피택셜 필름의 표면 상태와 성장 속도를 보여줍니다. 최근 몇 년 동안 일본의 Novel Crystal Technology Inc.는 5~10μm의 에피택셜 층 두께와 2~4인치의 웨이퍼 크기를 갖춘 HVPE 동종에피택셜 β-Ga2O3에서 상당한 상업적 성공을 거두었습니다. 또한 China Electronics Technology Group Corporation에서 생산한 20μm 두께의 HVPE β-Ga2O3 호모에피택셜 웨이퍼도 상용화 단계에 진입했습니다.
그림 9 HVPE 방법 β-Ga2O3
3.4 PLD 방식
PLD 기술은 주로 복잡한 산화막과 이종 구조를 증착하는 데 사용됩니다. PLD 성장 과정에서 광자 에너지는 전자 방출 과정을 통해 타겟 물질에 결합됩니다. MBE와 달리 PLD 소스 입자는 매우 높은 에너지(>100eV)의 레이저 방사선에 의해 형성되고 이후 가열된 기판에 증착됩니다. 그러나 절제 공정 중에 일부 고에너지 입자가 재료 표면에 직접 영향을 미쳐 점 결함을 생성하여 필름 품질을 저하시킵니다. MBE 방법과 유사하게 RHEED를 사용하면 PLD β-Ga2O3 증착 공정 중에 재료의 표면 구조와 형태를 실시간으로 모니터링할 수 있어 연구자가 성장 정보를 정확하게 얻을 수 있습니다. PLD 방법은 전도성이 높은 β-Ga2O3 필름을 성장시켜 Ga2O3 전력 소자에 최적화된 저항 접촉 솔루션이 될 것으로 기대됩니다.
그림 10 Si 도핑된 Ga2O3의 AFM 이미지
3.5 MIST-CVD 방법
MIST-CVD는 상대적으로 간단하고 비용 효율적인 박막 성장 기술입니다. 이 CVD 방법은 원자화된 전구체를 기판에 분사하여 박막 증착을 달성하는 반응을 포함합니다. 그러나 지금까지 미스트 CVD를 사용하여 성장한 Ga2O3는 여전히 좋은 전기적 특성이 부족하여 향후 개선과 최적화의 여지가 많이 남아 있습니다.
게시 시간: 2024년 5월 30일