2. Epitaksial tynnfilmvekst
Substratet gir et fysisk støttelag eller ledende lag for Ga2O3-kraftenheter. Det neste viktige laget er kanallaget eller epitaksiallaget som brukes til spenningsmotstand og bærertransport. For å øke gjennombruddsspenningen og minimere ledningsmotstanden er kontrollerbar tykkelse og dopingkonsentrasjon, samt optimal materialkvalitet, noen forutsetninger. Høykvalitets Ga2O3-epitaksiale lag avsettes vanligvis ved bruk av molekylærstråleepitaksi (MBE), metallorganisk kjemisk dampavsetning (MOCVD), halogeniddampavsetning (HVPE), pulsert laseravsetning (PLD) og tåke-CVD-baserte avsetningsteknikker.
Tabell 2 Noen representative epitaksiale teknologier
2.1 MBE metode
MBE-teknologien er kjent for sin evne til å dyrke høykvalitets, defektfrie β-Ga2O3-filmer med kontrollerbar n-type doping på grunn av sitt ultrahøye vakuummiljø og høye materialrenhet. Som et resultat har det blitt en av de mest studerte og potensielt kommersialiserte β-Ga2O3 tynnfilmavsetningsteknologiene. I tillegg har MBE-metoden også med suksess utarbeidet et høykvalitets, lavdopet heterostruktur β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 tynnfilmlag. MBE kan overvåke overflatestruktur og morfologi i sanntid med atomlagspresisjon ved å bruke refleksjon med høy energi elektrondiffraksjon (RHEED). Imidlertid møter β-Ga2O3-filmer dyrket ved hjelp av MBE-teknologi fortsatt mange utfordringer, som lav veksthastighet og liten filmstørrelse. Studien fant at vekstraten var i størrelsesorden (010)>(001)>(−201)>(100). Under lett Ga-rike forhold på 650 til 750°C, viser β-Ga2O3 (010) optimal vekst med en jevn overflate og høy veksthastighet. Ved å bruke denne metoden ble β-Ga2O3-epitaksi oppnådd med en RMS-ruhet på 0,1 nm. β-Ga2O3 I et Ga-rikt miljø er MBE-filmer dyrket ved forskjellige temperaturer vist i figuren. Novel Crystal Technology Inc. har med suksess epitaksielt produsert 10 × 15 mm2 β-Ga2O3MBE wafere. De gir høykvalitets (010) orienterte β-Ga2O3 enkeltkrystallsubstrater med en tykkelse på 500 μm og XRD FWHM under 150 buesekunder. Substratet er Sn-dopet eller Fe-dopet. Det Sn-dopete ledende substratet har en dopingkonsentrasjon på 1E18 til 9E18cm−3, mens det jerndopede halvisolerende substratet har en resistivitet høyere enn 10E10 Ω cm.
2.2 MOCVD-metoden
MOCVD bruker organiske metallforbindelser som forløpermaterialer for å dyrke tynne filmer, og dermed oppnå storskala kommersiell produksjon. Ved dyrking av Ga2O3 ved bruk av MOCVD-metoden brukes vanligvis trimetylgallium (TMGa), trietylgallium (TEGa) og Ga (dipentylglykolformiat) som Ga-kilde, mens H2O, O2 eller N2O brukes som oksygenkilde. Vekst med denne metoden krever generelt høye temperaturer (>800°C). Denne teknologien har potensial til å oppnå lav bærerkonsentrasjon og høy- og lavtemperaturelektronmobilitet, så den er av stor betydning for realiseringen av høyytelses β-Ga2O3-kraftenheter. Sammenlignet med MBE-vekstmetoden har MOCVD fordelen av å oppnå svært høye veksthastigheter av β-Ga2O3-filmer på grunn av egenskapene til høytemperaturvekst og kjemiske reaksjoner.
Figur 7 β-Ga2O3 (010) AFM-bilde
Figur 8 β-Ga2O3 Forholdet mellom μog arkmotstand målt ved Hall og temperatur
2.3 HVPE-metoden
HVPE er en moden epitaksial teknologi og har blitt mye brukt i epitaksial vekst av III-V sammensatte halvledere. HVPE er kjent for sine lave produksjonskostnader, raske veksthastighet og høye filmtykkelse. Det skal bemerkes at HVPEβ-Ga2O3 vanligvis viser grov overflatemorfologi og høy tetthet av overflatedefekter og groper. Derfor kreves kjemiske og mekaniske poleringsprosesser før produksjon av enheten. HVPE-teknologi for β-Ga2O3-epitaksi bruker vanligvis gassformig GaCl og O2 som forløpere for å fremme høytemperaturreaksjonen til (001) β-Ga2O3-matrisen. Figur 9 viser overflatetilstanden og veksthastigheten til epitaksialfilmen som funksjon av temperatur. I de siste årene har Japans Novel Crystal Technology Inc. oppnådd betydelig kommersiell suksess innen HVPE-homoepitaksial β-Ga2O3, med epitaksiale lagtykkelser på 5 til 10 μm og waferstørrelser på 2 og 4 tommer. I tillegg har 20 μm tykke HVPE β-Ga2O3 homeepitaksiale wafere produsert av China Electronics Technology Group Corporation også gått inn i kommersialiseringsstadiet.
Figur 9 HVPE-metode β-Ga2O3
2.4 PLD metode
PLD-teknologi brukes hovedsakelig til å avsette komplekse oksidfilmer og heterostrukturer. Under PLD-vekstprosessen kobles fotonenergi til målmaterialet gjennom elektronemisjonsprosessen. I motsetning til MBE, dannes PLD-kildepartikler ved laserstråling med ekstremt høy energi (>100 eV) og avsettes deretter på et oppvarmet underlag. Men under ablasjonsprosessen vil noen høyenergipartikler direkte påvirke materialoverflaten, skape punktdefekter og dermed redusere kvaliteten på filmen. I likhet med MBE-metoden kan RHEED brukes til å overvåke overflatestrukturen og morfologien til materialet i sanntid under PLD β-Ga2O3-avsetningsprosessen, slik at forskere kan få nøyaktig vekstinformasjon. PLD-metoden forventes å vokse svært ledende β-Ga2O3-filmer, noe som gjør den til en optimalisert ohmsk kontaktløsning i Ga2O3-kraftenheter.
Figur 10 AFM-bilde av Si-dopet Ga2O3
2.5 MIST-CVD metode
MIST-CVD er en relativt enkel og kostnadseffektiv tynnfilmvekstteknologi. Denne CVD-metoden involverer reaksjonen med å spraye en forstøvet forløper på et substrat for å oppnå tynnfilmavsetning. Men så langt mangler Ga2O3 dyrket ved bruk av tåke CVD fortsatt gode elektriske egenskaper, noe som gir mye rom for forbedring og optimalisering i fremtiden.
Innleggstid: 30. mai 2024