2. Epitaksjalny wzrost cienkiej warstwy
Podłoże zapewnia fizyczną warstwę nośną lub warstwę przewodzącą dla urządzeń zasilających Ga2O3. Kolejną ważną warstwą jest warstwa kanałowa, czyli warstwa epitaksjalna, służąca do rezystancji napięciowej i transportu nośników. Aby zwiększyć napięcie przebicia i zminimalizować rezystancję przewodzenia, konieczne jest kontrolowanie grubości i stężenia domieszkowania, a także optymalna jakość materiału. Wysokiej jakości warstwy epitaksjalne Ga2O3 są zazwyczaj osadzane przy użyciu epitaksji z wiązek molekularnych (MBE), chemicznego osadzania z fazy gazowej metali organicznych (MOCVD), osadzania z fazy gazowej halogenków (HVPE), pulsacyjnego osadzania laserowego (PLD) i technik osadzania mgłowego CVD.
Tabela 2 Niektóre reprezentatywne technologie epitaksjalne
Metoda 2.1 MBE
Technologia MBE znana jest ze swojej zdolności do wytwarzania wysokiej jakości, pozbawionych defektów folii β-Ga2O3 z kontrolowanym domieszkowaniem typu n, dzięki środowisku o ultrawysokiej próżni i wysokiej czystości materiału. W rezultacie stała się jedną z najczęściej badanych i potencjalnie skomercjalizowanych technologii osadzania cienkowarstwowego β-Ga2O3. Ponadto metodą MBE z powodzeniem wytworzono również wysokiej jakości cienką warstwę heterostruktury β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 o niskim domieszkowaniu. MBE może monitorować strukturę i morfologię powierzchni w czasie rzeczywistym z precyzją warstwy atomowej, wykorzystując odbiciową dyfrakcję elektronów o wysokiej energii (RHEED). Jednakże folie β-Ga2O3 hodowane przy użyciu technologii MBE wciąż stoją przed wieloma wyzwaniami, takimi jak niska stopa wzrostu i mały rozmiar folii. Badanie wykazało, że tempo wzrostu było rzędu (010)>(001)>(−201)>(100). W warunkach lekko bogatych w Ga od 650 do 750°C, β-Ga2O3 (010) wykazuje optymalny wzrost przy gładkiej powierzchni i dużej szybkości wzrostu. Stosując tę metodę, udało się uzyskać epitaksję β-Ga2O3 przy chropowatości RMS wynoszącej 0,1 nm. β-Ga2O3 W środowisku bogatym w Ga, na rysunku przedstawiono folie MBE hodowane w różnych temperaturach. Firma Novel Crystal Technology Inc. z sukcesem wyprodukowała epitaksjalnie płytki β-Ga2O3MBE o wymiarach 10 × 15 mm2. Zapewniają wysokiej jakości (010) zorientowane monokrystaliczne podłoża β-Ga2O3 o grubości 500 μm i XRD FWHM poniżej 150 sekund łukowych. Podłoże jest domieszkowane Sn lub Fe. Podłoże przewodzące domieszkowane Sn ma stężenie domieszkowania od 1E18 do 9E18cm-3, podczas gdy podłoże półizolacyjne domieszkowane żelazem ma rezystywność wyższą niż 10E10 Ω cm.
2.2 Metoda MOCVD
MOCVD wykorzystuje związki metaloorganiczne jako materiały prekursorowe do hodowli cienkich warstw, umożliwiając w ten sposób produkcję komercyjną na dużą skalę. Podczas uprawy Ga2O3 metodą MOCVD jako źródła Ga zwykle stosuje się trimetylogal (TMGa), trietylogal (TEGa) i Ga (mrówczan glikolu dipentylowego), natomiast jako źródło tlenu stosuje się H2O, O2 lub N2O. Hodowla tą metodą zazwyczaj wymaga wysokich temperatur (>800°C). Technologia ta ma potencjał osiągnięcia niskiego stężenia nośników oraz mobilności elektronów w wysokich i niskich temperaturach, dlatego ma ogromne znaczenie w realizacji wysokowydajnych urządzeń zasilających β-Ga2O3. W porównaniu z metodą wzrostu MBE, MOCVD ma tę zaletę, że pozwala na osiągnięcie bardzo wysokich szybkości wzrostu filmów β-Ga2O3 ze względu na charakterystykę wzrostu w wysokiej temperaturze i reakcje chemiczne.
Ryc. 7 Obraz β-Ga2O3 (010) AFM
Rysunek 8 β-Ga2O3 Zależność pomiędzy μ a rezystancją arkusza mierzoną metodą Halla i temperaturą
2.3 Metoda HVPE
HVPE to dojrzała technologia epitaksjalna, szeroko stosowana w epitaksjalnym wzroście półprzewodników złożonych III-V. HVPE jest znane z niskich kosztów produkcji, szybkiego tempa wzrostu i dużej grubości folii. Należy zauważyć, że HVPEβ-Ga2O3 zwykle wykazuje szorstką morfologię powierzchni oraz dużą gęstość defektów powierzchniowych i wżerów. Dlatego przed wyprodukowaniem urządzenia wymagane są procesy polerowania chemicznego i mechanicznego. Technologia HVPE do epitaksji β-Ga2O3 zwykle wykorzystuje gazowy GaCl i O2 jako prekursory w celu wspomagania wysokotemperaturowej reakcji matrycy (001) β-Ga2O3. Figura 9 przedstawia stan powierzchni i szybkość wzrostu warstwy epitaksjalnej w funkcji temperatury. W ostatnich latach japońska firma Novel Crystal Technology Inc. odniosła znaczący sukces komercyjny w zakresie homoepitaksjalnego β-Ga2O3 z HVPE, z warstwą epitaksjalną o grubości od 5 do 10 μm i wielkością płytek od 2 do 4 cali. Ponadto w fazę komercjalizacji weszły również płytki homoepitaksjalne HVPE β-Ga2O3 o grubości 20 μm produkowane przez China Electronics Technology Group Corporation.
Rysunek 9 Metoda HVPE β-Ga2O3
2.4 Metoda PLD
Technologię PLD stosuje się głównie do osadzania złożonych warstw tlenkowych i heterostruktur. Podczas procesu wzrostu PLD energia fotonów jest sprzęgana z materiałem docelowym w procesie emisji elektronów. W przeciwieństwie do MBE, cząstki źródłowe PLD powstają w wyniku promieniowania laserowego o niezwykle dużej energii (>100 eV), a następnie osadzają się na podgrzanym podłożu. Jednak podczas procesu ablacji niektóre cząstki o wysokiej energii będą bezpośrednio uderzać w powierzchnię materiału, tworząc defekty punktowe, a tym samym obniżając jakość folii. Podobnie jak metodę MBE, RHEED można stosować do monitorowania struktury powierzchni i morfologii materiału w czasie rzeczywistym podczas procesu osadzania PLD β-Ga2O3, umożliwiając badaczom dokładne uzyskanie informacji o wzroście. Oczekuje się, że metoda PLD umożliwi wytwarzanie wysoce przewodzących folii β-Ga2O3, co czyni ją zoptymalizowanym rozwiązaniem w zakresie styków omowych w urządzeniach zasilających Ga2O3.
Rysunek 10 Obraz AFM Ga2O3 domieszkowanego Si
2.5 Metoda MIST-CVD
MIST-CVD to stosunkowo prosta i opłacalna technologia wzrostu cienkowarstwowego. Ta metoda CVD obejmuje reakcję natryskiwania zatomizowanego prekursora na podłoże w celu uzyskania osadzania cienkiej warstwy. Jednak jak dotąd Ga2O3 hodowany przy użyciu mgły CVD nadal nie ma dobrych właściwości elektrycznych, co pozostawia wiele miejsca na ulepszenia i optymalizację w przyszłości.
Czas publikacji: 30 maja 2024 r