2. Рост эпитаксиальных тонких пленок
Подложка обеспечивает физический опорный слой или проводящий слой для силовых устройств Ga2O3. Следующим важным слоем является канальный слой или эпитаксиальный слой, используемый для сопротивления напряжению и транспортировки несущей. Для увеличения напряжения пробоя и минимизации сопротивления проводимости необходимы контролируемая толщина и концентрация легирующих примесей, а также оптимальное качество материала. Эпитаксиальные слои Ga2O3 высокого качества обычно наносятся с использованием методов молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD), осаждения из паровой фазы галогенидов (HVPE), импульсного лазерного осаждения (PLD) и методов осаждения из туманной CVD.
Таблица 2. Некоторые типичные эпитаксиальные технологии
2.1 Метод МЛЭ
Технология MBE известна своей способностью выращивать высококачественные бездефектные пленки β-Ga2O3 с контролируемым легированием n-типа благодаря среде сверхвысокого вакуума и высокой чистоте материала. В результате она стала одной из наиболее широко изученных и потенциально коммерциализированных технологий осаждения тонких пленок β-Ga2O3. Кроме того, методом МЛЭ также успешно получен высококачественный тонкопленочный слой низколегированной гетероструктуры β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3. MBE может контролировать структуру и морфологию поверхности в режиме реального времени с точностью атомного слоя, используя дифракцию электронов высоких энергий на отражение (RHEED). Однако пленки β-Ga2O3, выращенные с использованием технологии MBE, по-прежнему сталкиваются со многими проблемами, такими как низкая скорость роста и небольшой размер пленки. Исследование показало, что скорость роста была в порядке (010)>(001)>(−201)>(100). В условиях с небольшим содержанием галлия (650–750°C) β-Ga2O3 (010) демонстрирует оптимальный рост с гладкой поверхностью и высокой скоростью роста. С помощью этого метода была успешно достигнута эпитаксия β-Ga2O3 со среднеквадратичной шероховатостью 0,1 нм. β-Ga2O3 В среде с высоким содержанием Ga на рисунке показаны пленки МЛЭ, выращенные при разных температурах. Компания Novel Crystal Technology Inc. успешно эпитаксиально произвела пластины β-Ga2O3MBE размером 10 × 15 мм2. Они обеспечивают высококачественные (010) ориентированные монокристаллические подложки β-Ga2O3 толщиной 500 мкм и XRD FWHM менее 150 угловых секунд. Подложка легирована Sn или Fe. Проводящая подложка, легированная оловом, имеет концентрацию легирования от 1E18 до 9E18см-3, тогда как полуизолирующая подложка, легированная железом, имеет удельное сопротивление выше 10E10 Ом·см.
2.2 Метод MOCVD
MOCVD использует органические соединения металлов в качестве исходных материалов для выращивания тонких пленок, тем самым обеспечивая крупномасштабное коммерческое производство. При выращивании Ga2O3 методом MOCVD в качестве источника Ga обычно используют триметилгаллий (TMGa), триэтилгаллий (TEGa) и Ga (формиат дипентилгликоля), а в качестве источника кислорода - H2O, O2 или N2O. Для выращивания этим методом обычно требуются высокие температуры (>800°C). Эта технология имеет потенциал для достижения низкой концентрации носителей и подвижности электронов при высоких и низких температурах, поэтому она имеет большое значение для реализации высокопроизводительных силовых устройств β-Ga2O3. По сравнению с методом выращивания MBE, MOCVD имеет преимущество в достижении очень высоких скоростей роста пленок β-Ga2O3 благодаря особенностям высокотемпературного роста и химических реакций.
Рис. 7. АСМ-изображение β-Ga2O3 (010).
Рис. 8. β-Ga2O3. Зависимость между μ и сопротивлением листа, измеренным Холлом, и температурой.
2.3 Метод HVPE
HVPE — это зрелая эпитаксиальная технология, которая широко используется при эпитаксиальном выращивании полупроводников соединений III-V. HVPE известен своей низкой себестоимостью, быстрой скоростью роста и высокой толщиной пленки. Следует отметить, что HVPEβ-Ga2O3 обычно имеет шероховатую морфологию поверхности и высокую плотность поверхностных дефектов и ямок. Поэтому перед изготовлением устройства необходимы процессы химической и механической полировки. В технологии HVPE для эпитаксии β-Ga2O3 обычно используются газообразные GaCl и O2 в качестве прекурсоров для содействия высокотемпературной реакции матрицы (001) β-Ga2O3. На рис. 9 показано состояние поверхности и скорость роста эпитаксиальной пленки в зависимости от температуры. В последние годы японская компания Novel Crystal Technology Inc. добилась значительного коммерческого успеха в производстве гомоэпитаксиального HVPE β-Ga2O3 с толщиной эпитаксиального слоя от 5 до 10 мкм и размерами пластин 2 и 4 дюйма. Кроме того, в стадию коммерциализации вступили гомоэпитаксиальные пластины HVPE β-Ga2O3 толщиной 20 мкм, производимые China Electronics Technology Group Corporation.
Рисунок 9. Метод HVPE β-Ga2O3.
2.4 Метод PLD
Технология PLD в основном используется для нанесения сложных оксидных пленок и гетероструктур. В процессе роста PLD энергия фотонов передается материалу мишени посредством процесса эмиссии электронов. В отличие от МЛЭ, частицы источника ПЛД формируются лазерным излучением чрезвычайно высокой энергии (>100 эВ) и впоследствии осаждаются на нагретую подложку. Однако в процессе абляции некоторые частицы высокой энергии будут напрямую воздействовать на поверхность материала, создавая точечные дефекты и тем самым снижая качество пленки. Подобно методу MBE, RHEED можно использовать для мониторинга структуры поверхности и морфологии материала в режиме реального времени во время процесса осаждения PLD β-Ga2O3, что позволяет исследователям точно получать информацию о росте. Ожидается, что метод PLD позволит выращивать пленки β-Ga2O3 с высокой проводимостью, что делает его оптимизированным решением для омических контактов в силовых устройствах Ga2O3.
Рис. 10. АСМ-изображение легированного Si Ga2O3.
2.5 Метод MIST-CVD
MIST-CVD — относительно простая и экономичная технология выращивания тонких пленок. Этот метод CVD включает реакцию распыления распыленного предшественника на подложку для достижения осаждения тонкой пленки. Однако до сих пор Ga2O3, выращенный с использованием туманного CVD, все еще не обладает хорошими электрическими свойствами, что оставляет много возможностей для улучшения и оптимизации в будущем.
Время публикации: 30 мая 2024 г.