3. Epitaxný rast tenkého filmu
Substrát poskytuje fyzickú nosnú vrstvu alebo vodivú vrstvu pre napájacie zariadenia Ga2O3. Ďalšou dôležitou vrstvou je kanálová vrstva alebo epitaxná vrstva používaná na napäťovú odolnosť a transport nosiča. Aby sa zvýšilo prierazné napätie a minimalizoval odpor vedenia, je nevyhnutným predpokladom regulovateľná hrúbka a koncentrácia dopingu, ako aj optimálna kvalita materiálu. Vysokokvalitné epitaxné vrstvy Ga2O3 sa zvyčajne ukladajú pomocou epitaxie molekulárnym lúčom (MBE), organickej chemickej depozície z pár kovov (MOCVD), nanášania z plynnej fázy halogenidov (HVPE), pulznej laserovej depozície (PLD) a depozície na báze hmly CVD.
Tabuľka 2 Niektoré reprezentatívne epitaxné technológie
3.1 metóda MBE
Technológia MBE je známa svojou schopnosťou pestovať vysokokvalitné, bezchybné β-Ga2O3 filmy s kontrolovateľným dopingom typu n vďaka prostrediu s ultravysokým vákuom a vysokou čistotou materiálu. V dôsledku toho sa stala jednou z najviac študovaných a potenciálne komercializovaných technológií nanášania tenkých vrstiev β-Ga2O3. Metódou MBE sa navyše úspešne pripravila aj kvalitná, nízko dotovaná heteroštruktúrna vrstva tenkého filmu β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3. MBE dokáže monitorovať povrchovú štruktúru a morfológiu v reálnom čase s presnosťou atómovej vrstvy pomocou reflexnej vysokoenergetickej elektrónovej difrakcie (RHEED). Filmy β-Ga2O3 pestované pomocou technológie MBE však stále čelia mnohým výzvam, ako je nízka rýchlosť rastu a malá veľkosť filmu. Štúdia zistila, že rýchlosť rastu bola rádovo (010)>(001)>(−201)>(100). V podmienkach mierne bohatých na Ga 650 až 750 °C vykazuje β-Ga2O3 (010) optimálny rast s hladkým povrchom a vysokou rýchlosťou rastu. Pomocou tejto metódy bola úspešne dosiahnutá epitaxia β-Ga2O3 s RMS drsnosťou 0,1 nm. β-Ga2O3 V prostredí bohatom na Ga sú na obrázku znázornené filmy MBE pestované pri rôznych teplotách. Spoločnosť Novel Crystal Technology Inc. úspešne epitaxne vyrobila doštičky 10 × 15 mm2 β-Ga2O3MBE. Poskytujú vysoko kvalitné (010) orientované monokryštálové substráty β-Ga2O3 s hrúbkou 500 μm a XRD FWHM pod 150 oblúkových sekúnd. Substrát je dopovaný Sn alebo Fe. Vodivý substrát dopovaný Sn má koncentráciu dopingu 1E18 až 9E18cm-3, zatiaľ čo poloizolačný substrát dopovaný železom má merný odpor vyšší ako 10E10 Ω cm.
3.2 Metóda MOCVD
MOCVD využíva organické zlúčeniny kovov ako prekurzorové materiály na pestovanie tenkých vrstiev, čím sa dosahuje komerčná výroba vo veľkom meradle. Pri pestovaní Ga2O3 metódou MOCVD sa ako zdroj Ga zvyčajne používa trimetylgálium (TMGa), trietylgálium (TEGa) a Ga (dipentylglykolformiát), zatiaľ čo ako zdroj kyslíka sa používa H2O, O2 alebo N2O. Rast pomocou tejto metódy vo všeobecnosti vyžaduje vysoké teploty (>800 °C). Táto technológia má potenciál dosiahnuť nízku koncentráciu nosiča a mobilitu elektrónov pri vysokých a nízkych teplotách, takže má veľký význam pre realizáciu vysokovýkonných napájacích zariadení β-Ga2O3. V porovnaní s rastovou metódou MBE má MOCVD tú výhodu, že dosahuje veľmi vysoké rýchlosti rastu β-Ga2O3 filmov v dôsledku charakteristík rastu pri vysokej teplote a chemických reakcií.
Obrázok 7 β-Ga203 (010) AFM snímka
Obrázok 8 β-Ga2O3 Vzťah medzi μ a plošným odporom meraným Hallom a teplotou
3.3 Metóda HVPE
HVPE je vyspelá epitaxná technológia a široko sa používa pri epitaxnom raste polovodičov zlúčenín III-V. HVPE je známy svojimi nízkymi výrobnými nákladmi, rýchlou rýchlosťou rastu a vysokou hrúbkou filmu. Je potrebné poznamenať, že HVPEβ-Ga2O3 zvyčajne vykazuje drsnú povrchovú morfológiu a vysokú hustotu povrchových defektov a jamiek. Preto sú pred výrobou zariadenia potrebné chemické a mechanické procesy leštenia. Technológia HVPE na epitaxiu β-Ga2O3 zvyčajne využíva plynný GaCl a O2 ako prekurzory na podporu vysokoteplotnej reakcie matrice (001) β-Ga2O3. Obrázok 9 ukazuje stav povrchu a rýchlosť rastu epitaxného filmu ako funkciu teploty. V posledných rokoch dosiahla japonská spoločnosť Novel Crystal Technology Inc. významný komerčný úspech v HVPE homoepitaxiálnom β-Ga2O3 s hrúbkou epitaxnej vrstvy 5 až 10 μm a veľkosťou plátku 2 a 4 palce. Okrem toho do fázy komercializácie vstúpili aj homoepitaxiálne doštičky HVPE β-Ga2O3 s hrúbkou 20 μm vyrábané spoločnosťou China Electronics Technology Group Corporation.
Obrázok 9 HVPE metóda β-Ga2O3
3.4 Metóda PLD
Technológia PLD sa používa hlavne na nanášanie zložitých oxidových filmov a heteroštruktúr. Počas procesu rastu PLD je fotónová energia spojená s cieľovým materiálom prostredníctvom procesu emisie elektrónov. Na rozdiel od MBE sú častice zdroja PLD tvorené laserovým žiarením s extrémne vysokou energiou (>100 eV) a následne ukladané na vyhrievaný substrát. Počas procesu ablácie však niektoré vysokoenergetické častice priamo narážajú na povrch materiálu, vytvárajú bodové defekty a tým znižujú kvalitu filmu. Podobne ako pri metóde MBE, RHEED možno použiť na monitorovanie povrchovej štruktúry a morfológie materiálu v reálnom čase počas procesu ukladania PLD β-Ga2O3, čo umožňuje výskumníkom presne získať informácie o raste. Od metódy PLD sa očakáva rast vysoko vodivých fólií β-Ga2O3, čo z nej robí optimalizované riešenie ohmických kontaktov v napájacích zariadeniach Ga2O3.
Obrázok 10 AFM snímka Ga2O3 dopovaného Si
3.5 Metóda MIST-CVD
MIST-CVD je relatívne jednoduchá a nákladovo efektívna technológia rastu tenkých vrstiev. Táto metóda CVD zahŕňa reakciu rozprašovania atomizovaného prekurzora na substrát, aby sa dosiahlo nanášanie tenkého filmu. Zatiaľ však Ga2O3 pestovaný pomocou hmlového CVD stále nemá dobré elektrické vlastnosti, čo ponecháva veľa priestoru na zlepšenie a optimalizáciu v budúcnosti.
Čas odoslania: 30. mája 2024