3. Epitaxiell tunnfilmstillväxt
Substratet tillhandahåller ett fysiskt stödskikt eller ledande skikt för Ga2O3-kraftenheter. Nästa viktiga skikt är kanalskiktet eller epitaxialskiktet som används för spänningsmotstånd och bärartransport. För att öka genomslagsspänningen och minimera ledningsmotståndet är kontrollerbar tjocklek och dopningskoncentration samt optimal materialkvalitet några förutsättningar. Högkvalitativa Ga2O3-epitaxialskikt deponeras vanligtvis med hjälp av molekylär strålepitaxi (MBE), metallorganisk kemisk ångavsättning (MOCVD), halogenidångavsättning (HVPE), pulsad laseravsättning (PLD) och dimma CVD-baserade avsättningstekniker.
Tabell 2 Några representativa epitaxialteknologier
3.1 MBE-metod
MBE-teknologin är känd för sin förmåga att odla högkvalitativa, defektfria β-Ga2O3-filmer med kontrollerbar doping av n-typ på grund av dess ultrahöga vakuummiljö och höga materialrenhet. Som ett resultat har det blivit en av de mest studerade och potentiellt kommersialiserade β-Ga2O3 tunnfilmsavsättningsteknikerna. Dessutom framställde MBE-metoden också framgångsrikt ett högkvalitativt, lågdopat heterostruktur β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 tunt filmskikt. MBE kan övervaka ytstruktur och morfologi i realtid med atomlagerprecision genom att använda reflekterande högenergielektrondiffraktion (RHEED). Men β-Ga2O3-filmer odlade med MBE-teknik står fortfarande inför många utmaningar, såsom låg tillväxthastighet och liten filmstorlek. Studien fann att tillväxthastigheten var i storleksordningen (010)>(001)>(−201)>(100). Under något Ga-rika förhållanden på 650 till 750°C, uppvisar β-Ga2O3 (010) optimal tillväxt med en slät yta och hög tillväxthastighet. Med denna metod uppnåddes β-Ga2O3 epitaxi framgångsrikt med en RMS-råhet på 0,1 nm. β-Ga2O3 I en Ga-rik miljö visas MBE-filmer odlade vid olika temperaturer i figuren. Novel Crystal Technology Inc. har framgångsrikt epitaxiellt producerat 10 × 15 mm2 β-Ga2O3MBE wafers. De tillhandahåller högkvalitativa (010) orienterade β-Ga2O3 enkristallsubstrat med en tjocklek på 500 μm och XRD FWHM under 150 bågsekunder. Substratet är Sn-dopat eller Fe-dopat. Det Sn-dopade ledande substratet har en dopningskoncentration på 1E18 till 9E18cm−3, medan det järndopade halvisolerande substratet har en resistivitet högre än 10E10 Ω cm.
3.2 MOCVD-metod
MOCVD använder organiska metallföreningar som prekursormaterial för att odla tunna filmer och därigenom uppnå storskalig kommersiell produktion. Vid odling av Ga2O3 med MOCVD-metoden används vanligtvis trimetylgallium (TMGa), trietylgallium (TEGa) och Ga (dipentylglykolformiat) som Ga-källa, medan H2O, O2 eller N2O används som syrekälla. Tillväxt med denna metod kräver i allmänhet höga temperaturer (>800°C). Denna teknologi har potential att uppnå låg bärarkoncentration och hög- och lågtemperaturelektronmobilitet, så den är av stor betydelse för realiseringen av högpresterande β-Ga2O3-kraftenheter. Jämfört med MBE-tillväxtmetoden har MOCVD fördelen att uppnå mycket höga tillväxthastigheter av β-Ga2O3-filmer på grund av egenskaperna hos högtemperaturtillväxt och kemiska reaktioner.
Figur 7 β-Ga2O3 (010) AFM-bild
Figur 8 β-Ga2O3 Förhållandet mellan μ och arkresistans mätt med Hall och temperatur
3.3 HVPE-metod
HVPE är en mogen epitaxiell teknologi och har använts i stor utsträckning vid epitaxiell tillväxt av III-V sammansatta halvledare. HVPE är känt för sin låga produktionskostnad, snabba tillväxthastighet och höga filmtjocklek. Det bör noteras att HVPEβ-Ga2O3 vanligtvis uppvisar grov ytmorfologi och hög densitet av ytdefekter och gropar. Därför krävs kemiska och mekaniska poleringsprocesser innan enheten tillverkas. HVPE-teknik för β-Ga2O3-epitaxi använder vanligtvis gasformig GaCl och O2 som prekursorer för att främja högtemperaturreaktionen av (001) β-Ga2O3-matrisen. Figur 9 visar yttillståndet och tillväxthastigheten för den epitaxiella filmen som en funktion av temperaturen. Under de senaste åren har Japans Novel Crystal Technology Inc. uppnått betydande kommersiell framgång inom HVPE-homepitaxial β-Ga2O3, med epitaxiella lagertjocklekar på 5 till 10 μm och waferstorlekar på 2 och 4 tum. Dessutom har 20 μm tjocka HVPE β-Ga2O3 homeepitaxialskivor producerade av China Electronics Technology Group Corporation också gått in i kommersialiseringsstadiet.
Figur 9 HVPE-metod β-Ga2O3
3.4 PLD-metod
PLD-teknik används främst för att deponera komplexa oxidfilmer och heterostrukturer. Under PLD-tillväxtprocessen kopplas fotonenergi till målmaterialet genom elektronemissionsprocessen. Till skillnad från MBE bildas PLD-källpartiklar av laserstrålning med extremt hög energi (>100 eV) och avsätts därefter på ett uppvärmt substrat. Men under ablationsprocessen kommer vissa högenergipartiklar direkt att påverka materialytan, skapa punktdefekter och därmed minska filmens kvalitet. I likhet med MBE-metoden kan RHEED användas för att övervaka materialets ytstruktur och morfologi i realtid under PLD β-Ga2O3-deponeringsprocessen, vilket gör att forskare kan få exakt tillväxtinformation. PLD-metoden förväntas odla högledande β-Ga2O3-filmer, vilket gör den till en optimerad ohmsk kontaktlösning i Ga2O3-kraftenheter.
Figur 10 AFM-bild av Si-dopad Ga2O3
3.5 MIST-CVD-metod
MIST-CVD är en relativt enkel och kostnadseffektiv tunnfilmstillväxtteknologi. Denna CVD-metod involverar reaktionen att spruta en finfördelad prekursor på ett substrat för att uppnå tunnfilmsavsättning. Men än så länge saknar Ga2O3 odlad med dimma CVD fortfarande goda elektriska egenskaper, vilket lämnar mycket utrymme för förbättringar och optimering i framtiden.
Posttid: 30 maj 2024