2. Епітаксіальне нарощування тонких плівок
Підкладка забезпечує фізичний опорний шар або провідний шар для силових пристроїв Ga2O3. Наступним важливим шаром є канальний або епітаксіальний шар, який використовується для опору напрузі та транспортування носіїв. Щоб підвищити напругу пробою та мінімізувати опір провідності, контрольована товщина та концентрація легування, а також оптимальна якість матеріалу є деякими передумовами. Високоякісні епітаксійні шари Ga2O3 зазвичай осаджують за допомогою молекулярно-променевої епітаксії (MBE), металоорганічного хімічного осадження з парової фази (MOCVD), галоїдного осадження з парової фази (HVPE), імпульсного лазерного осадження (PLD) і методів осадження на основі туманної CVD.
Таблиця 2 Деякі типові епітаксійні технології
2.1 Метод MBE
Технологія MBE відома своєю здатністю вирощувати високоякісні бездефектні плівки β-Ga2O3 з контрольованим легуванням n-типу завдяки надвисокому вакууму та високій чистоті матеріалу. У результаті вона стала однією з найбільш широко вивчених і потенційно комерціалізованих технологій осадження тонкої плівки β-Ga2O3. Крім того, метод MBE також успішно підготував високоякісну тонкоплівкову гетероструктуру β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 з низьким вмістом легованих шарів. MBE може контролювати структуру та морфологію поверхні в режимі реального часу з точністю атомного шару за допомогою дифракції електронів високої енергії на відбиття (RHEED). Проте плівки β-Ga2O3, вирощені за технологією MBE, все ще стикаються з багатьма проблемами, такими як низька швидкість росту та малий розмір плівки. Дослідження показало, що швидкість зростання була в порядку (010)>(001)>(−201)>(100). В умовах невеликого вмісту Ga від 650 до 750°C β-Ga2O3 (010) демонструє оптимальний ріст із гладкою поверхнею та високою швидкістю росту. Використовуючи цей метод, було успішно досягнуто епітаксії β-Ga2O3 із середньоквадратичною шорсткістю 0,1 нм. β-Ga2O3 У багатому Ga середовищі плівки MBE, вирощені при різних температурах, показані на малюнку. Компанія Novel Crystal Technology Inc. успішно епітаксіально виготовила пластини β-Ga2O3MBE розміром 10 × 15 мм2. Вони забезпечують високоякісні (010) орієнтовані монокристалічні підкладки β-Ga2O3 товщиною 500 мкм і XRD FWHM нижче 150 кутових секунд. Підкладка легована Sn або Fe. Провідна підкладка, легована Sn, має концентрацію легування від 1E18 до 9E18 см−3, тоді як напівізоляційна підкладка, легована залізом, має питомий опір вище 10E10 Ом см.
2.2 Метод MOCVD
MOCVD використовує металоорганічні сполуки як вихідні матеріали для вирощування тонких плівок, таким чином досягаючи великомасштабного комерційного виробництва. При вирощуванні Ga2O3 методом MOCVD як джерело Ga зазвичай використовують триметилгалій (TMGa), триетилгалій (TEGa) і Ga (дипентилглікольформіат), а як джерело кисню H2O, O2 або N2O. Вирощування за допомогою цього методу зазвичай потребує високих температур (>800°C). Ця технологія має потенціал для досягнення низької концентрації носіїв і мобільності електронів при високих і низьких температурах, тому вона має велике значення для реалізації високопродуктивних пристроїв живлення β-Ga2O3. Порівняно з методом MBE, MOCVD має перевагу в досягненні дуже високої швидкості росту плівок β-Ga2O3 завдяки характеристикам високотемпературного росту та хімічних реакцій.
Рисунок 7 β-Ga2O3 (010) АСМ зображення
Рисунок 8 β-Ga2O3 Взаємозв’язок між μ та опором пластини, виміряним Холлом і температурою
2.3 Метод HVPE
HVPE — це зріла епітаксіальна технологія, яка широко використовується для епітаксійного вирощування напівпровідників III-V. HVPE відомий своєю низькою вартістю виробництва, швидким темпом зростання та високою товщиною плівки. Слід зазначити, що HVPEβ-Ga2O3 зазвичай демонструє шорстку морфологію поверхні та високу щільність поверхневих дефектів і ямок. Тому перед виготовленням пристрою необхідні процеси хімічного та механічного полірування. Технологія HVPE для епітаксії β-Ga2O3 зазвичай використовує газоподібні GaCl і O2 як прекурсори для сприяння високотемпературній реакції (001) β-Ga2O3 матриці. На рисунку 9 показано стан поверхні та швидкість росту епітаксійної плівки як функцію температури. Останніми роками японська компанія Novel Crystal Technology Inc. досягла значного комерційного успіху в гомоепітаксіальному β-Ga2O3 HVPE з товщиною епітаксійного шару від 5 до 10 мкм і розміром пластини 2 і 4 дюйми. Крім того, гомоепітаксіальні пластини HVPE β-Ga2O3 товщиною 20 мкм виробництва China Electronics Technology Group Corporation також вийшли на стадію комерціалізації.
Рисунок 9 Метод HVPE β-Ga2O3
2.4 Метод PLD
Технологія PLD в основному використовується для осадження складних оксидних плівок і гетероструктур. Під час процесу росту PLD енергія фотонів поєднується з матеріалом мішені через процес емісії електронів. На відміну від MBE, частинки джерела PLD утворюються лазерним випромінюванням з надзвичайно високою енергією (>100 еВ) і згодом осаджуються на нагріту підкладку. Однак під час процесу абляції деякі високоенергетичні частинки будуть безпосередньо впливати на поверхню матеріалу, створюючи точкові дефекти і таким чином знижуючи якість плівки. Подібно до методу MBE, RHEED можна використовувати для моніторингу структури поверхні та морфології матеріалу в режимі реального часу під час процесу осадження PLD β-Ga2O3, що дозволяє дослідникам точно отримувати інформацію про зростання. Очікується, що метод PLD дозволить виростити високопровідні плівки β-Ga2O3, що зробить його оптимізованим омічним контактним рішенням у силових пристроях Ga2O3.
Рисунок 10 АСМ-зображення легованого Si Ga2O3
2.5 Метод MIST-CVD
MIST-CVD є відносно простою та економічно ефективною технологією росту тонких плівок. Цей метод CVD передбачає реакцію розпилення розпиленого прекурсора на підкладку для осадження тонкої плівки. Однак поки що Ga2O3, вирощений за допомогою туманної CVD, все ще не має хороших електричних властивостей, що залишає багато можливостей для вдосконалення та оптимізації в майбутньому.
Час публікації: 30 травня 2024 р