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氧化镓:奠定未来成功基础

2020/1/8 15:49:29      材料来源:CSC化合物半导体

快速、高质量生长氧化镓层

为超宽带隙电力电子器件的出现提供支撑

作者:Keith Evans, Gregg Dodson, Jacob Leach, Heather Splawn, Tamara Stephenson; KYMA TECHNOLOGIES

(原文发表于《化合物半导体》杂志2019年第4期)

 

我们有充分理由去关心我们这个星球的未来。由于二氧化碳排放量的增加,全球平均气温毫无疑问在升高,在能源需求增加的情况下这一趋势还会继续下去。

针对这种黯淡的背景,两束希望之光分别是风能及太阳能等可再生能源的增加以及电动汽车的巨大潜力。在这两种情况下,提高电力电子器件的效率是可能的。如果在这方面取得成功,通过提高升压和降压的效率以及交流和直流转换的效率,会有更多的可再生能源被输送到电网中;汽车电池能量转换成驱动车轮能量的效率将会提高。后者是一个主要的增长点——它降低了汽车的行驶成本,提高了它的行驶范围,由此可以带来销量的增加,最终形成更好的规模经济。

如今,大多数现有功率器件都是用硅制造的。这让二极管和晶体管的低成本制造成为可能。然而,硅的固有特性不如那些拥有更大带隙的材料,特别是SiC(碳化硅)和GaN(氮化镓)。这些竞争对手由于拥有更宽的带隙,会有更大的临界场,使得它们能够在所有关键性能指标体系上脱颖而出,例如Baliga指标体系、Baliga高频指标体系、Johnson指标体系和Keye指标体系等。这些更高的指标体系使得SiCGaN器件能够阻断更高电压,在开关电流时更加高效,在开关闭合导通的状态下通过电流的效率也更高。因为这些特点,宽带隙材料在所有电力电子应用中都比硅更加高效节能。

最近,这些设备一路行来。在上个十年末期,几乎所有的SiCGaN电力电子产品的开发都在研发实验室开始。但是数年间这种情况发生了巨大的变化,随着器件达到成熟状态,受到商业牵引,这在SiC器件上尤为明显。

随着性能的大幅度改善,宽带隙半导体器件的销售量正在逐渐增加。例如在电力开关过程中,效率损失可以降低90%,这在混合动力和全电动汽车的再生制动,以及连接风电厂和电网的电力变流器中都有发生。但这并不是这些宽带隙功率器件唯一的重要特性。与硅器件不同的是,它们不需要冷却就能正常工作。此外,它们可以做的更小,以适应工作在较高的开关频率且包含较小无源源元件的电路。结果是更小、更高效的单元需要更少的冷却,而且更加可靠和强健。

 

从宽带隙到超宽带隙


这些宽带隙材料正带领电力电子走上一条并不只限于SiCGaN的发展道路,而是更进一步发展到一类超宽带隙的半导体材料。这些不太为人所知的材料,包括AlNAlGaNGa2O3和金刚石,有望使电子元件的尺寸、重量和效率得到进一步的发展。(如图1,采用SiGaAs4H-SiCGaNβ-Ga2O3AlN和金刚石制作的单极电子器件的性能表征)

1. SiGaAs4H-SiCGaNβ-Ga2O3AlN和金刚石等单极电力电子器件的4种常见性能指标(FOM).Kyma公司正在开发和销售的产品由红色虚线圈出.

Resistive Losses:电阻损耗,Baliga’s DC FOMBaliga直流指标体系;

Switching Losses:开关损耗,Baliga’s high-frequency FOMBaliga高频指标体系;

Frequency & Voltage:频率和电压,Johnson’s FOM:Johnson指标体系;

Power Density & Speed:功率密度和速度,Keye’s FOM:Keye指标体系.

 

在北卡罗来纳州罗利市的Kyma技术公司,我们正在不断拓展开发宽带隙和超宽带隙材料相关的系列技术。我们的努力包括开发晶体生长工艺和制造这些材料的工具。我们常规地生长AlNAlGaNGaNGa2O3和金刚石等薄膜材料;我们也常规地制造GaN器件。

我们目前有开发Ga2O3器件的计划。我们已经掌握了用氢化物气相外延法(HVPE)生长高质量、n掺杂的Ga2O3薄膜,下一个挑战是器件的开发。

如果超宽带隙材料要发挥其潜力,制造中必须要使用大面积衬底,用于在较高生长速度下生产高品质外延片。大面积衬底是成功的先决条件,因为它提高了制造效率并且大幅减少了每个器件的生产成本。正是出于这个原因,硅技术已经从1英寸圆片上的研究发展到最初100mm晶圆上的生产,然后是直径为150mm200mm300mm晶圆上的生产。这并不是极限——现在也有450mm的晶圆片,但尚未广泛使用。在外延方面,制造垂直器件的一个关键要求是在大面积衬底上生长厚的、可控掺杂的n型漂移区。这必须在每单位面积外延层成本最低的条件下完成。由于上述所有原因,当我们开发外延技术时,应当确保它们与大面积衬底材料兼容,并确保较高的纯度和生长速率。

我们的Ga2O3产品包括β-Ga2O3基片、β-Ga2O3同质外延片、蓝宝石衬底上生长的α-Ga2O3外延片以及用于生长这些外延片的工具(如图2所示)。通过我们的垂直集成技术,我们可以控制衬底的最终光洁度,然后再进行外延生长。我们也提供这方面的服务。客户可以提供衬底给我们,甚至可以提供自己生长的外延片给我们抛光。此外,如果需要的话,我们可以提供一个确定角度的斜切服务。

2. Kyma公司氧化镓相关产品和服务

β-Ga2O3衬底      Ga2O3外延片            Ga2O3氢化物气相外延工具 衬底和外延片加                                                                                                                  /回收

直径1英寸             β-Ga2O3同质外延片  Kyma设计                研磨,切割,减薄,衬底表面

 CMP抛光

开盒即用               α-Ga2O3异质外延片 Kyma开发的内部工具    斜切控制

定制方向&可斜切 肖基特二极管           由世界一流的OEM合作     

伙伴开发的市场化工具

MOSFET结构

定制结构

Kyma公司Ga2O3提供的产品和服务

 

3. 采用未充分抛光和充分抛光的方法处理衬底,并分别对衬底和PVPE生长的薄膜测试X射线衍射的弧秒线宽,定义为半峰全宽。

(a)   使用β-Ga2O3(010)抛光衬底的原子力显微镜(1x1)μm图像,以及生长0.5μm厚的β-Ga2O3同质外延层的光学显微镜图像(b) 衬底未充分抛光(c)衬底充分抛光

 

15年来,我们一直使用氢化物气相外延法(HVPE)生长GaNAlNAlGaN材料。早在2015年年末,我们决定改变其中一个GaN氢化物气相外延工具,以便为一个提供衬底的合作伙伴生产β-Ga2O3同质外延片。

从生长GaN到生长Ga2O3的转变其实不利于晶粒的生长。多年来,氧一直是晶粒生长的大敌,但是现在如果我们想要成功的话,它在结晶体中含量必须比镓高。这一转变带来了许多问题。

我们是否需要在我们的设备中增加一个纯净的氧气源,还是清洁干燥的空气就足够了呢?我们的GaN优化工具对于生成GaxO1-x形式的微粒有多脆弱?而且在GaN生长工艺中能够实现的高化学纯度,是否在Ga2O3生长能力要求下也能达到?

幸运的是,我们在解决这些问题时得到了帮助。以往的文献中有很多信息-我们特别感谢日本研究人员难得地分享了他们的发现,公布了他们在Ga2O3方面得到的令人兴奋的结果,包括HVPE技术的应用。这些观点帮助我们建立了生产高质量的β-Ga2O3同质外延薄膜和α-Ga2O3异质外延薄膜的HVPE工艺,其生长速率在2μm/hr~20μm/hr之间。

我们发现,用HVPE法生长β-Ga2O3薄膜时,准备合适的衬底和切角对获得良好的表面形貌和高质量的外延层至关重要。在新制备的β-Ga2O3衬底上很难检测到亚表层的损伤,但在β-Ga2O3氢化物气相外延过程中,亚表层存在的任何缺陷都会带来形貌问题。

从在x射线衍射扫描的线宽中可以看到材料质量的明显下降(见图3中的表格)。这些结果帮助我们改进了抛光工艺,使其能够充分消除亚表层的损伤。由原子力显微镜图像(见图3(a))可以看出,抛光衬底有一个相对平坦的表面,在以HVPE法生长β-Ga2O3薄膜后得到一个更好的表面(比较光学显微镜下的图3(b)(c))

光学显微镜的图像还凸显了表面切割对外延层表面形貌的影响。我们利用这一技术比较了1000℃同一生长条件下两种β-Ga2O3同质外延薄膜的表面形貌。我们使用的这对衬底一致名义晶向(010)的块体,但一个是沿轴切割的,另一个是以的斜角沿优选方向切割的。由拥有nSPEC人工智能的Nanotronics公司提供的快速检测工具采集的图像清楚地表明,以一定斜角切割的衬底会产生更加优越的表面形貌(参见图4)

4. β-Ga2O3薄膜的光学显微镜图像是使用kyma2013年引入的人工智能支持的快速检测工具获得的。这个工具在Kyma重负荷运行,用来测试生产的几乎所有的外晶片或衬底,并详细检查使用前的进料。图中左边为低放大倍率的图像,右边为高倍率的图像,在适当斜角切割的衬底生长的β-Ga2O3同质外延薄膜()的形貌要比沿衬底轴上生长的薄膜()要平滑得多。

:轴上(010)生长的β-Ga2O3

:斜角切割衬底上生长的β-Ga2O3

 

在提出表面斜切优化方法、消除了亚表层损伤和优化了生长化学之后,我们继续生产了一系列具有不同的电子浓度的nβ-Ga2O3同质外延薄膜。霍尔测试结果表明,当电子浓度从1019 cm-3下降到1017 cm-3时,迁移率从(90~120) cm2 V-1 s-1下降到(50~60)cm2 V-1 s-1。生长速率在(2~20)μm/hr范围内是可控的。如图5所示。

 


5.室温迁移率随着块状β-Ga2O3上生长的薄膜中的电子浓度变化。三角形和菱形表示在相同条件下生长的薄膜,除了菱形表示主动掺杂硅薄膜,而三角形代表被动掺杂薄膜。空白三角形和空白菱形代表高结构质量的块状衬底上的生长物-这些外延层显示了{020}面反射小于100弧秒的线宽。

RT Mobility:室温迁移率

RT Electron Concentration:室温电子浓度

 

我们还研究了α-Ga2O3薄膜的生长。与热力学稳定的异构体β-Ga2O3相比,这种多型体处于亚稳态,具有更高的晶体对称性和更宽的带隙,因此是器件应用中一个趣向选择。它的主要缺点是不能在熔体中生长,所以α-Ga2O3薄膜必须生长在非自身衬底上。

考虑到α-Al2O3Al2O3晶体在热力学上更倾向的晶型,并且在α-Al2O3上生长α-Ga2O3是可能的,所以蓝宝石是显而易见的选择。与同质外延β-Ga2O3薄膜的情况一样,表面处理是生长高质量薄膜所必需的。光学显微镜下的图像凸显了这一要求,清楚地展现了在适当抛光和不适当抛光的蓝宝石衬底c-plane上生长α-Ga2O3的形态差异(如图6)。通过优化衬底表面,获得优异的表面形貌是可能的。

 

6. 1μm厚的α-Ga2O3薄膜的显微镜图像:(a)(b)的放大倍率为20倍,(c)(d)的放大倍率为100倍。在经过适当抛光的衬底上生长的薄膜(b)(d),其表面形貌远好于在未适当抛光的衬底上生长的薄膜(a)(c)

 

我们在Ga2O3方面取得了重大的进展。我们现在能够很好地控制衬底制备、生长化学、n型掺杂、表面形貌和背掺杂等方面,这让我们很兴奋。这些能力将为我们进行器件开发奠定基础。我们相信两种类型的氧化镓中,最有潜力得到商业应用的是β-Ga2O3,特别是在高压功率开关中。由于在α-Al2O3上生长β-Ga2O3的方法具有更成熟的衬底供应链的优点,只要我们的客户支持,我们将对这种方法保持积极的态度。我们希望在未来几年内,在把这些技术推向市场的过程中发挥作用。

 

扩展阅读

J.H. Leach et al. APL Mater. 7 022504 (2019)


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