以离子注入研制成长于蓝宝石基板之N型β-Ga2O3 多晶膜及
其器件特性之研究
洪瑞华 教授
蔡欣颖 Aproova Sood 博士生
台湾阳明交通大学电子研究所
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目前半导体业主要使用Si制作各式器件，不过随着工艺技术的进步与器件结构的改进，在器件特性方面以Si所制作之相关器件已达到的材料特性之限制，然而随着科技之发展，无论是通讯5G与6G之需求， 绿能产业之要求或电动车之发展，其所采用之器件无不朝更高速或更高功率之要求，这些器件特性已是Si器件无法达到之特性，因此势必要使用其他半导体材料以满足高速或高功率的器件特性。
近几年电动车与再生能源的快速发展，市场对功率器件的需求与性能要求不断增加，而Si的能隙(Bandgap, Eg)只有1.12 eV，无法承受大电压，目前在高电压、大功率的功率器件以逐渐采用第三代宽能带半导体碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN)所制作之器件，此些材料所制作之器件在功率器件的电压与功率可大幅提升，进而可改善在电动车与再生能源能源应用时之转换效率。
一般在功率器件方面常使用Baliga's Figure-Of-Merits (BFOM)来评断半导体材料的特性，BFOM正比于 εμEc3，随着材料的Eg增加，材料的临界电场(Critical electric field, Ec)亦增加，BFOM则随之大幅增加，而BFOM越大代表材料在功率器件方面的潜力越高。如表(一)所示，SiC与GaN的Eg分别为3.3与3.4 eV，因此在BFOM相较于Si之BFOM分别是340与870，然而，SiC与GaN的原生基板成长条件严峻、价格昂贵，使得所制作之功率器件售价相比于Si金氧半场效晶体管(MOSFET)、Si IGBT昂贵许多。另一方面，第四代宽能带氧化物半导体Ga2O3的成长条件不需要高温高压，成本较低，而且Ga2O3的Eg高达4.8 eV，其BFOM分别为SiC与GaN之4倍与10倍，若制作成功率器件，可以有效提升器件的击穿电压，另一方面此一材料之器件导通电阻理论上相较于Si, GaAs, SiC与GaN之导通电组低，低的器件的导通电阻可降低器件使用时之功率消耗，进而提升转换效率。因此Ga2O3被视为有机会取代SiC与GaN，成为下世代高功率器件的半导体材料，甚至有人提到Ga2O3十年之内有机会取代SiC之应用。
图1 半导体材料特性比较图 |
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Ga2O3总共有五种晶相(Polymorphs)，monoclinic (β-Ga2O3)、rhombohedral (α- Ga2O3)、defective spinel (γ- Ga2O3)、cubic (δ- Ga2O3)、 orthorhombic (ε- Ga2O3)，其中以β-Ga2O3¬ 的稳定性最高，其余四种晶相在高温下皆会相变化成β-Ga2O3。β-Ga2O3的化学稳定性、热稳定性高，且具有高达4.8 eV的能隙，非常适合做为功率器件。 |
 图 2. 各种Ga2O3晶相转换之关系图[1] |
尽管β-Ga2O3有以上诸多优点，然而制作成器件必须有可控制导电性之薄膜方能应用，由于β-Ga2O3的能隙高达4.8 eV，其本征载流子浓度(Intrinsic carrier concentration) 仅有1.79 × 10-23 cm-3 [2]，也因此无掺杂β-Ga2O3的阻值非常高，如同绝缘体一样，不适合用于制作半导体器件。由于材料的特性，目前制备P-type β-Ga2O3非常困难，相较之下N-type β-Ga2O3尚有机会可以达成，根据理论计算Si、Ge与Sn等杂质在β-Ga2O3中的donor level非常接近导带(Conduction band)，其活化能(Activation energy) 分别为30、30、60 meV，为shallow donor levels [3]。由实验证明此些杂质之掺杂物的活化率高，先前已有多个研究团队利用分子束多晶(Molecular beam epitaxy, MBE)在β-Ga2O3基板上成长β-Ga2O3，并以Si[3]、Ge[4]、Sn[5] 掺杂，皆可有效提升β-Ga2O3的电子浓度，降低β-Ga2O3的片电阻值，因此可以用于制作功率器件。
MBE设备需要超高真空，且其沉积速率慢、成本高，不适合用于大量生产，仅适合做为材料早期的研究与验证。金属有机化学气相沉积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD) 的产量高、成本较低、结晶质量佳，适合用于大量生产β-Ga2O3。Zixuan Feng与其团队利用MOCVD机台中通入三乙基镓(Triethylgallium, TEGa)与O2，并使用硅甲烷(Silane, SiH4)做为前驱物(Precursor) 制备in-situ Si doped β-Ga2O3薄膜[6]，且可改变腔体压力来控制Si的掺杂浓度，经由霍尔测量(Hall measurement)，其载子浓度可达1016 cm-3以上，并且在室温下的载子迁移率(Mobility)高达184 cm2/V⸱s。
尽管本研究团队已成功在β-Ga2O3基板上多晶β-Ga2O3薄膜，然目前β-Ga2O3基板仍不普及，仍属高单价之材料，相较之下，与β-Ga2O3晶格常数极为接近之c-plane Sapphire基板，其基板价格极为亲民，更具市场竞争力，本实验室已可在c-plane Sapphire基板上以MOCVD多晶成长高质量的未掺杂(UID) (-2 0 1) β-Ga2O3，经由XRD量测，其(-2 0 1) 之半高宽（Full width at half maximum, FWHM）可低至400 arcsec，代表此β-Ga2O3具有高度的结晶性。
 图 3. (a) β-Ga2O3 on Sapphire之晶圆图 (b) XRD图 |
为了提升UID β-Ga2O3的导电性，我们使用Si离子注入技术(Implantation)，将Si植入β-Ga2O3薄膜中，并使用高温快速热退火(Rapid Thermal Annealing, RTA) 修补受到Si离子撞击所产生的缺陷与活化Si dopant。可以藉由改变Si Implantation的注入剂量与注入之能量改变Si的浓度分布，并可搭配黄光工艺，在特定区域进行掺杂，相较于多晶时加入掺杂，离子注入改变多晶膜之电性在器件制作方面具较大的弹性。
另一方面，肖特基二极管(Schottky barrier diode, SBD) 为一种常见的功率器件，SBD是利用金属与半导体间的Schottky junction达到整流的特性，SBD具有低导通电压、高导通电流、高切换速度等特性。在研究上，SBD可利用I-V、C-V等方式萃取出半导体的载子浓度，亦可利用变温、大电压量测来判断半导体的击穿电压、材料稳定度与质量。因此，本文将以掺杂之SBD评估异质多晶成长于Sapphire之Ga2O3制作成高功率SBD之可行性。
我们使用3种Si Implantation剂量注入β-Ga2O3多晶薄膜，分別是1x1014、6x1014、1x1015 cm-2，再经由高温RTA处理，活化Si dopant。由于Si Implantation需要以高能量Si离子撞击β-Ga2O3表面来植入多晶薄膜中，容易在试片表面产生缺陷，因此我们对这三个经过Si Implantation试片与UID β-Ga2O3进行原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)量测，结果如图四所示。相较于UID β-Ga2O3，经过Si Implantation后Si填补Ga空缺，使得缺陷减少，因此Si Implantation β-Ga2O3 的方均根(Root Mean Square, RMS) 粗糙度下降。随着Implantation剂量的增加，Si 原子形成复合物(Complexes)，因此缺陷聚积造成表面粗糙度增加。
 图 4. (a) UID β-Ga2O3 SBD之AFM图；Si implantation剂量为(b) 1x1014 cm-2 (c) 6x1014 cm-2 (d) 1x1015 cm-2之AFM图 |
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为了更进一步的研究，我们将3种剂量(1x1014、6x1014、1x1015 cm-2) 的Si Implantation β-Ga2O3制作成SBD，并与UID β-Ga2O3 SBD进行比较。 SBD之研制，阳极(Anode)电极使用Ni/Au做为Schottky contact，阴极(Cathode)电极使用Ti/Au/Ti/Al作为Ohmic contact，其器件之剖面结构图与电极图形以扫描式电子显微镜(SEM)观测之影像如图五所示。 |
 图 5. β-Ga2O3 SBD之剖面与上视SEM图 |
β-Ga2O3 SBD制作完毕后，利用Keysight B1505A 功率器件分析仪进行I-V量测分析，结果如图六所示[8]，经由Si Implantation后，SBD的开态电流可以提升108倍，并随着Si Implantation剂量增加，电流大幅增加，代表Si取代Ga提供电子，增加载流子浓度，有效降低β-Ga2O3的阻值与提升器件的性能。对J-V图微分以计算Ron,sp，结果如图七所示，经由Si Implantation的SBD，Ron,sp大幅下降。使用式1对J-V图进行拟合分析(Fitting)以计算出SBD的理想因子(Ideality Factor, η)，η 值越接近1代表器件特性越接近理想公式， UID β-Ga2O3 SBD的η 为8.05，经过Si Implantation的SBD有效降低串联电阻，因此η 值大幅下降，而随着Implantation剂量增加，η从1.37上升至2.08，则是因为掺杂浓度(ND)增加，而发生穿隧效应，使得η值上升。
 图 6. (a) UID β-Ga2O3 SBD之I-V图；Si implantation剂量为(b) 1x1014 cm-2 (c) 6x1014 cm-2 (d) 1x1015 cm-2之I-V图
图 7. UID与Si Implantation β-Ga2O3 SBD之特性表 |
β-Ga2O3 SBD C-V量测结果如图八所示，使用半导体器件物理公式(式2 ~ 7)进行分析，计算出3种剂量(1x1014、6x1014、1x1015 cm-2) Si Implantation β-Ga2O3的载子浓度分别是1.08x1017、4.31x1018、1.07x1019 cm-3，代表Si Implantation技术可以大幅调控β-Ga2O3的载流子浓度与导电性，而UID β-Ga2O3 SBD则因阻值过高，超过机台解析极限。将式3~ 7的计算结果带入式2即可计算出有效肖特基势垒高度(Effective Schottky Barrier Height, ϕBn)，3种剂量(1x1014、6x1014、1x1015 cm-2) Si Implantation β-Ga2O3的ϕBn分別是0.82、0.54、0.32V，随着Implantation剂量增加，Metal Induced Gap States (MIGS)造成fermi level pinning更加严重，使得ϕBn下降，导致反向漏电流增加。
 图 8. (a) UID β-Ga2O3 SBD之C-V图；Si implantation剂量为(b) 1x1014 cm-2 (c) 6x1014 cm-2 (d) 1x1015 cm-2之C-V图 |
β-Ga2O3 SBD作为高压、高功率器件，需要承受高逆偏电压，因此我们对这四种器件进行大电压的Breakdown量测，UID β-Ga2O3 SBD的击穿电压(Breakdown voltage, VBD)高达1030 V，而随着Si Implantation剂量增加，VBD降低，代表在大剂量Implantation后产生大量缺陷，因此在Implantation后需要进一步的处理与分析，以减少缺陷密度，降低SBD的反向漏电流，提升VBD。
功率器件需要在大电流下操作，会产生大量的热，使得器件温度上升，改变器件特性，因此我们对Si Implantation β-Ga2O3 SBD器件进行变温I-V量测，结果如图九所示，随着器件温度增加，正向电流(Forward current)上升、开态电阻(On-resistance)下降，这是由于温度升高时热晶格振动效应引起的电子激发和跃迁，使得电流增加。[7]
 图 9. Si implantation剂量为(b) 1x1014 cm-2 (c) 6x1014 cm-2 (d) 1x1015 cm-2 β-Ga2O3 SBD之变温I-V图 |
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结论 |
β-Ga2O3的EG高达4.8 eV，其BFOM值为Si的3444倍，非常適合做為功率元件。也因為如此高的EG，使得未掺杂β-Ga2O3的阻值非常高，无法用于半导体器件的制作，因此需要适度的掺杂，以提升载流子浓度，降低阻值。N-type β-Ga2O3常使用Si、Ge、Sn作为donor，提升电子浓度，而我们团队利用MOCVD制备高质量、高结晶性UID β-Ga2O3，并可利用Si Implantation大幅调控Si的掺杂浓度，有利于功率器件的制作。我们团队也成功利用Si Implantation β-Ga2O3制作SBD，并且利用多种测量技术探讨用Si Implantation β-Ga2O3 的材料特性与SBD的器件特性。本论文部分内容与数据已刊登在“Electrical performance study of Schottky barrier diodes using ion implanted β-Ga2O3 epilayers grown on sapphire substrates”, Materials Today Advanced, 17, 100346, 2023。
Reference:
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[2] Kotecha, R. M., Zakutayev, A., Metzger, W. K., Paret, P., Moreno, G., Kekelia, B., ... & Graham, S. (2019, October). Electrothermal Modeling and Analysis of Gallium Oxide Power Switching Devices. In International Electronic Packaging Technical Conference and Exhibition (Vol. 59322, p. V001T06A017). American Society of Mechanical Engineers.
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[6] Feng, Z., Anhar Uddin Bhuiyan, A. F. M., Karim, M. R., & Zhao, H. (2019). MOCVD homoepitaxy of Si-doped (010) β-Ga2O3 thin films with superior transport properties. Applied Physics Letters, 114(25), 250601.
[7] He, Q., Mu, W., Dong, H., Long, S., Jia, Z., Lv, H., ... & Liu, M. (2017). Schottky barrier diode based on β-Ga2O3 (100) single crystal substrate and its temperature-dependent electrical characteristics. Applied Physics Letters, 110(9), 093503.
[8] Apoorva Sood, Dong-Sing Wuu, Fu-Gow Tarntair, Ngo Thien Sao, Tian-Li Wu, Niall Tumilty, Hao-Chung Kuo, Singh Jitendra Pratap, Ray-Hua Horng, (2023)“Electrical performance study of Schottky barrier diodes using ion implanted b-Ga2O3 epilayers grown on sapphire substrates”, Materials Today Advanced, 17, 100346.
