離子佈植研製成長於藍寶石基板之N型β-Ga2O3 磊晶膜及
其元件特性之研究
洪瑞華 教授
蔡欣穎 Aproova Sood 博士生
國立陽明交通大學電子研究所
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目前半導體業主要使用Si製作各式元件，不過隨著製程技術的進步與元件結構的改進，在元件特性方面以Si所製作之相關元件已達到的材料特性之限制，然隨著科技之發展，無論是通訊5G與6G之需求， 綠能產業之要求或電動車之發展，其所採用之元件無不朝更高速或更高功率之要求，此些元件特性已是Si元件無法達到之特性，因此勢必要使用其他半導體材料以滿足高速或高功率的元件特性。
近幾年電動車與再生能源的快速發展，市場對功率元件的需求與性能要求不斷增加，而Si的能隙(Bandgap, Eg)只有1.12 eV，無法承受大電壓，目前在高電壓、大功率的功率元件以逐漸採用第三代寬能隙半導體碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)所製作之元件，此些材料所製作之元件在功率元件的電壓與功率可大幅提升，進而可改善在電動車與再生能源能源應用時之轉換效率。
一般在功率元件方面常使用Baliga's Figure-Of-Merits (BFOM)來評斷半導體材料的特性，BFOM正比於 εμEc3，隨著材料的Eg增加，材料的臨界電場(Critical electric field, Ec)亦增加，BFOM則隨之大幅增加，而BFOM越大代表材料在功率元件方面的潛力越高。如表(一)所示，SiC與GaN的Eg分別為3.3與3.4 eV，因此在BFOM相較於Si之BFOM分別是340與870，然而，SiC與GaN的原生基板成長條件嚴峻、價格昂貴，使得所製作之功率元件售價相比於Si金氧半場效電晶體 (MOSFET)、Si IGBT昂貴許多。另一方面，第四代寬能隙氧化物半導體Ga2O3的成長條件不需要高溫高壓，成本較低，而且Ga2O3的Eg高達4.8 eV，其BFOM分別為SiC與GaN之4倍與10倍，若製作成功率元件，可以有效提升元件的崩潰電壓，另一方面此一材料之元件導通電阻理論上相較於Si, GaAs, SiC與GaN之導通電組低，低的元件的導通電阻可降低元件使用時之功率消耗，進而提升轉換效率。因此Ga2O3被視為有機會取代SiC與GaN，成為下世代高功率元件的半導體材料，甚至有人提到Ga2O3十年之內有機會取代SiC之應用。
圖 1. 半導體材料特性比較圖 |
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Ga2O3總共有五種晶相(Polymorphs)，monoclinic (β-Ga2O3)、rhombohedral (α- Ga2O3)、defective spinel (γ- Ga2O3)、cubic (δ- Ga2O3)、 orthorhombic (ε- Ga2O3)，其中以β-Ga2O3¬的穩定性最高，其餘四種晶相在高溫下皆會相變化成β-Ga2O3。β-Ga2O3的化學穩定性、熱穩定性高，且具有高達4.8 eV的能隙，非常適合做為功率元件。 |
 圖 2. 各種Ga2O3晶相轉換之關係圖[1] |
儘管β-Ga2O3有以上諸多優點，然製作成元件必須有可控制導電性之薄膜方能應用，由於β-Ga2O3的能隙高達4.8 eV，其本質載子濃度(Intrinsic carrier concentration)僅有1.79 × 10-23 cm-3 [2]，也因此無摻雜β-Ga2O3的阻值非常高，如同絕緣體一樣，不適合用於製作半導體元件。由於材料的特性，目前製備P-type β-Ga2O3非常困難，相較之下N-type β-Ga2O3尚有機會可以達成，根據理論計算Si、Ge與Sn等雜質在β-Ga2O3中的donor level非常接近導帶(Conduction band)，其活化能(Activation energy)分別為30、30、60 meV，為shallow donor levels [3]。由實驗證明此些雜質之摻雜物的活化率高，先前已有多個研究團隊利用分子束磊晶(Molecular beam epitaxy, MBE)在β-Ga2O3基板上成長β-Ga2O3，並以Si[3]、Ge[4]、Sn[5]摻雜，皆可有效提升β-Ga2O3的電子濃度，降低β-Ga2O3的片電阻值，因此可以用於製作功率元件。
MBE設備需要超高真空，且其沉積速率慢、成本高，不適合用於大量生產，僅適合做為材料早期的研究與驗證。金屬有機化學氣相沉積(Metal-organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)的產量高、成本較低、結晶品質佳，適合用於大量生產β-Ga2O3。Zixuan Feng與其團隊利用MOCVD機台中通入三乙基鎵(Triethylgallium, TEGa)與O2，並使用矽甲烷(Silane, SiH4)做為前驅物(Precursor)製備in-situ Si doped β-Ga2O3薄膜[6]，且可改變腔體壓力來控制Si的摻雜濃度，經由霍爾量測(Hall measurement)，其載子濃度可達1016 cm-3以上，並且在室溫下的載子遷移率(Mobility)高達184 cm2/V⸱s。
儘管本研究團隊已成功在β-Ga2O3基板上磊晶β-Ga2O3薄膜，然目前β-Ga2O3基板仍不普及，仍屬高單價之材料，相較之下，與β-Ga2O3晶格常數極為接近之c-plane Sapphire基板，其基板價格極為親民，更具市場競爭力，本實驗室已可在c-plane Sapphire基板上以MOCVD磊晶成長高品質的未摻雜(UID) (-2 0 1) β-Ga2O3，經由XRD量測，其(-2 0 1)之半高寬（Full width at half maximum, FWHM）可低至400 arcsec，代表此β-Ga2O3具有高度的結晶性。
 圖 3. (a) β-Ga2O3 on Sapphire之晶圓圖 (b) XRD圖 |
為了提升UID β-Ga2O3的導電性，我們使用Si離子佈植技術(Implantation)，將Si植入β-Ga2O3薄膜中，並使用高溫快速熱退火(Rapid Thermal Annealing, RTA)修補受到Si離子撞擊所產生的缺陷與活化Si dopant。可以藉由改變Si Implantation的植入劑量與植入之能量改變Si的濃度分佈，並可搭配黃光製程，在特定區域進行摻雜，相較於磊晶時加入摻雜，離子佈植改變磊晶膜之電性在元件製作方面具較大的彈性。
另一方面，蕭特基二極體(Schottky barrier diode, SBD)為一種常見的功率元件，SBD是利用金屬與半導體間的Schottky junction達到整流的特性，SBD具有低導通電壓、高導通電流、高切換速度等特性。在研究上，SBD可利用I-V、C-V等方式萃取出半導體的載子濃度，亦可利用變溫、大電壓量測來判斷半導體的崩潰電場、材料穩定度與品質。因此，本文將以摻雜之SBD評估異質磊晶成長於Sapphire之Ga2O3製作成高功率SBD之可行性。
我們使用3種Si Implantation劑量植入β-Ga2O3磊晶薄膜，分別是1x1014、6x1014、1x1015 cm-2，再經由高溫RTA處理，活化Si dopant。由於Si Implantation需要以高能量Si離子撞擊β-Ga2O3表面來植入磊晶薄膜中，容易在試片表面產生缺陷，因此我們對這三個經過Si Implantation試片與UID β-Ga2O3進行原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)量測，結果如圖四所示。相較於UID β-Ga2O3，經過Si Implantation後Si填補Ga空缺，使得缺陷減少，因此Si Implantation β-Ga2O3 的方均根(Root Mean Square, RMS)粗糙度下降。隨著Implantation劑量的增加，Si 原子形成複合物(Complexes)，因此缺陷聚積造成表面粗糙度增加。
 圖 4. (a) UID β-Ga2O3 SBD之AFM圖；Si implantation劑量為(b) 1x1014 cm-2 (c) 6x1014 cm-2 (d) 1x1015 cm-2之AFM圖 |
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為了更進一步的研究，我們將3種劑量(1x1014、6x1014、1x1015 cm-2) 的Si Implantation β-Ga2O3製作成SBD，並與UID β-Ga2O3 SBD進行比較。 SBD之研製，陽極(Anode)電極使用Ni/Au做為Schottky contact，陰極(Cathode) 電極使用Ti/Au/Ti/Al做為Ohmic contact，其元件之剖面結構圖與電極圖形以掃描式電子顯微鏡(SEM)觀測之影像如圖五所示。 |
 圖 5. β-Ga2O3 SBD之剖面與上視SEM圖 |
β-Ga2O3 SBD製作完畢後，利用Keysight B1505A 功率元件分析儀進行I-V量測分析，結果如圖六所示[8]，經由Si Implantation後，SBD的開態電流可以提升108倍，並隨著Si Implantation劑量增加，電流大幅增加，代表Si取代Ga提供電子，增加載子濃度，有效降低β-Ga2O3的阻值與提升元件的性能。對J-V圖微分以計算Ron,sp，結果如圖七所示，經由Si Implantation的SBD，Ron,sp大幅下降。使用式1對J-V圖進行擬合分析(Fitting)以計算出SBD的理想因子(Ideality Factor, η)，η值越接近1代表元件特性越接近理想公式， UID β-Ga2O3 SBD的η為8.05，經過Si Implantation的SBD有效降低串聯電阻，因此η值大幅下降，而隨著Implantation劑量增加，η從1.37上升至2.08，則是因為摻雜濃度(ND)增加，而發生穿隧效應，使得η值上升。
 圖 6. (a) UID β-Ga2O3 SBD之I-V圖；Si implantation劑量為(b) 1x1014 cm-2 (c) 6x1014 cm-2 (d) 1x1015 cm-2之I-V圖
圖 7. UID與Si Implantation β-Ga2O3 SBD之特性表 |
β-Ga2O3 SBD C-V量測結果如圖八所示，使用半導體元件物理公式(式2 ~ 7)進行分析，計算出3種劑量(1x1014、6x1014、1x1015 cm-2) Si Implantation β-Ga2O3的載子濃度分別是1.08x1017、4.31x1018、1.07x1019 cm-3，代表Si Implantation技術可以大幅調控β-Ga2O3的載子濃度與導電性，而 UID β-Ga2O3 SBD則因阻值過高，超過機台解析極限。將式3~ 7的計算結果帶入式2即可計算出校蕭基能位障高(Effective Schottky Barrier Height, ϕBn)，3種劑量(1x1014、6x1014、1x1015 cm-2) Si Implantation β-Ga2O3的ϕBn分別是0.82、0.54、0.32V，隨著Implantation劑量增加，Metal Induced Gap States (MIGS)造成fermi level pinning更加嚴重，使得ϕBn下降，導致反向漏電流增加。
 圖 8. (a) UID β-Ga2O3 SBD之C-V圖；Si implantation劑量為(b) 1x1014 cm-2 (c) 6x1014 cm-2 (d) 1x1015 cm-2之C-V圖 |
β-Ga2O3 SBD作為高壓、高功率元件，需要承受高逆偏電壓，因此我們對這四種元件進行大電壓的Breakdown量測，UID β-Ga2O3 SBD的崩潰電壓(Breakdown voltage, VBD)高達1030 V，而隨著Si Implantation劑量增加，VBD降低，代表在大劑量Implantation後產生大量缺陷，因此在Implantation後需要進一步的處理與分析，以減少缺陷密度，降低SBD的逆偏漏電流，提升VBD。
功率元件需要在大電流下操作，會產生大量的熱，使得元件溫度上升，改變元件特性，因此我們對Si Implantation β-Ga2O3 SBD元件進行變溫I-V量測，結果如圖九所示，隨著元件溫度增加，順偏電流(Forward current)上升、開態電阻(On-resistance)下降，這是由於溫度升高時熱晶格振動效應引起的電子激發和躍遷，使得電流增加。[7]
 圖 9. Si implantation劑量為(a) 1x1014 cm-2 (b) 6x1014 cm-2 (c) 1x1015 cm-2 β-Ga2O3 SBD之變溫I-V圖 |
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結論 |
β-Ga2O3的EG高達4.8 eV，其BFOM值為Si的3444倍，非常適合做為功率元件。也因為如此高的EG，使得未摻雜β-Ga2O3的阻值非常高，無法用於半導體元件的製作，因此需要適度的摻雜，以提升載子濃度，降低阻值。N-type β-Ga2O3常使用Si、Ge、Sn做為donor，提升電子濃度，而我們團隊利用MOCVD製備高品質、高結晶性UID β-Ga2O3，並可利用Si Implantation大幅調控Si的摻雜濃度，有利於功率元件的製作。我們團隊也成功利用Si Implantation β-Ga2O3製作SBD，並且利用多種量測技術探討用Si Implantation β-Ga2O3 的材料特性與SBD的元件特性。本論文部分內容與數據已刊登在“Electrical performance study of Schottky barrier diodes using ion implanted β-Ga2O3 epilayers grown on sapphire substrates”, Materials Today Advanced, 17, 100346, 2023。
Reference:
[1] Xue, H., He, Q., Jian, G., Long, S., Pang, T., & Liu, M. (2018). An overview of the ultrawide bandgap Ga2O3 semiconductor-based Schottky barrier diode for power electronics application. Nanoscale research letters, 13(1), 1-13.
[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.
[3] Kalarickal, N. K., Xia, Z., McGlone, J., Krishnamoorthy, S., Moore, W., Brenner, M., ... & Rajan, S. (2019). Mechanism of Si doping in plasma assisted MBE growth of β-Ga2O3. Applied Physics Letters, 115(15), 152106.
[4] Ahmadi, E., Koksaldi, O. S., Kaun, S. W., Oshima, Y., Short, D. B., Mishra, U. K., & Speck, J. S. (2017). Ge doping of β-Ga2O3 films grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Applied Physics Express, 10(4), 041102.
[5] Mauze, A., Zhang, Y., Itoh, T., Ahmadi, E., & Speck, J. S. (2020). Sn doping of (010) β-Ga2O3 films grown by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Applied Physics Letters, 117(22), 222102.
[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.
