2. Creixement de pel·lícules primes epitaxials
El substrat proporciona una capa de suport físic o capa conductora per als dispositius d'alimentació de Ga2O3. La següent capa important és la capa de canal o capa epitaxial que s'utilitza per a la resistència al voltatge i el transport del portador. Per tal d'augmentar el voltatge de ruptura i minimitzar la resistència a la conducció, alguns requisits previs són un gruix controlable i una concentració de dopatge, així com una qualitat òptima del material. Les capes epitaxials de Ga2O3 d'alta qualitat es dipositen normalment mitjançant tècniques d'epitaxia de feix molecular (MBE), deposició química de vapor orgànic metàl·lic (MOCVD), deposició de vapor d'halurs (HVPE), deposició làser pulsada (PLD) i deposició basada en CVD de boira.
Taula 2 Algunes tecnologies epitaxials representatives
2.1 Mètode MBE
La tecnologia MBE és coneguda per la seva capacitat de fer créixer pel·lícules de β-Ga2O3 d'alta qualitat i sense defectes amb un dopatge de tipus n controlable a causa del seu entorn de buit ultra alt i l'alta puresa del material. Com a resultat, s'ha convertit en una de les tecnologies de deposició de pel·lícules primes de β-Ga2O3 més estudiades i potencialment comercialitzades. A més, el mètode MBE també va preparar amb èxit una capa de pel·lícula prima de β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 d'heteroestructura d'alta qualitat i baix dopatge. La MBE pot monitoritzar l'estructura i la morfologia de la superfície en temps real amb precisió de capa atòmica mitjançant la difracció d'electrons d'alta energia per reflexió (RHEED). Tanmateix, les pel·lícules de β-Ga2O3 cultivades amb tecnologia MBE encara s'enfronten a molts reptes, com ara una baixa taxa de creixement i una mida petita de la pel·lícula. L'estudi va trobar que la taxa de creixement era de l'ordre de (010)>(001)>(-201)>(100). En condicions lleugerament riques en Ga de 650 a 750 °C, el β-Ga2O3 (010) presenta un creixement òptim amb una superfície llisa i una alta taxa de creixement. Amb aquest mètode, es va aconseguir amb èxit l'epitaxia de β-Ga2O3 amb una rugositat RMS de 0,1 nm. β-Ga2O3 En un entorn ric en Ga, les pel·lícules MBE que van créixer a diferents temperatures es mostren a la figura. Novel Crystal Technology Inc. ha produït epitaxialment amb èxit oblies de β-Ga2O3MBE de 10 × 15 mm2. Proporcionen substrats monocristallins de β-Ga2O3 orientats (010) d'alta qualitat amb un gruix de 500 μm i XRD FWHM inferior a 150 segons d'arc. El substrat està dopat amb Sn o dopat amb Fe. El substrat conductor dopat amb Sn té una concentració de dopatge d'1E18 a 9E18cm−3, mentre que el substrat semiaïllant dopat amb ferro té una resistivitat superior a 10E10 Ω cm.
2.2 Mètode MOCVD
El MOCVD utilitza compostos orgànics metàl·lics com a materials precursors per fer créixer pel·lícules primes, aconseguint així una producció comercial a gran escala. Quan es fa créixer Ga2O3 mitjançant el mètode MOCVD, se solen utilitzar trimetilgal·li (TMGa), trietilgal·li (TEGa) i Ga (formiat de dipentil glicol) com a font de Ga, mentre que H2O, O2 o N2O s'utilitzen com a font d'oxigen. El creixement mitjançant aquest mètode generalment requereix temperatures elevades (>800 °C). Aquesta tecnologia té el potencial d'aconseguir una baixa concentració de portador i mobilitat d'electrons a alta i baixa temperatura, per la qual cosa és de gran importància per a la realització de dispositius de potència β-Ga2O3 d'alt rendiment. En comparació amb el mètode de creixement MBE, el MOCVD té l'avantatge d'aconseguir taxes de creixement molt elevades de pel·lícules β-Ga2O3 a causa de les característiques del creixement a alta temperatura i les reaccions químiques.
Figura 7 Imatge AFM β-Ga2O3 (010).
Figura 8 β-Ga2O3 La relació entre μ i la resistència de la làmina mesurada per Hall i la temperatura
2.3 Mètode HVPE
L'HVPE és una tecnologia epitaxial madura i s'ha utilitzat àmpliament en el creixement epitaxial de semiconductors compostos III-V. L'HVPE és conegut pel seu baix cost de producció, la seva ràpida taxa de creixement i el seu alt gruix de pel·lícula. Cal destacar que l'HVPEβ-Ga2O3 sol presentar una morfologia superficial rugosa i una alta densitat de defectes i forats superficials. Per tant, es requereixen processos de poliment químic i mecànic abans de fabricar el dispositiu. La tecnologia HVPE per a l'epitaxia de β-Ga2O3 sol utilitzar GaCl i O2 gasosos com a precursors per promoure la reacció a alta temperatura de la matriu (001) β-Ga2O3. La figura 9 mostra l'estat de la superfície i la taxa de creixement de la pel·lícula epitaxial en funció de la temperatura. En els darrers anys, la japonesa Novel Crystal Technology Inc. ha aconseguit un èxit comercial significatiu en l'HVPE homoepitaxial β-Ga2O3, amb gruixos de capa epitaxial de 5 a 10 μm i mides de les oblies de 2 i 4 polzades. A més, les oblies homoepitaxials de HVPE β-Ga2O3 de 20 μm de gruix produïdes per China Electronics Technology Group Corporation també han entrat en la fase de comercialització.
Figura 9 Mètode HVPE β-Ga2O3
2.4 Mètode PLD
La tecnologia PLD s'utilitza principalment per dipositar pel·lícules d'òxid complexes i heteroestructures. Durant el procés de creixement PLD, l'energia fotònica s'acobla al material objectiu a través del procés d'emissió d'electrons. A diferència del MBE, les partícules font PLD es formen mitjançant radiació làser amb una energia extremadament alta (>100 eV) i posteriorment es dipositen sobre un substrat escalfat. Tanmateix, durant el procés d'ablació, algunes partícules d'alta energia impactaran directament la superfície del material, creant defectes puntuals i reduint així la qualitat de la pel·lícula. De manera similar al mètode MBE, RHEED es pot utilitzar per controlar l'estructura superficial i la morfologia del material en temps real durant el procés de deposició PLD de β-Ga2O3, permetent als investigadors obtenir informació de creixement amb precisió. S'espera que el mètode PLD faci créixer pel·lícules de β-Ga2O3 altament conductores, convertint-lo en una solució de contacte òhmic optimitzada en dispositius d'alimentació de Ga2O3.
Figura 10 Imatge AFM de Ga2O3 dopat amb Si
2.5 Mètode MIST-CVD
La MIST-CVD és una tecnologia de creixement de pel·lícules primes relativament senzilla i rendible. Aquest mètode CVD implica la reacció de polvoritzar un precursor atomitzat sobre un substrat per aconseguir la deposició de pel·lícules primes. No obstant això, fins ara, el Ga2O3 cultivat mitjançant CVD per boira encara no té bones propietats elèctriques, cosa que deixa molt marge de millora i optimització en el futur.
Data de publicació: 30 de maig de 2024