2. Crecimiento de película delgada epitaxial
El sustrato proporciona una capa de soporte físico o capa conductora para los dispositivos de potencia de Ga₂O₃. La siguiente capa importante es la capa de canal o capa epitaxial, utilizada para la resistencia a la tensión y el transporte de portadores. Para aumentar la tensión de ruptura y minimizar la resistencia a la conducción, se requieren espesores y concentraciones de dopaje controlables, así como una calidad óptima del material. Las capas epitaxiales de Ga₂O₃ de alta calidad se depositan típicamente mediante epitaxia de haz molecular (MBE), deposición química en fase de vapor metalorgánica (MOCVD), deposición en fase de vapor de haluro (HVPE), deposición por láser pulsado (PLD) y técnicas de deposición basadas en CVD de niebla.
Tabla 2 Algunas tecnologías epitaxiales representativas
2.1 Método MBE
La tecnología MBE es reconocida por su capacidad para desarrollar películas de β-Ga₂O₃ de alta calidad y sin defectos con dopaje tipo n controlable gracias a su entorno de ultra alto vacío y a la alta pureza del material. Como resultado, se ha convertido en una de las tecnologías de deposición de películas delgadas de β-Ga₂O₃ más estudiadas y con mayor potencial de comercialización. Además, el método MBE también preparó con éxito una película delgada de β-(Al₋X₁Ga₁-X₁)₂O₃/Ga₂O₃ de alta calidad y baja dopaje. MBE puede monitorizar la estructura y la morfología de la superficie en tiempo real con precisión atómica mediante difracción de electrones de alta energía por reflexión (RHEED). Sin embargo, las películas de β-Ga₂O₃ desarrolladas con tecnología MBE aún enfrentan numerosos desafíos, como su baja tasa de crecimiento y su pequeño tamaño. El estudio halló que la tasa de crecimiento fue del orden de (0₁0) > (0₁0) > (−2₁0) > (1₁0). En condiciones ligeramente ricas en Ga de 650 a 750 °C, β-Ga2O3 (010) exhibe un crecimiento óptimo con una superficie lisa y una alta tasa de crecimiento. Usando este método, la epitaxia de β-Ga2O3 se logró con éxito con una rugosidad RMS de 0,1 nm. β-Ga2O3 En un entorno rico en Ga, las películas MBE crecidas a diferentes temperaturas se muestran en la figura. Novel Crystal Technology Inc. ha producido epitaxialmente con éxito 10 × 15 mm2 de obleas de β-Ga2O3MBE. Proporcionan sustratos monocristalinos de β-Ga2O3 orientados (010) de alta calidad con un espesor de 500 μm y XRD FWHM por debajo de 150 segundos de arco. El sustrato está dopado con Sn o Fe. El sustrato conductor dopado con Sn tiene una concentración de dopaje de 1E18 a 9E18cm−3, mientras que el sustrato semiaislante dopado con hierro tiene una resistividad superior a 10E10 Ω cm.
2.2 Método MOCVD
La MOCVD utiliza compuestos organometálicos como precursores para el crecimiento de películas delgadas, logrando así una producción comercial a gran escala. Al cultivar Ga₂O₃ mediante el método MOCVD, se suelen utilizar trimetilgalio (TMGa), trietilgalio (TEGa) y Ga (formiato de dipentilglicol) como fuente de Ga, mientras que H₂O, O₂ o N₂O se utilizan como fuente de oxígeno. El crecimiento mediante este método generalmente requiere altas temperaturas (>800 °C). Esta tecnología tiene el potencial de lograr una baja concentración de portadores y movilidad electrónica a alta y baja temperatura, por lo que es de gran importancia para la fabricación de dispositivos de potencia de β-Ga₂O₃ de alto rendimiento. En comparación con el método de crecimiento MBE, la MOCVD tiene la ventaja de lograr tasas de crecimiento muy altas de películas de β-Ga₂O₃ debido a las características del crecimiento a alta temperatura y las reacciones químicas.
Figura 7 Imagen AFM de β-Ga2O3 (010)
Figura 8 β-Ga2O3 La relación entre μ y la resistencia laminar medida por Hall y la temperatura
2.3 Método HVPE
La HVPE es una tecnología epitaxial consolidada y se ha utilizado ampliamente en el crecimiento epitaxial de semiconductores compuestos III-V. La HVPE se distingue por su bajo coste de producción, su rápida tasa de crecimiento y su alto espesor de película. Cabe destacar que la HVPEβ-Ga₂O₃ suele presentar una morfología superficial rugosa y una alta densidad de defectos y picaduras superficiales. Por lo tanto, se requieren procesos de pulido químico y mecánico antes de la fabricación del dispositivo. La tecnología HVPE para la epitaxia de β-Ga₂O₃ suele utilizar GaCl y O₂ gaseosos como precursores para promover la reacción a alta temperatura de la matriz (001) de β-Ga₂O₃. La Figura 9 muestra el estado de la superficie y la tasa de crecimiento de la película epitaxial en función de la temperatura. En los últimos años, la empresa japonesa Novel Crystal Technology Inc. ha alcanzado un éxito comercial significativo con el β-Ga₂O₃ homoepitaxial de HVPE, con espesores de capa epitaxial de 5 a 10 μm y tamaños de obleas de 2 y 4 pulgadas. Además, las obleas homoepitaxiales de β-Ga₂O₃ de HVPE de 20 μm de espesor, producidas por China Electronics Technology Group Corporation, también han entrado en la fase de comercialización.
Figura 9 Método HVPE β-Ga2O3
2.4 Método PLD
La tecnología PLD se utiliza principalmente para depositar películas de óxido complejas y heteroestructuras. Durante el proceso de crecimiento PLD, la energía fotónica se acopla al material objetivo mediante el proceso de emisión de electrones. A diferencia del MBE, las partículas fuente PLD se forman mediante radiación láser con energía extremadamente alta (>100 eV) y posteriormente se depositan sobre un sustrato calentado. Sin embargo, durante el proceso de ablación, algunas partículas de alta energía impactarán directamente la superficie del material, creando defectos puntuales y reduciendo así la calidad de la película. Similar al método MBE, RHEED puede utilizarse para monitorear la estructura superficial y la morfología del material en tiempo real durante el proceso de deposición PLD de β-Ga₂O₃, lo que permite a los investigadores obtener información precisa sobre el crecimiento. Se espera que el método PLD genere películas de β-Ga₂O₃ altamente conductivas, lo que lo convierte en una solución de contacto óhmico optimizada en dispositivos de potencia de Ga₂O₃.
Figura 10 Imagen AFM de Ga2O3 dopado con Si
2.5 Método MIST-CVD
La MIST-CVD es una tecnología de crecimiento de película delgada relativamente sencilla y rentable. Este método de CVD consiste en rociar un precursor atomizado sobre un sustrato para lograr la deposición de una película delgada. Sin embargo, hasta la fecha, el Ga₂O₃ cultivado mediante CVD por niebla aún carece de buenas propiedades eléctricas, lo que deja un amplio margen de mejora y optimización en el futuro.
Hora de publicación: 30 de mayo de 2024