2. Crecimiento epitaxial de películas delgadas
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 de voltaje y el transporte de portadores. Para aumentar el voltaje de ruptura y minimizar la resistencia de conducción, se requieren un espesor y una concentración de dopaje controlables, así como una calidad óptima del material. Las capas epitaxiales de Ga2O3 de alta calidad se depositan típicamente mediante técnicas de epitaxia de haces moleculares (MBE), deposición química de vapor de organometálicos (MOCVD), deposición de vapor de haluro (HVPE), deposición por láser pulsado (PLD) y deposición basada en CVD por niebla.
Tabla 2 Algunas tecnologías epitaxiales representativas
2.1 Método MBE
La tecnología MBE es reconocida por su capacidad para cultivar películas de β-Ga2O3 de alta calidad y sin defectos, con dopaje de tipo n controlable, gracias a su entorno de ultra alto vacío y 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 comercial. Además, el método MBE también preparó con éxito una capa de película delgada de heteroestructura β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 de alta calidad y bajo dopaje. MBE puede monitorear la estructura y morfología de la superficie en tiempo real con precisión de capa atómica mediante difracción de electrones de alta energía por reflexión (RHEED). Sin embargo, las películas de β-Ga2O3 cultivadas con la tecnología MBE aún enfrentan muchos desafíos, como una baja tasa de crecimiento y un tamaño de película pequeño. El estudio encontró que la tasa de crecimiento fue del orden (010)>(001)>(−201)>(100). Bajo 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, se logró con éxito la epitaxia de β-Ga2O3 con una rugosidad RMS de 0,1 nm. β-Ga2O3 En un entorno rico en Ga, las películas MBE cultivadas a diferentes temperaturas se muestran en la figura. Novel Crystal Technology Inc. ha producido con éxito epitaxialmente obleas MBE de β-Ga2O3 de 10 × 15 mm2. Proporcionan sustratos de monocristal 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 dopado con Fe. El sustrato conductor dopado con Sn tiene una concentración de dopaje de 1E18 a 9E18cm−3, mientras que el sustrato semi-aislante dopado con hierro tiene una resistividad superior a 10E10 Ω cm.
2.2 Método MOCVD
La MOCVD utiliza compuestos organometálicos como materiales precursores para el crecimiento de películas delgadas, logrando así la 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 una alta y baja movilidad electrónica a temperaturas elevadas, por lo que es de gran importancia para la realización 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 superficial medida por efecto Hall y temperatura
2.3 Método HVPE
La HVPE es una tecnología epitaxial madura y se ha utilizado ampliamente en el crecimiento epitaxial de semiconductores compuestos III-V. La HVPE se caracteriza por su bajo coste de producción, su rápida velocidad de crecimiento y su alto espesor de película. Cabe destacar que el β-Ga2O3 obtenido mediante HVPE suele presentar una morfología superficial rugosa y una alta densidad de defectos y cavidades 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 la condición de la superficie y la velocidad de crecimiento de la película epitaxial en función de la temperatura. En los últimos años, la empresa japonesa Novel Crystal Technology Inc. ha logrado un éxito comercial significativo en la homoepitaxia de β-Ga2O3 mediante HVPE, con espesores de capa epitaxial de 5 a 10 μm y tamaños de oblea de 2 y 4 pulgadas. Además, las obleas homoepitaxiales de β-Ga2O3 de 20 μm de espesor fabricadas mediante HVPE 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 óxidos complejos y heteroestructuras. Durante el proceso de crecimiento PLD, la energía de los fotones se acopla al material objetivo mediante la emisión de electrones. A diferencia de la MBE, las partículas fuente de PLD se forman mediante radiación láser de 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 impactan directamente la superficie del material, creando defectos puntuales y, por lo tanto, reduciendo la calidad de la película. De forma similar al método MBE, la RHEED se puede utilizar para monitorizar la estructura y morfología de la superficie del material en tiempo real durante el proceso de deposición de β-Ga2O3 mediante PLD, lo que permite a los investigadores obtener información precisa sobre el crecimiento. Se espera que el método PLD permita obtener películas de β-Ga2O3 altamente conductoras, lo que lo convierte en una solución de contacto óhmico optimizada para dispositivos de potencia de Ga2O3.
Figura 10. Imagen AFM de Ga2O3 dopado con Si.
2.5 Método MIST-CVD
La tecnología MIST-CVD es relativamente sencilla y rentable para el crecimiento de películas delgadas. Este método CVD consiste en la pulverización de un precursor atomizado sobre un sustrato para la deposición de la película. Sin embargo, hasta el momento, el Ga2O3 cultivado mediante MIST-CVD presenta propiedades eléctricas deficientes, lo que deja un amplio margen de mejora y optimización en el futuro.
Fecha de publicación: 30 de mayo de 2024