2. Croissance de couches minces épitaxiales
Le substrat fournit une couche de support physique, ou couche conductrice, pour les dispositifs de puissance en Ga2O3. La couche suivante, importante, est la couche de canal, ou couche épitaxiale, utilisée pour la résistance à la tension et le transport des porteurs. Pour augmenter la tension de claquage et minimiser la résistance de conduction, une épaisseur et une concentration de dopage contrôlables, ainsi qu'une qualité de matériau optimale, sont des conditions préalables. Les couches épitaxiales en Ga2O3 de haute qualité sont généralement déposées par épitaxie par jets moléculaires (MBE), dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD), dépôt en phase vapeur aux halogénures (HVPE), dépôt par laser pulsé (PLD) et dépôt CVD par brouillard.
Tableau 2 Quelques technologies épitaxiales représentatives
2.1 Méthode MBE
La technologie MBE est réputée pour sa capacité à produire des films de β-Ga2O3 de haute qualité, sans défaut, avec un dopage de type n contrôlable, grâce à son environnement sous ultravide et à la grande pureté de son matériau. De ce fait, elle est devenue l'une des technologies de dépôt de films minces de β-Ga2O3 les plus étudiées et potentiellement commercialisées. De plus, la méthode MBE a également permis de préparer avec succès une couche mince hétérostructurée β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 de haute qualité et faiblement dopée. La MBE permet de surveiller la structure et la morphologie de surface en temps réel avec une précision de couche atomique grâce à la diffraction électronique à haute énergie par réflexion (RHEED). Cependant, les films de β-Ga2O3 produits par la technologie MBE restent confrontés à de nombreux défis, tels qu'un faible taux de croissance et une petite taille de film. L'étude a révélé que le taux de croissance était de l'ordre de (010)>(001)>(−201)>(100). Français Dans des conditions légèrement riches en Ga de 650 à 750 °C, le β-Ga2O3 (010) présente une croissance optimale avec une surface lisse et un taux de croissance élevé. Grâce à cette méthode, l'épitaxie du β-Ga2O3 a été réalisée avec succès avec une rugosité RMS de 0,1 nm. β-Ga2O3 Dans un environnement riche en Ga, les films MBE développés à différentes températures sont présentés dans la figure. Novel Crystal Technology Inc. a produit avec succès par épitaxie des plaquettes de β-Ga2O3MBE de 10 × 15 mm². Elles fournissent des substrats monocristallins de β-Ga2O3 orientés (010) de haute qualité avec une épaisseur de 500 μm et une FWHM XRD inférieure à 150 secondes d'arc. Le substrat est dopé Sn ou Fe. Le substrat conducteur dopé Sn a une concentration de dopage de 1E18 à 9E18cm−3, tandis que le substrat semi-isolant dopé fer a une résistivité supérieure à 10E10 Ω cm.
2.2 Méthode MOCVD
Le MOCVD utilise des composés organométalliques comme matériaux précurseurs pour la croissance de couches minces, permettant ainsi une production commerciale à grande échelle. Lors de la croissance de Ga₂O₃ par la méthode MOCVD, le triméthylgallium (TMGa), le triéthylgallium (TEGa) et le Ga (formiate de dipentyl glycol) sont généralement utilisés comme sources de Ga, tandis que H₂O, O₂ ou N₂O sont utilisés comme sources d'oxygène. La croissance par cette méthode nécessite généralement des températures élevées (> 800 °C). Cette technologie permet d'obtenir une faible concentration de porteurs et une mobilité électronique à haute et basse température, ce qui la rend essentielle à la réalisation de dispositifs de puissance β-Ga₂O₃ hautes performances. Comparé à la méthode de croissance MBE, le MOCVD présente l'avantage d'atteindre des taux de croissance très élevés pour les films β-Ga₂O₃ grâce à ses caractéristiques de croissance à haute température et de réactions chimiques.
Figure 7 Image AFM β-Ga2O3 (010)
Figure 8 β-Ga2O3 La relation entre μ et la résistance de feuille mesurée par Hall et la température
2.3 Méthode HVPE
Le HVPE est une technologie épitaxiale mature, largement utilisée pour la croissance épitaxiale des semi-conducteurs composés III-V. Il est reconnu pour son faible coût de production, sa vitesse de croissance rapide et son épaisseur de film importante. Il convient de noter que le HVPE β-Ga2O3 présente généralement une morphologie de surface rugueuse et une forte densité de défauts et de piqûres de surface. Par conséquent, des processus de polissage chimique et mécanique sont nécessaires avant la fabrication du dispositif. La technologie HVPE pour l'épitaxie β-Ga2O3 utilise généralement du GaCl et de l'O2 gazeux comme précurseurs pour favoriser la réaction à haute température de la matrice (001) β-Ga2O3. La figure 9 illustre l'état de surface et la vitesse de croissance du film épitaxial en fonction de la température. Ces dernières années, la société japonaise Novel Crystal Technology Inc. a connu un succès commercial significatif avec le β-Ga2O3 homoépitaxial HVPE, avec des épaisseurs de couche épitaxiale de 5 à 10 μm et des tailles de plaquettes de 2 et 4 pouces. Par ailleurs, des plaquettes homoépitaxiales de β-Ga2O3 HVPE de 20 μm d'épaisseur produites par China Electronics Technology Group Corporation sont également entrées en phase de commercialisation.
Figure 9 Méthode HVPE β-Ga2O3
2.4 Méthode PLD
La technologie PLD est principalement utilisée pour déposer des films d'oxyde complexes et des hétérostructures. Lors du processus de croissance PLD, l'énergie des photons est couplée au matériau cible par émission d'électrons. Contrairement à la méthode MBE, les particules sources PLD sont formées par un rayonnement laser à très haute énergie (> 100 eV) puis déposées sur un substrat chauffé. Cependant, lors du processus d'ablation, certaines particules à haute énergie impactent directement la surface du matériau, créant des défauts ponctuels et réduisant ainsi la qualité du film. À l'instar de la méthode MBE, la technologie RHEED permet de surveiller la structure de surface et la morphologie du matériau en temps réel pendant le dépôt PLD de β-Ga2O3, permettant ainsi aux chercheurs d'obtenir des informations précises sur la croissance. La méthode PLD devrait permettre de développer des films de β-Ga2O3 hautement conducteurs, ce qui en fait une solution de contact ohmique optimisée pour les dispositifs de puissance en Ga2O3.
Figure 10 Image AFM de Ga2O3 dopé au Si
2.5 Méthode MIST-CVD
MIST-CVD est une technologie de croissance de couches minces relativement simple et économique. Cette méthode CVD consiste à pulvériser un précurseur atomisé sur un substrat pour obtenir un dépôt de couche mince. Cependant, à ce jour, le Ga₂O₃ obtenu par CVD par brouillard présente encore de faibles propriétés électriques, ce qui laisse une grande marge d'amélioration et d'optimisation.
Date de publication : 30 mai 2024