2. Croissance de couches minces épitaxiales
Le substrat constitue une couche de support physique ou une couche conductrice pour les dispositifs de puissance en Ga₂O₃. La couche suivante, tout aussi importante, est la couche de canal ou couche épitaxiale, responsable de la résistance en tension et du transport des porteurs de charge. Afin d'augmenter la tension de claquage et de minimiser la résistance de conduction, il est indispensable de maîtriser l'épaisseur et la concentration de dopage, ainsi que d'utiliser un matériau de qualité optimale. Les couches épitaxiales de Ga₂O₃ de haute qualité sont généralement déposées par épitaxie par jets moléculaires (EJM), dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD), dépôt en phase vapeur d'halogénures (HVPE), dépôt laser pulsé (PLD) ou par dépôt chimique en phase vapeur par brouillard (Fog CVD).
Tableau 2 Quelques technologies épitaxiales représentatives
2.1 Méthode MBE
La technologie MBE est reconnue pour sa capacité à produire des films de β-Ga₂O₃ de haute qualité et sans défauts, avec un dopage de type n contrôlable, grâce à son environnement ultra-vide et à la grande pureté du matériau. De ce fait, elle est devenue l'une des technologies de dépôt de couches minces de β-Ga₂O₃ les plus étudiées et potentiellement commercialisables. Par ailleurs, 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 suivre la structure et la morphologie de surface en temps réel avec une précision atomique grâce à la diffraction d'électrons de haute énergie en réflexion (RHEED). Cependant, les films de β-Ga₂O₃ obtenus par MBE présentent encore de nombreux défis, tels qu'une faible vitesse de croissance et une petite taille de film. L'étude a montré que la vitesse de croissance était dans l'ordre suivant : (010) > (001) > (−201) > (100). Dans des conditions légèrement riches en gallium (Ga) entre 650 et 750 °C, le β-Ga₂O₃ (010) présente une croissance optimale, avec une surface lisse et une vitesse de croissance élevée. Grâce à cette méthode, l'épitaxie du β-Ga₂O₃ a été réalisée avec succès, avec une rugosité RMS de 0,1 nm. La figure montre des films de β-Ga₂O₃ obtenus par épitaxie par jets moléculaires (EJM) à différentes températures dans un environnement riche en gallium. Novel Crystal Technology Inc. a produit avec succès des plaquettes de β-Ga₂O₃ EJM de 10 × 15 mm². Ces substrats monocristallins de β-Ga₂O₃ orientés (010) sont de haute qualité, d'une épaisseur de 500 μm et présentent une largeur à mi-hauteur (FWHM) des diffractogrammes de rayons X inférieure à 150 secondes d'arc. Le substrat est dopé à l'étain (Sn) ou au fer (Fe). Le substrat conducteur dopé au Sn a une concentration de dopage de 1E18 à 9E18cm−3, tandis que le substrat semi-isolant dopé au fer a une résistivité supérieure à 10E10 Ω cm.
2.2 Méthode MOCVD
La MOCVD utilise des composés organométalliques comme précurseurs pour la croissance de couches minces, permettant ainsi une production commerciale à grande échelle. Lors de la croissance de Ga₂O₃ par MOCVD, le triméthylgallium (TMGa), le triéthylgallium (TEGa) et le formiate de dipentylglycol (Ga) sont généralement utilisés comme sources de gallium, tandis que H₂O, O₂ ou N₂O servent de sources d'oxygène. Cette méthode de croissance requiert généralement des températures élevées (> 800 °C). Cette technologie offre la possibilité 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 haute performance. Comparée à la méthode de croissance par épitaxie par jets moléculaires (MBE), la MOCVD présente l'avantage d'atteindre des vitesses de croissance très élevées pour les couches de β-Ga₂O₃ grâce aux caractéristiques de croissance à haute température et aux réactions chimiques.
Figure 7 Image AFM β-Ga2O3 (010)
Figure 8 β-Ga2O3 Relation entre μ et la résistance de couche mesurée par effet Hall et la température
2.3 Méthode HVPE
La technique HVPE est une technologie épitaxiale mature et largement utilisée pour la croissance épitaxiale des semi-conducteurs composés III-V. Elle est reconnue pour son faible coût de production, sa vitesse de croissance rapide et l'épaisseur importante des films obtenus. Il convient de noter que le β-Ga₂O₃ déposé par HVPE présente généralement une morphologie de surface rugueuse et une forte densité de défauts et de piqûres. Par conséquent, des procédés de polissage chimique et mécanique sont nécessaires avant la fabrication du dispositif. La technologie HVPE pour l'épitaxie du β-Ga₂O₃ utilise généralement du GaCl₃ et de l'O₂ gazeux comme précurseurs pour favoriser la réaction à haute température de la matrice (001) de β-Ga₂O₃. La figure 9 illustre l'état de surface et la vitesse de croissance du film épitaxié en fonction de la température. Ces dernières années, la société japonaise Novel Crystal Technology Inc. a connu un succès commercial significatif dans le domaine de l'homoépitaxie du β-Ga₂O₃ par HVPE, avec des épaisseurs de couche épitaxiale de 5 à 10 μm et des formats de plaquettes de 2 et 4 pouces. De plus, les plaquettes homoépitaxiales HVPE β-Ga2O3 de 20 μm d'épaisseur produites par China Electronics Technology Group Corporation sont également entrées dans la phase de commercialisation.
Figure 9 Méthode HVPE β-Ga2O3
2.4 Méthode PLD
La technologie PLD est principalement utilisée pour le dépôt de films d'oxydes complexes et d'hétérostructures. Lors du processus de croissance PLD, l'énergie photonique est couplée au matériau cible par émission d'électrons. Contrairement à l'épitaxie par jets moléculaires (MBE), les particules sources PLD sont formées par un rayonnement laser de très haute énergie (> 100 eV) puis déposées sur un substrat chauffé. Cependant, lors de l'ablation, certaines particules de 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 diffraction d'électrons à haute énergie en réflexion (RHEED) permet de suivre en temps réel la structure et la morphologie de surface du matériau pendant le dépôt de β-Ga₂O₃ par PLD, offrant ainsi aux chercheurs des informations précises sur la croissance. La méthode PLD devrait permettre la croissance de films de β-Ga₂O₃ hautement conducteurs, ce qui en fait une solution de contact ohmique optimisée pour les dispositifs de puissance à base de Ga₂O₃.
Figure 10 Image AFM de Ga2O3 dopé au Si
2.5 Méthode MIST-CVD
La technique MIST-CVD est une méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) relativement simple et économique pour la croissance de couches minces. Ce procédé repose sur la pulvérisation d'un précurseur atomisé sur un substrat pour obtenir un dépôt en couche mince. Cependant, à ce jour, le Ga₂O₃ obtenu par MIST-CVD présente encore des propriétés électriques perfectibles, ce qui ouvre d'importantes perspectives d'amélioration et d'optimisation.
Date de publication : 30 mai 2024