2. Crecemento de película fina epitaxial
O substrato proporciona unha capa de soporte físico ou capa condutora para os dispositivos de alimentación de Ga2O3. A seguinte capa importante é a capa de canle ou capa epitaxial utilizada para a resistencia á tensión e o transporte de portadores. Para aumentar a tensión de ruptura e minimizar a resistencia á condución, algúns requisitos previos son un grosor controlable e unha concentración de dopaxe, así como unha calidade óptima do material. As capas epitaxiais de Ga2O3 de alta calidade deposítanse normalmente mediante epitaxia por feixe molecular (MBE), deposición química de vapor metalorgánica (MOCVD), deposición de vapor de haluros (HVPE), deposición por láser pulsado (PLD) e técnicas de deposición baseadas en CVD por néboa.
Táboa 2 Algunhas tecnoloxías epitaxiais representativas
2.1 Método MBE
A tecnoloxía MBE é coñecida pola súa capacidade para cultivar películas de β-Ga2O3 de alta calidade e sen defectos con dopaxe de tipo n controlable debido ao seu ambiente de baleiro ultraalto e á alta pureza do material. Como resultado, converteuse nunha das tecnoloxías de deposición de películas finas de β-Ga2O3 máis estudadas e potencialmente comercializadas. Ademais, o método MBE tamén preparou con éxito unha capa de película fina de β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 con heteroestrutura de alta calidade e baixo dopaxe. A MBE pode monitorizar a estrutura e a morfoloxía da superficie en tempo real con precisión de capa atómica mediante o uso da difracción de electróns de alta enerxía por reflexión (RHEED). Non obstante, as películas de β-Ga2O3 cultivadas coa tecnoloxía MBE aínda enfrontan moitos desafíos, como a baixa taxa de crecemento e o pequeno tamaño da película. O estudo descubriu que a taxa de crecemento era da orde de (010)>(001)>(−201)>(100). En condicións lixeiramente ricas en Ga de 650 a 750 °C, o β-Ga2O3 (010) presenta un crecemento óptimo cunha superficie lisa e unha alta taxa de crecemento. Usando este método, conseguiuse con éxito a epitaxia do β-Ga2O3 cunha rugosidade RMS de 0,1 nm. β-Ga2O3 Nun ambiente rico en Ga, as películas de MBE cultivadas a diferentes temperaturas móstranse na figura. Novel Crystal Technology Inc. produciu con éxito obleas de β-Ga2O3MBE de 10 × 15 mm2. Proporcionan substratos monocristais de β-Ga2O3 orientados (010) de alta calidade cun grosor de 500 μm e XRD FWHM inferior a 150 segundos de arco. O substrato está dopado con Sn ou dopado con Fe. O substrato condutor dopado con Sn ten unha concentración de dopaxe de 1E18 a 9E18 cm−3, mentres que o substrato semiillante dopado con ferro ten unha resistividade superior a 10E10 Ω cm.
2.2 Método MOCVD
A MOCVD emprega compostos metalorgánicos como materiais precursores para cultivar películas delgadas, conseguindo así unha produción comercial a grande escala. Ao cultivar Ga2O3 mediante o método MOCVD, adoitan empregarse trimetilgalio (TMGa), trietilgalio (TEGa) e Ga (formiato de dipentilglicol) como fonte de Ga, mentres que o H2O, O2 ou N2O se empregan como fonte de osíxeno. O crecemento mediante este método xeralmente require altas temperaturas (>800 °C). Esta tecnoloxía ten o potencial de conseguir unha baixa concentración de portadores e mobilidade de electróns a altas e baixas temperaturas, polo que é de gran importancia para a realización de dispositivos de potencia β-Ga2O3 de alto rendemento. En comparación co método de crecemento MBE, a MOCVD ten a vantaxe de conseguir taxas de crecemento moi altas de películas de β-Ga2O3 debido ás características do crecemento a alta temperatura e ás reaccións químicas.
Figura 7 Imaxe AFM β-Ga2O3 (010).
Figura 8 β-Ga2O3 A relación entre μ e a resistencia da lámina medida por Hall e a temperatura
2.3 Método HVPE
O HVPE é unha tecnoloxía epitaxial madura e utilizouse amplamente no crecemento epitaxial de semicondutores compostos III-V. O HVPE é coñecido polo seu baixo custo de produción, a súa rápida taxa de crecemento e o seu alto grosor de película. Cómpre sinalar que o HVPEβ-Ga2O3 adoita presentar unha morfoloxía superficial rugosa e unha alta densidade de defectos e pozos superficiais. Polo tanto, requírense procesos de pulido químico e mecánico antes de fabricar o dispositivo. A tecnoloxía HVPE para a epitaxia de β-Ga2O3 adoita usar GaCl e O2 gasosos como precursores para promover a reacción a alta temperatura da matriz (001) β-Ga2O3. A figura 9 mostra o estado da superficie e a taxa de crecemento da película epitaxial en función da temperatura. Nos últimos anos, a xaponesa Novel Crystal Technology Inc. acadou un éxito comercial significativo no HVPE homoepitaxial β-Ga2O3, con grosores de capa epitaxia de 5 a 10 μm e tamaños de oblea de 2 e 4 polgadas. Ademais, as obleas homoepitaxiales de HVPE β-Ga2O3 de 20 μm de grosor producidas por China Electronics Technology Group Corporation tamén entraron na fase de comercialización.
Figura 9 Método HVPE β-Ga2O3
2.4 Método PLD
A tecnoloxía PLD úsase principalmente para depositar películas de óxido complexas e heteroestruturas. Durante o proceso de crecemento PLD, a enerxía fotónica acópase ao material obxectivo a través do proceso de emisión de electróns. A diferenza do MBE, as partículas fonte PLD fórmanse mediante radiación láser con enerxía extremadamente alta (>100 eV) e posteriormente deposítanse sobre un substrato quentado. Non obstante, durante o proceso de ablación, algunhas partículas de alta enerxía impactarán directamente na superficie do material, creando defectos puntuais e reducindo así a calidade da película. De xeito similar ao método MBE, RHEED pódese usar para monitorizar a estrutura superficial e a morfoloxía do material en tempo real durante o proceso de deposición PLD de β-Ga2O3, o que permite aos investigadores obter información de crecemento con precisión. Espérase que o método PLD produza películas de β-Ga2O3 altamente condutoras, o que o converte nunha solución de contacto óhmico optimizada en dispositivos de alimentación de Ga2O3.
Figura 10 Imaxe AFM de Ga2O3 dopado con Si
2.5 Método MIST-CVD
A MIST-CVD é unha tecnoloxía de crecemento de películas finas relativamente sinxela e rendible. Este método CVD implica a reacción de pulverizar un precursor atomizado sobre un substrato para lograr a deposición de películas finas. Non obstante, ata o de agora, o Ga2O3 cultivado mediante CVD por néboa aínda carece de boas propiedades eléctricas, o que deixa moito espazo para melloras e optimizacións no futuro.
Data de publicación: 30 de maio de 2024