2. Crescita epitassiale di film sottili
Il substrato fornisce uno strato di supporto fisico o strato conduttivo per i dispositivi di potenza in Ga2O3. Il successivo strato importante è lo strato di canale o strato epitassiale utilizzato per la resistenza di tensione e il trasporto dei portatori di carica. Per aumentare la tensione di rottura e minimizzare la resistenza di conduzione, sono necessari uno spessore e una concentrazione di drogaggio controllabili, nonché una qualità ottimale del materiale. Gli strati epitassiali di Ga2O3 di alta qualità vengono tipicamente depositati utilizzando tecniche di deposizione basate su epitassia a fascio molecolare (MBE), deposizione chimica da fase vapore metallorganica (MOCVD), deposizione da vapore di alogenuri (HVPE), deposizione laser pulsata (PLD) e CVD a nebbia.
Tabella 2 Alcune tecnologie epitassiali rappresentative
2.1 Metodo MBE
La tecnologia MBE è rinomata per la sua capacità di far crescere film di β-Ga2O3 di alta qualità e privi di difetti, con drogaggio di tipo n controllabile, grazie all'ambiente di ultra-alto vuoto e all'elevata purezza del materiale. Di conseguenza, è diventata una delle tecnologie di deposizione di film sottili di β-Ga2O3 più studiate e potenzialmente commercializzabili. Inoltre, il metodo MBE ha anche preparato con successo uno strato sottile di eterostruttura β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 di alta qualità e a basso drogaggio. L'MBE consente di monitorare la struttura e la morfologia superficiale in tempo reale con precisione a livello atomico utilizzando la diffrazione di elettroni ad alta energia per riflessione (RHEED). Tuttavia, i film di β-Ga2O3 cresciuti con la tecnologia MBE presentano ancora molte sfide, come la bassa velocità di crescita e le piccole dimensioni del film. Lo studio ha rilevato che la velocità di crescita era nell'ordine (010)>(001)>(−201)>(100). In condizioni leggermente ricche di Ga a temperature comprese tra 650 e 750 °C, il β-Ga2O3 (010) presenta una crescita ottimale con una superficie liscia e un'elevata velocità di crescita. Utilizzando questo metodo, è stata ottenuta con successo l'epitassia del β-Ga2O3 con una rugosità RMS di 0,1 nm. Nella figura sono mostrati i film MBE di β-Ga2O3 cresciuti a diverse temperature in un ambiente ricco di Ga. Novel Crystal Technology Inc. ha prodotto con successo, tramite epitassia, wafer MBE di β-Ga2O3 da 10 × 15 mm². Forniscono substrati monocristallini di β-Ga2O3 orientati (010) di alta qualità con uno spessore di 500 μm e FWHM di diffrazione a raggi X inferiore a 150 secondi d'arco. Il substrato è drogato con Sn o con Fe. Il substrato conduttivo drogato con Sn ha una concentrazione di drogaggio da 1E18 a 9E18cm−3, mentre il substrato semi-isolante drogato con ferro ha una resistività superiore a 10E10 Ω cm.
2.2 Metodo MOCVD
La MOCVD utilizza composti organometallici come materiali precursori per la crescita di film sottili, consentendo così la produzione commerciale su larga scala. Nella crescita di Ga2O3 con il metodo MOCVD, il trimetilgallio (TMGa), il trietilgallio (TEGa) e il Ga (formiato di dipentilglicole) vengono solitamente utilizzati come fonte di Ga, mentre H2O, O2 o N2O vengono utilizzati come fonte di ossigeno. La crescita con questo metodo richiede generalmente temperature elevate (>800 °C). Questa tecnologia ha il potenziale per ottenere una bassa concentrazione di portatori di carica e un'elevata mobilità elettronica sia ad alte che a basse temperature, pertanto riveste grande importanza per la realizzazione di dispositivi di potenza a β-Ga2O3 ad alte prestazioni. Rispetto al metodo di crescita MBE, la MOCVD presenta il vantaggio di raggiungere velocità di crescita molto elevate dei film di β-Ga2O3 grazie alle caratteristiche di crescita ad alta temperatura e alle reazioni chimiche.
Figura 7 Immagine AFM β-Ga2O3 (010).
Figura 8 β-Ga2O3 La relazione tra μ e resistenza superficiale misurata tramite effetto Hall e temperatura
2.3 Metodo HVPE
La HVPE è una tecnologia epitassiale consolidata e ampiamente utilizzata nella crescita epitassiale di semiconduttori composti III-V. La HVPE è nota per i suoi bassi costi di produzione, l'elevata velocità di crescita e l'alto spessore del film. Va notato che il β-Ga2O3 ottenuto tramite HVPE presenta solitamente una morfologia superficiale ruvida e un'alta densità di difetti e cavità superficiali. Pertanto, sono necessari processi di lucidatura chimica e meccanica prima della fabbricazione del dispositivo. La tecnologia HVPE per l'epitassia del β-Ga2O3 utilizza solitamente GaCl e O2 gassosi come precursori per promuovere la reazione ad alta temperatura della matrice (001) di β-Ga2O3. La Figura 9 mostra le condizioni superficiali e la velocità di crescita del film epitassiale in funzione della temperatura. Negli ultimi anni, la giapponese Novel Crystal Technology Inc. ha ottenuto un significativo successo commerciale nella HVPE omoepitassiale di β-Ga2O3, con spessori dello strato epitassiale da 5 a 10 μm e dimensioni dei wafer da 2 e 4 pollici. Inoltre, anche i wafer omoepitassiali di β-Ga2O3 di spessore 20 μm prodotti da China Electronics Technology Group Corporation, realizzati mediante HVPE, sono entrati nella fase di commercializzazione.
Figura 9 Metodo HVPE β-Ga2O3
2.4 Metodo PLD
La tecnologia PLD viene utilizzata principalmente per depositare film di ossido complessi ed eterostrutture. Durante il processo di crescita PLD, l'energia dei fotoni viene accoppiata al materiale bersaglio attraverso un processo di emissione di elettroni. A differenza della MBE, le particelle sorgente PLD sono formate da radiazioni laser con energia estremamente elevata (>100 eV) e successivamente depositate su un substrato riscaldato. Tuttavia, durante il processo di ablazione, alcune particelle ad alta energia impattano direttamente sulla superficie del materiale, creando difetti puntiformi e riducendo quindi la qualità del film. Analogamente al metodo MBE, la RHEED può essere utilizzata per monitorare la struttura superficiale e la morfologia del materiale in tempo reale durante il processo di deposizione PLD di β-Ga2O3, consentendo ai ricercatori di ottenere informazioni accurate sulla crescita. Si prevede che il metodo PLD permetta di far crescere film di β-Ga2O3 altamente conduttivi, rendendolo una soluzione ottimizzata per i contatti ohmici nei dispositivi di potenza a base di Ga2O3.
Figura 10 Immagine AFM di Ga2O3 drogato con Si
2.5 Metodo MIST-CVD
La MIST-CVD è una tecnologia di crescita di film sottili relativamente semplice ed economica. Questo metodo CVD prevede la reazione di spruzzatura di un precursore atomizzato su un substrato per ottenere la deposizione di un film sottile. Tuttavia, finora, il Ga2O3 cresciuto utilizzando la MIST-CVD presenta ancora scarse proprietà elettriche, il che lascia ampio margine di miglioramento e ottimizzazione per il futuro.
Data di pubblicazione: 30 maggio 2024