2. Crescita di film sottili epitassiali
Il substrato fornisce uno strato di supporto fisico o uno strato conduttivo per i dispositivi di potenza a base di Ga2O3. Il successivo strato importante è lo strato di canale o strato epitassiale, utilizzato per la resistenza di tensione e il trasporto dei portatori. Per aumentare la tensione di breakdown e minimizzare la resistenza di conduzione, sono necessari spessori e concentrazioni di drogaggio controllabili, nonché una qualità ottimale del materiale. Strati epitassiali di Ga2O3 di alta qualità vengono tipicamente depositati utilizzando tecniche di deposizione basate su epitassia a fascio molecolare (MBE), deposizione chimica da vapore metallo-organica (MOCVD), deposizione da vapore di alogenuri (HVPE), deposizione laser pulsata (PLD) e deposizione CVD a nebbia.
Tabella 2 Alcune tecnologie epitassiali rappresentative
2.1 Metodo MBE
La tecnologia MBE è rinomata per la sua capacità di sviluppare film di β-Ga2O3 di alta qualità e privi di difetti con drogaggio di tipo n controllabile, grazie al suo 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 commercializzate. Inoltre, il metodo MBE ha anche preparato con successo uno strato di film sottile eterostrutturato di β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 di alta qualità e a basso drogaggio. MBE consente di monitorare la struttura e la morfologia superficiale in tempo reale con precisione atomica utilizzando la diffrazione elettronica ad alta energia (RHEED) per riflessione. Tuttavia, i film di β-Ga2O3 sviluppati con la tecnologia MBE devono ancora affrontare numerose 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 di (010)>(001)>(−201)>(100). In condizioni leggermente ricche di Ga da 650 a 750 °C, β-Ga2O3 (010) mostra una crescita ottimale con una superficie liscia e un'elevata velocità di crescita. Utilizzando questo metodo, l'epitassia di β-Ga2O3 è stata ottenuta con successo con una rugosità RMS di 0,1 nm. β-Ga2O3 In un ambiente ricco di Ga, i film MBE cresciuti a diverse temperature sono mostrati nella figura. Novel Crystal Technology Inc. ha prodotto con successo in modo epitassiale wafer di β-Ga2O3MBE da 10 × 15 mm2. Forniscono substrati monocristallini di β-Ga2O3 orientati (010) di alta qualità con uno spessore di 500 μm e FWHM XRD inferiore a 150 secondi d'arco. Il substrato è drogato con Sn o 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 organici metallici come materiali precursori per la crescita di film sottili, consentendo così una produzione commerciale su larga scala. Nella crescita di Ga₂O₂ con il metodo MOCVD, si utilizzano solitamente trimetilgallio (TMGa), trietilgallio (TEGa) e Ga (formiato di dipentilglicole) come fonte di Ga, mentre H₂O, O₂ o N₂O come fonte di ossigeno. La crescita con questo metodo richiede generalmente temperature elevate (>800 °C). Questa tecnologia ha il potenziale per raggiungere basse concentrazioni di portatori e mobilità elettronica ad alta e bassa temperatura, quindi è di grande importanza per la realizzazione di dispositivi di potenza a β-Ga₂O₂ ad alte prestazioni. Rispetto al metodo di crescita MBE, la MOCVD offre il vantaggio di raggiungere velocità di crescita molto elevate di film di β-Ga₂O₂ 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 del foglio misurata da Hall e temperatura
2.3 Metodo HVPE
L'HVPE è una tecnologia epitassiale matura ed è stata ampiamente utilizzata nella crescita epitassiale di semiconduttori composti III-V. L'HVPE è noto per i suoi bassi costi di produzione, la rapida velocità di crescita e l'elevato spessore del film. È importante notare che l'HVPEβ-Ga2O3 presenta solitamente una morfologia superficiale ruvida e un'elevata densità di difetti superficiali e cavità. Pertanto, sono necessari processi di lucidatura chimica e meccanica prima della produzione del dispositivo. La tecnologia HVPE per l'epitassia di β-Ga2O3 utilizza solitamente GaCl e O2 gassosi come precursori per promuovere la reazione ad alta temperatura della matrice (001)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 con l'HVPE omoepitassiale di β-Ga2O3, con spessori dello strato epitassiale da 5 a 10 μm e dimensioni dei wafer da 2 a 4 pollici. Sono inoltre entrati nella fase di commercializzazione i wafer omoepitassiali HVPE β-Ga2O3 da 20 μm di spessore prodotti da China Electronics Technology Group Corporation.
Figura 9 Metodo HVPE β-Ga2O3
2.4 Metodo PLD
La tecnologia PLD viene utilizzata principalmente per depositare film di ossidi complessi ed eterostrutture. Durante il processo di crescita PLD, l'energia dei fotoni viene accoppiata al materiale bersaglio attraverso il processo di emissione di elettroni. A differenza dell'MBE, le particelle sorgente PLD vengono formate da radiazioni laser ad altissima energia (>100 eV) e successivamente depositate su un substrato riscaldato. Tuttavia, durante il processo di ablazione, alcune particelle ad alta energia impatteranno direttamente sulla superficie del materiale, creando difetti puntiformi e riducendo così la qualità del film. Analogamente al metodo MBE, la tecnologia 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-Ga₂O₂, consentendo ai ricercatori di ottenere informazioni accurate sulla crescita. Si prevede che il metodo PLD consenta la crescita di film di β-Ga₂O₂ altamente conduttivi, rendendolo una soluzione di contatto ohmico ottimizzata nei dispositivi di potenza a Ga₂O₂.
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 film sottili. Tuttavia, finora, il Ga₂O₂ coltivato con la tecnica CVD a nebbia non presenta ancora buone proprietà elettriche, il che lascia ampio margine di miglioramento e ottimizzazione in futuro.
Data di pubblicazione: 30 maggio 2024