2. Crescimento epitaxial de filmes finos
O substrato fornece uma camada de suporte físico ou camada condutora para dispositivos de potência de Ga2O3. A próxima camada importante é a camada de canal ou camada epitaxial, utilizada para resistência à tensão e transporte de portadores. Para aumentar a tensão de ruptura e minimizar a resistência de condução, a espessura e a concentração de dopagem controláveis, bem como a qualidade ideal do material, são alguns pré-requisitos. Camadas epitaxiais de Ga2O3 de alta qualidade são tipicamente depositadas utilizando técnicas de deposição baseadas em epitaxia por feixe molecular (MBE), deposição química de vapor metalorgânica (MOCVD), deposição de vapor de haleto (HVPE), deposição por laser pulsado (PLD) e névoa CVD.
Tabela 2. Algumas tecnologias epitaxiais representativas.
2.1 Método MBE
A tecnologia MBE é reconhecida por sua capacidade de produzir filmes de β-Ga₂O₃ de alta qualidade e sem defeitos, com dopagem do tipo n controlável, devido ao seu ambiente de ultra-alto vácuo e alta pureza do material. Como resultado, tornou-se uma das tecnologias de deposição de filmes finos de β-Ga₂O₃ mais estudadas e com potencial para comercialização. Além disso, o método MBE também preparou com sucesso uma camada fina de heteroestrutura β-(AlₓGa₁₋ₓ)₂O₃/Ga₂O₃ de alta qualidade e baixa dopagem. A MBE permite monitorar a estrutura e a morfologia da superfície em tempo real com precisão em nível atômico, utilizando difração de elétrons de alta energia por reflexão (RHEED). No entanto, os filmes de β-Ga₂O₃ crescidos utilizando a tecnologia MBE ainda enfrentam muitos desafios, como baixa taxa de crescimento e tamanho reduzido. O estudo constatou que a taxa de crescimento seguiu a ordem (010) > (001) > (−201) > (100). Em condições ligeiramente ricas em gálio, entre 650 e 750 °C, o β-Ga₂O₃ (010) apresenta crescimento ótimo, com superfície lisa e alta taxa de crescimento. Utilizando este método, a epitaxia de β-Ga₂O₃ foi alcançada com sucesso, com uma rugosidade RMS de 0,1 nm. Filmes de β-Ga₂O₃ crescidos por MBE em um ambiente rico em gálio, em diferentes temperaturas, são mostrados na figura. A Novel Crystal Technology Inc. produziu com sucesso wafers de β-Ga₂O₃ por MBE com dimensões de 10 × 15 mm². Eles fornecem substratos monocristalinos de β-Ga₂O₃ orientados em (010) de alta qualidade, com espessura de 500 μm e largura de pico a meia altura (FWHM) de difração de raios X (DRX) inferior a 150 segundos de arco. O substrato é dopado com estanho (Sn) ou ferro (Fe). O substrato condutor dopado com Sn apresenta uma concentração de dopagem de 1E18 a 9E18cm−3, enquanto o substrato semi-isolante dopado com ferro apresenta uma resistividade superior a 10E10 Ω cm.
2.2 Método MOCVD
A deposição química em fase vapor metalorgânica (MOCVD) utiliza compostos organometálicos como materiais precursores para o crescimento de filmes finos, possibilitando a produção comercial em larga escala. No crescimento de Ga₂O₃ pelo método MOCVD, trimetilgálio (TMGa), trietilgálio (TEGa) e gálio (formato de dipentilglicol) são geralmente utilizados como fontes de gálio, enquanto H₂O, O₂ ou N₂O são utilizados como fontes de oxigênio. O crescimento por este método geralmente requer altas temperaturas (>800 °C). Esta tecnologia tem o potencial de alcançar baixa concentração de portadores e alta mobilidade eletrônica em baixas e altas temperaturas, sendo, portanto, de grande importância para a obtenção de dispositivos de potência de β-Ga₂O₃ de alto desempenho. Comparado ao método de crescimento por epitaxia por feixe molecular (MBE), o MOCVD apresenta a vantagem de alcançar taxas de crescimento muito altas para filmes de β-Ga₂O₃ devido às características de crescimento em alta temperatura e reações químicas.
Figura 7 Imagem AFM de β-Ga2O3 (010)
Figura 8 β-Ga2O3 A relação entre μ e a resistência de folha medida pelo efeito Hall e a temperatura
2.3 Método HVPE
A tecnologia HVPE é uma tecnologia epitaxial consolidada e amplamente utilizada no crescimento epitaxial de semicondutores compostos III-V. A HVPE é conhecida por seu baixo custo de produção, alta taxa de crescimento e elevada espessura de filme. Deve-se notar que o β-Ga₂O₃ obtido por HVPE geralmente apresenta morfologia de superfície rugosa e alta densidade de defeitos e cavidades superficiais. Portanto, processos de polimento químico e mecânico são necessários antes da fabricação do dispositivo. A tecnologia HVPE para epitaxia de β-Ga₂O₃ geralmente utiliza GaCl e O₂ gasosos como precursores para promover a reação em alta temperatura da matriz (001) de β-Ga₂O₃. A Figura 9 mostra a condição da superfície e a taxa de crescimento do filme epitaxial em função da temperatura. Nos últimos anos, a empresa japonesa Novel Crystal Technology Inc. obteve sucesso comercial significativo com a produção homoepitaxial de β-Ga₂O₃ por HVPE, com espessuras de camada epitaxial de 5 a 10 μm e tamanhos de wafer de 2 e 4 polegadas. Além disso, wafers homoepitaxiais de β-Ga2O3 com 20 μm de espessura, produzidos pela China Electronics Technology Group Corporation por meio da tecnologia HVPE, também entraram na fase de comercialização.
Figura 9 Método HVPE β-Ga2O3
2.4 Método PLD
A tecnologia PLD é utilizada principalmente para depositar filmes e heteroestruturas de óxidos complexos. Durante o processo de crescimento por PLD, a energia do fóton é acoplada ao material alvo por meio do processo de emissão de elétrons. Ao contrário da MBE, as partículas da fonte PLD são formadas por radiação laser com energia extremamente alta (>100 eV) e, posteriormente, depositadas em um substrato aquecido. No entanto, durante o processo de ablação, algumas partículas de alta energia impactam diretamente a superfície do material, criando defeitos pontuais e, consequentemente, reduzindo a qualidade do filme. De forma semelhante ao método MBE, a RHEED pode ser utilizada para monitorar a estrutura e a morfologia da superfície do material em tempo real durante o processo de deposição de β-Ga₂O₃ por PLD, permitindo que os pesquisadores obtenham informações precisas sobre o crescimento. Espera-se que o método PLD produza filmes de β-Ga₂O₃ altamente condutores, tornando-o uma solução otimizada para contatos ôhmicos em dispositivos de potência de Ga₂O₃.
Figura 10 Imagem AFM de Ga2O3 dopado com Si
2.5 Método MIST-CVD
A tecnologia MIST-CVD é uma forma relativamente simples e econômica de crescimento de filmes finos. Esse método de CVD envolve a pulverização de um precursor atomizado sobre um substrato para obter a deposição do filme fino. No entanto, até o momento, o Ga₂O₃ crescido por meio de CVD por névoa ainda apresenta propriedades elétricas deficientes, o que indica um amplo espaço para melhorias e otimizações futuras.
Data de publicação: 30 de maio de 2024