2. Crescimento de filme fino epitaxial
O substrato fornece uma camada de suporte físico ou camada condutora para dispositivos de energia de Ga₂O₂. A próxima camada importante é a camada de canal ou camada epitaxial, usada para resistência à tensão e transporte de portadores. Para aumentar a tensão de ruptura e minimizar a resistência à condução, espessura e concentração de dopagem controláveis, bem como a qualidade ideal do material, são alguns pré-requisitos. Camadas epitaxiais de Ga₂O₂ de alta qualidade são tipicamente depositadas usando epitaxia por feixe molecular (MBE), deposição química de vapor orgânico metálico (MOCVD), deposição de vapor de haleto (HVPE), deposição a laser pulsado (PLD) e técnicas de deposição baseadas em CVD de névoa.
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 livres de defeitos, com dopagem 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 amplamente estudadas e potencialmente comercializadas. Além disso, o método MBE também preparou com sucesso uma camada de filme fino de β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 de heteroestrutura de alta qualidade e baixa dopagem. O MBE pode monitorar a estrutura e a morfologia da superfície em tempo real com precisão de camada atômica usando difração de elétrons de alta energia por reflexão (RHEED). No entanto, filmes de β-Ga2O3 cultivados usando a tecnologia MBE ainda enfrentam muitos desafios, como baixa taxa de crescimento e pequeno tamanho de filme. O estudo descobriu que a taxa de crescimento foi da ordem de (010) > (001) > (−201) > (100). Sob condições levemente ricas em Ga de 650 a 750 °C, β-Ga2O3 (010) exibe crescimento ótimo com uma superfície lisa e alta taxa de crescimento. Usando este método, a epitaxia de β-Ga2O3 foi alcançada com sucesso com uma rugosidade RMS de 0,1 nm. β-Ga2O3 Em um ambiente rico em Ga, filmes de MBE cultivados em diferentes temperaturas são mostrados na figura. A Novel Crystal Technology Inc. produziu epitaxialmente com sucesso wafers de β-Ga2O3MBE de 10 × 15 mm2. Eles fornecem substratos monocristais de β-Ga2O3 orientados (010) de alta qualidade com uma espessura de 500 μm e XRD FWHM abaixo de 150 segundos de arco. O substrato é dopado com Sn ou dopado com Fe. O substrato condutor dopado com Sn tem uma concentração de dopagem de 1E18 a 9E18cm−3, enquanto o substrato semi-isolante dopado com ferro tem uma resistividade maior que 10E10 Ω cm.
2.2 Método MOCVD
O MOCVD utiliza compostos orgânicos metálicos como materiais precursores para o crescimento de filmes finos, alcançando assim a produção comercial em larga escala. No cultivo de Ga2O3 pelo método MOCVD, trimetilgálio (TMGa), trietilgálio (TEGa) e Ga (formato de dipentilglicol) são geralmente utilizados como fonte de Ga, enquanto H2O, O2 ou N2O são utilizados como fonte de oxigênio. O crescimento utilizando este método geralmente requer altas temperaturas (>800°C). Esta tecnologia tem o potencial de atingir baixa concentração de portadores e mobilidade eletrônica em altas e baixas temperaturas, sendo de grande importância para a realização de dispositivos de potência de β-Ga2O3 de alto desempenho. Comparado ao método de crescimento MBE, o MOCVD tem a vantagem de atingir taxas de crescimento muito altas de 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 da folha medida por Hall e temperatura
2.3 Método HVPE
A HVPE é uma tecnologia epitaxial madura e tem sido amplamente utilizada no crescimento epitaxial de semicondutores compostos III-V. A HVPE é conhecida por seu baixo custo de produção, rápida taxa de crescimento e alta espessura de filme. Deve-se notar que a HVPEβ-Ga2O3 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 de β-Ga2O3 (001). A Figura 9 mostra a condição da superfície e a taxa de crescimento do filme epitaxial em função da temperatura. Nos últimos anos, a Novel Crystal Technology Inc., do Japão, obteve sucesso comercial significativo com o β-Ga2O3 homoepitaxial de 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 HVPE β-Ga2O3 com 20 μm de espessura, produzidos pela China Electronics Technology Group Corporation, também entraram em fase de comercialização.
Figura 9 Método HVPE β-Ga2O3
2.4 Método PLD
A tecnologia PLD é usada principalmente para depositar filmes de óxidos complexos e heteroestruturas. Durante o processo de crescimento do PLD, a energia do fóton é acoplada ao material alvo por meio do processo de emissão de elétrons. Em contraste com o MBE, as partículas da fonte PLD são formadas por radiação laser com energia extremamente alta (> 100 eV) e subsequentemente depositadas em um substrato aquecido. No entanto, durante o processo de ablação, algumas partículas de alta energia impactarão diretamente a superfície do material, criando defeitos pontuais e, portanto, reduzindo a qualidade do filme. Semelhante ao método MBE, o RHEED pode ser usado para monitorar a estrutura da superfície e a morfologia do material em tempo real durante o processo de deposição de β-Ga2O3 do PLD, permitindo que os pesquisadores obtenham informações de crescimento com precisão. Espera-se que o método PLD cresça filmes de β-Ga2O3 altamente condutores, tornando-o uma solução de contato ôhmico otimizada em dispositivos de energia Ga2O3.
Figura 10 Imagem AFM de Ga2O3 dopado com Si
2.5 Método MIST-CVD
MIST-CVD é uma tecnologia de crescimento de filmes finos relativamente simples e econômica. Este método de CVD envolve a reação de pulverização de um precursor atomizado sobre um substrato para obter a deposição de um filme fino. No entanto, até o momento, o Ga₂O₂ cultivado usando CVD por névoa ainda carece de boas propriedades elétricas, o que deixa muito espaço para melhorias e otimização no futuro.
Horário de publicação: 30 de maio de 2024