2. Crecimiento epitaxial de película delgada.
El sustrato proporciona una capa de soporte físico o capa conductora para dispositivos de potencia de Ga2O3. La siguiente capa importante es la capa de canal o capa epitaxial utilizada para la resistencia de voltaje y el transporte de portadoras. Para aumentar el voltaje de ruptura y minimizar la resistencia de conducción, algunos requisitos previos son un espesor controlable y una concentración de dopaje, así como una calidad óptima del material. Las capas epitaxiales de Ga2O3 de alta calidad generalmente se depositan mediante técnicas de epitaxia por haz molecular (MBE), deposición química de vapor orgánico metálico (MOCVD), deposición de vapor de haluro (HVPE), deposición por láser pulsado (PLD) y técnicas de deposición basadas en niebla CVD.
Tabla 2 Algunas tecnologías epitaxiales representativas
2.1 método MBE
La tecnología MBE es reconocida por su capacidad para producir películas de β-Ga2O3 de alta calidad y sin defectos con dopaje de tipo n controlable debido a su entorno de vacío ultra alto y su alta pureza del material. Como resultado, se ha convertido en una de las tecnologías de deposición de películas delgadas de β-Ga2O3 más estudiadas y potencialmente comercializadas. Además, el método MBE también preparó con éxito una capa de película delgada de heteroestructura β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 de alta calidad y bajo dopado. MBE puede monitorear la estructura y morfología de la superficie en tiempo real con precisión de capa atómica mediante el uso de difracción de electrones de alta energía por reflexión (RHEED). Sin embargo, las películas de β-Ga2O3 cultivadas con tecnología MBE todavía enfrentan muchos desafíos, como una baja tasa de crecimiento y un tamaño de película pequeño. El estudio encontró que la tasa de crecimiento era del orden de (010)>(001)>(−201)>(100). En condiciones ligeramente ricas en Ga de 650 a 750 °C, β-Ga2O3 (010) exhibe un crecimiento óptimo con una superficie lisa y una alta tasa de crecimiento. Utilizando este método, se logró con éxito la epitaxia de β-Ga2O3 con una rugosidad RMS de 0,1 nm. β-Ga2O3 En un ambiente rico en Ga, en la figura se muestran películas de MBE cultivadas a diferentes temperaturas. Novel Crystal Technology Inc. ha producido con éxito epitaxialmente obleas de β-Ga2O3MBE de 10 × 15 mm2. Proporcionan sustratos monocristalinos de β-Ga2O3 orientados (010) de alta calidad con un espesor de 500 μm y XRD FWHM por debajo de 150 segundos de arco. El sustrato está dopado con Sn o Fe. El sustrato conductor dopado con Sn tiene una concentración de dopaje de 1E18 a 9E18cm-3, mientras que el sustrato semiaislante dopado con hierro tiene una resistividad superior a 10E10 Ω cm.
2.2 método MOCVD
MOCVD utiliza compuestos orgánicos metálicos como materiales precursores para desarrollar películas delgadas, logrando así una producción comercial a gran escala. Cuando se cultiva Ga2O3 mediante el método MOCVD, normalmente se utilizan trimetilgalio (TMGa), trietilgalio (TEGa) y Ga (formato de dipentilglicol) como fuente de Ga, mientras que H2O, O2 o N2O se utilizan como fuente de oxígeno. El crecimiento utilizando este método generalmente requiere altas temperaturas (>800°C). Esta tecnología tiene el potencial de lograr una baja concentración de portadores y movilidad de electrones a altas y bajas temperaturas, por lo que es de gran importancia para la realización de dispositivos de potencia de β-Ga2O3 de alto rendimiento. En comparación con el método de crecimiento MBE, MOCVD tiene la ventaja de lograr tasas de crecimiento muy altas de películas de β-Ga2O3 debido a las características del crecimiento a alta temperatura y las reacciones químicas.
Figura 7 Imagen AFM de β-Ga2O3 (010)
Figura 8 β-Ga2O3 La relación entre μ y la resistencia de la lámina medida por Hall y la temperatura
2.3 Método HVPE
HVPE es una tecnología epitaxial madura y se ha utilizado ampliamente en el crecimiento epitaxial de semiconductores compuestos III-V. El HVPE es conocido por su bajo costo de producción, su rápida tasa de crecimiento y su alto espesor de película. Cabe señalar que HVPEβ-Ga2O3 generalmente presenta una morfología superficial rugosa y una alta densidad de defectos y picaduras en la superficie. Por tanto, se requieren procesos de pulido químico y mecánico antes de fabricar el dispositivo. La tecnología HVPE para la epitaxia de β-Ga2O3 generalmente utiliza GaCl y O2 gaseosos como precursores para promover la reacción a alta temperatura de la matriz (001) de β-Ga2O3. La Figura 9 muestra el estado de la superficie y la tasa de crecimiento de la película epitaxial en función de la temperatura. En los últimos años, Novel Crystal Technology Inc. de Japón ha logrado un éxito comercial significativo en β-Ga2O3 homoepitaxial HVPE, con espesores de capa epitaxial de 5 a 10 μm y tamaños de oblea de 2 y 4 pulgadas. Además, las obleas homoepitaxiales HVPE β-Ga2O3 de 20 μm de espesor producidas por China Electronics Technology Group Corporation también han entrado en la etapa de comercialización.
Figura 9 Método HVPE β-Ga2O3
2.4 método PLD
La tecnología PLD se utiliza principalmente para depositar películas y heteroestructuras de óxido complejas. Durante el proceso de crecimiento del PLD, la energía de los fotones se acopla al material objetivo mediante el proceso de emisión de electrones. A diferencia de MBE, las partículas fuente de PLD se forman mediante radiación láser con una energía extremadamente alta (>100 eV) y posteriormente se depositan sobre un sustrato calentado. Sin embargo, durante el proceso de ablación, algunas partículas de alta energía impactarán directamente en la superficie del material, creando defectos puntuales y reduciendo así la calidad de la película. De manera similar al método MBE, RHEED se puede utilizar para monitorear la estructura de la superficie y la morfología del material en tiempo real durante el proceso de deposición de PLD β-Ga2O3, lo que permite a los investigadores obtener información de crecimiento con precisión. Se espera que el método PLD produzca películas de β-Ga2O3 altamente conductoras, lo que lo convierte en una solución de contacto óhmico optimizada en dispositivos de potencia de Ga2O3.
Figura 10 Imagen AFM de Ga2O3 dopado con Si
2.5 Método MIST-CVD
MIST-CVD es una tecnología de crecimiento de película delgada relativamente simple y rentable. Este método CVD implica la reacción de rociar un precursor atomizado sobre un sustrato para lograr la deposición de una película delgada. Sin embargo, hasta ahora, el Ga2O3 cultivado mediante niebla CVD todavía carece de buenas propiedades eléctricas, lo que deja mucho margen de mejora y optimización en el futuro.
Hora de publicación: 30 de mayo de 2024