3. Croissance de couches minces épitaxiales
Le substrat fournit une couche de support physique ou une couche conductrice pour des dispositifs électriques Ga2O3. La prochaine couche importante est la couche de canal ou couche épitaxiale utilisée pour la résistance à la tension et le transport des porteurs. Afin d'augmenter la tension de claquage et de minimiser la résistance de conduction, une épaisseur et une concentration de dopage contrôlables, ainsi qu'une qualité de matériau optimale, sont des conditions préalables. Les couches épitaxiales Ga2O3 de haute qualité sont généralement déposées à l'aide de techniques d'épitaxie par jet moléculaire (MBE), de dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD), de dépôt en phase vapeur aux halogénures (HVPE), de dépôt par laser pulsé (PLD) et de dépôt par brouillard CVD.
Tableau 2 Quelques technologies épitaxiales représentatives
3.1 Méthode MBE
La technologie MBE est réputée pour sa capacité à produire des films β-Ga2O3 de haute qualité et sans défauts avec un dopage de type N contrôlable en raison de son environnement sous ultra-vide et de la haute pureté des matériaux. En conséquence, elle est devenue l’une des technologies de dépôt de couches minces de β-Ga2O3 les plus étudiées et potentiellement commercialisées. De plus, la méthode MBE a également permis de préparer avec succès une couche mince d’hétérostructure β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 de haute qualité et faiblement dopée. MBE peut surveiller la structure et la morphologie de la surface en temps réel avec une précision de couche atomique en utilisant la diffraction électronique à haute énergie par réflexion (RHEED). Cependant, les films β-Ga2O3 cultivés à l’aide de la technologie MBE sont encore confrontés à de nombreux défis, tels qu’un faible taux de croissance et une petite taille de film. L'étude a révélé que le taux de croissance était de l'ordre de (010)>(001)>(−201)>(100). Dans des conditions légèrement riches en Ga, entre 650 et 750°C, le β-Ga2O3 (010) présente une croissance optimale avec une surface lisse et un taux de croissance élevé. Grâce à cette méthode, l’épitaxie β-Ga2O3 a été réalisée avec succès avec une rugosité RMS de 0,1 nm. β-Ga2O3 Dans un environnement riche en Ga, les films MBE cultivés à différentes températures sont présentés sur la figure. Novel Crystal Technology Inc. a produit avec succès par épitaxie des tranches de β-Ga2O3MBE de 10 × 15 mm2. Ils fournissent des substrats monocristallins β-Ga2O3 orientés de haute qualité (010) avec une épaisseur de 500 μm et un XRD FWHM inférieur à 150 secondes d'arc. Le substrat est dopé au Sn ou au Fe. Le substrat conducteur dopé au Sn présente une concentration de dopage de 1E18 à 9E18cm−3, tandis que le substrat semi-isolant dopé au fer présente une résistivité supérieure à 10E10 Ω cm.
3.2 Méthode MOCVD
MOCVD utilise des composés organométalliques comme matériaux précurseurs pour faire croître des films minces, réalisant ainsi une production commerciale à grande échelle. Lors de la culture de Ga2O3 à l'aide de la méthode MOCVD, le triméthylgallium (TMGa), le triéthylgallium (TEGa) et le Ga (formate de dipentylglycol) sont généralement utilisés comme source de Ga, tandis que H2O, O2 ou N2O sont utilisés comme source d'oxygène. La culture selon cette méthode nécessite généralement des températures élevées (>800°C). Cette technologie a le potentiel d’atteindre une faible concentration de porteurs et une mobilité électronique à haute et basse température, elle revêt donc une grande importance pour la réalisation de dispositifs d’alimentation en β-Ga2O3 hautes performances. Par rapport à la méthode de croissance MBE, le MOCVD présente l’avantage d’atteindre des taux de croissance très élevés des films β-Ga2O3 en raison des caractéristiques de croissance à haute température et des réactions chimiques.
Figure 7 Image AFM β-Ga2O3 (010)
Figure 8 β-Ga2O3 La relation entre la résistance µ et la feuille mesurée par Hall et la température
3.3 Méthode HVPE
Le HVPE est une technologie épitaxiale mature et a été largement utilisée dans la croissance épitaxiale de semi-conducteurs composés III-V. Le HVPE est connu pour son faible coût de production, son taux de croissance rapide et son épaisseur de film élevée. Il convient de noter que le HVPEβ-Ga2O3 présente généralement une morphologie de surface rugueuse et une densité élevée de défauts et de piqûres de surface. Par conséquent, des processus de polissage chimique et mécanique sont nécessaires avant de fabriquer l’appareil. La technologie HVPE pour l'épitaxie β-Ga2O3 utilise généralement du GaCl et de l'O2 gazeux comme précurseurs pour favoriser la réaction à haute température de la matrice (001) β-Ga2O3. La figure 9 montre l'état de surface et le taux de croissance du film épitaxial en fonction de la température. Ces dernières années, la société japonaise Novel Crystal Technology Inc. a obtenu un succès commercial significatif dans le domaine du β-Ga2O3 homoépitaxial HVPE, avec des épaisseurs de couche épitaxiale de 5 à 10 μm et des tailles de tranches de 2 et 4 pouces. En outre, des tranches homoépitaxiales HVPE β-Ga2O3 de 20 µm d'épaisseur produites par China Electronics Technology Group Corporation sont également entrées dans la phase de commercialisation.
Figure 9 Méthode HVPE β-Ga2O3
3.4 Méthode PLD
La technologie PLD est principalement utilisée pour déposer des films d’oxydes complexes et des hétérostructures. Au cours du processus de croissance du PLD, l'énergie des photons est couplée au matériau cible via le processus d'émission d'électrons. Contrairement au MBE, les particules sources PLD sont formées par un rayonnement laser à énergie extrêmement élevée (> 100 eV) et ensuite déposées sur un substrat chauffé. Cependant, lors du processus d’ablation, certaines particules à haute énergie impacteront directement la surface du matériau, créant des défauts ponctuels et réduisant ainsi la qualité du film. Semblable à la méthode MBE, RHEED peut être utilisé pour surveiller la structure de surface et la morphologie du matériau en temps réel pendant le processus de dépôt PLD β-Ga2O3, permettant aux chercheurs d’obtenir avec précision des informations sur la croissance. La méthode PLD devrait permettre de produire des films β-Ga2O3 hautement conducteurs, ce qui en fait une solution de contact ohmique optimisée dans les dispositifs électriques au Ga2O3.
Figure 10 Image AFM de Ga2O3 dopé au Si
3.5 Méthode MIST-CVD
MIST-CVD est une technologie de croissance de couches minces relativement simple et rentable. Cette méthode CVD implique la réaction de pulvérisation d’un précurseur atomisé sur un substrat pour réaliser un dépôt de film mince. Cependant, jusqu’à présent, le Ga2O3 cultivé par CVD par brouillard manque encore de bonnes propriétés électriques, ce qui laisse beaucoup de place à l’amélioration et à l’optimisation dans le futur.
Heure de publication : 30 mai 2024