Gran en pé oxidado e tecnoloxía de crecemento epitaxial-Ⅱ

2. Crecemento epitaxial de película fina

O substrato proporciona unha capa de soporte físico ou capa condutora para os dispositivos de potencia Ga2O3. A seguinte capa importante é a capa de canle ou capa epitaxial utilizada para a resistencia á tensión e o transporte de portadores. Para aumentar a tensión de avaría e minimizar a resistencia á condución, son algúns requisitos previos o espesor controlable e a concentración de dopaxe, así como unha calidade óptima do material. As capas epitaxiais de Ga2O3 de alta calidade adoitan depositarse mediante técnicas de epitaxia de feixe molecular (MBE), deposición de vapor químico orgánico metálico (MOCVD), deposición de vapor de haluros (HVPE), deposición de láser pulsado (PLD) e técnicas de deposición baseadas en néboa CVD.

Táboa 2 Algunhas tecnoloxías epitaxiais representativas

Método 2.1 MBE

A tecnoloxía MBE é coñecida pola súa capacidade de cultivar películas β-Ga2O3 de alta calidade e sen defectos con dopaxe de tipo n controlable debido ao seu ambiente de baleiro ultra alto e á súa elevada pureza do material. Como resultado, converteuse nunha das tecnoloxías de deposición de película fina de β-Ga2O3 máis estudadas e potencialmente comercializadas. Ademais, o método MBE tamén preparou con éxito unha capa de película fina de heteroestrutura β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 de alta calidade e baixo dopado. O MBE pode supervisar a estrutura e a morfoloxía da superficie en tempo real coa precisión da capa atómica mediante a difracción de electróns de alta enerxía de reflexión (RHEED). Non obstante, as películas de β-Ga2O3 cultivadas mediante a tecnoloxía MBE aínda afrontan moitos desafíos, como a baixa taxa de crecemento e o pequeno tamaño da película. O estudo descubriu que a taxa de crecemento era da orde de (010)>(001)>(−201)>(100). En condicións lixeiramente ricas en Ga de 650 a 750 °C, o β-Ga2O3 (010) presenta un crecemento óptimo cunha superficie lisa e unha alta taxa de crecemento. Usando este método, a epitaxia β-Ga2O3 logrouse con éxito cunha rugosidade RMS de 0,1 nm. β-Ga2O3 Nun ambiente rico en Ga, as películas de MBE cultivadas a diferentes temperaturas móstranse na figura. Novel Crystal Technology Inc. produciu epitaxialmente obleas β-Ga2O3MBE de 10 × 15 mm2. Proporcionan substratos monocristais orientados β-Ga2O3 de alta calidade (010) cun espesor de 500 μm e XRD FWHM por debaixo de 150 segundos de arco. O substrato está dopado con Sn ou dopado con Fe. O substrato condutor dopado con Sn ten unha concentración de dopaxe de 1E18 a 9E18cm−3, mentres que o substrato semiillante dopado con ferro ten unha resistividade superior a 10E10 Ω cm.

2.2 Método MOCVD

MOCVD utiliza compostos orgánicos metálicos como materiais precursores para facer crecer películas finas, logrando así unha produción comercial a gran escala. Cando se cultiva Ga2O3 mediante o método MOCVD, adoita utilizarse como fonte de Ga o trimetilgalio (TMGa), o trietilgalio (TEGa) e o Ga (formiato de dipentilglicol), mentres que H2O, O2 ou N2O úsanse como fonte de osíxeno. O crecemento mediante este método xeralmente require altas temperaturas (>800 °C). Esta tecnoloxía ten o potencial de acadar unha baixa concentración de portadores e unha mobilidade electrónica de alta e baixa temperatura, polo que é de gran importancia para a realización de dispositivos de potencia β-Ga2O3 de alto rendemento. En comparación co método de crecemento MBE, o MOCVD ten a vantaxe de acadar taxas de crecemento moi altas de películas β-Ga2O3 debido ás características do crecemento a alta temperatura e das reaccións químicas.

Figura 7 Imaxe AFM β-Ga2O3 (010).

Figura 8 β-Ga2O3 A relación entre μe a resistencia da folla medida por Hall e a temperatura

2.3 Método HVPE

HVPE é unha tecnoloxía epitaxial madura e foi amplamente utilizada no crecemento epitaxial de semicondutores compostos III-V. HVPE é coñecido polo seu baixo custo de produción, rápido crecemento e alto espesor de película. Hai que ter en conta que o HVPEβ-Ga2O3 adoita presentar unha morfoloxía superficial rugosa e unha alta densidade de defectos de superficie e fosas. Polo tanto, son necesarios procesos de pulido químicos e mecánicos antes de fabricar o dispositivo. A tecnoloxía HVPE para a epitaxia β-Ga2O3 adoita empregar GaCl e O2 gasosos como precursores para promover a reacción a alta temperatura da matriz β-Ga2O3 (001). A figura 9 mostra o estado da superficie e a taxa de crecemento da película epitaxial en función da temperatura. Nos últimos anos, a empresa xaponesa Novel Crystal Technology Inc. acadou un éxito comercial significativo no β-Ga2O3 homoepitaxial HVPE, con espesores de capa epitaxial de 5 a 10 μm e tamaños de obleas de 2 e 4 polgadas. Ademais, as obleas homoepitaxiais HVPE β-Ga2O3 de 20 μm de espesor producidas por China Electronics Technology Group Corporation tamén entraron na fase de comercialización.

Figura 9 Método HVPE β-Ga2O3

2.4 Método PLD

A tecnoloxía PLD utilízase principalmente para depositar películas de óxido complexos e heteroestruturas. Durante o proceso de crecemento do PLD, a enerxía fotónica está acoplada ao material obxectivo mediante o proceso de emisión de electróns. A diferenza do MBE, as partículas fonte de PLD fórmanse por radiación láser cunha enerxía extremadamente alta (>100 eV) e posteriormente deposítanse nun substrato quente. Non obstante, durante o proceso de ablación, algunhas partículas de alta enerxía impactarán directamente na superficie do material, creando defectos puntuais e reducindo así a calidade da película. De xeito similar ao método MBE, RHEED pódese usar para controlar a estrutura superficial e a morfoloxía do material en tempo real durante o proceso de deposición de PLD β-Ga2O3, o que permite aos investigadores obter información de crecemento con precisión. Espérase que o método PLD fará crecer películas β-Ga2O3 altamente condutoras, o que o converte nunha solución de contacto óhmico optimizada en dispositivos de potencia Ga2O3.

Figura 10 Imaxe AFM de Ga2O3 dopado con Si

2.5 Método MIST-CVD

MIST-CVD é unha tecnoloxía de crecemento de película fina relativamente sinxela e rendible. Este método CVD implica a reacción de pulverizar un precursor atomizado sobre un substrato para conseguir a deposición de película fina. Non obstante, ata o momento, o Ga2O3 cultivado mediante néboa CVD aínda carece de boas propiedades eléctricas, o que deixa moito espazo para mellorar e optimizar no futuro.