2. Crescita epitassiale del film sottile
Il substrato fornisce uno strato di supporto fisico o uno strato conduttivo per i dispositivi di potenza Ga2O3. Il successivo strato importante è lo strato canale o strato epitassiale utilizzato per la resistenza alla tensione e il trasporto della portante. Per aumentare la tensione di rottura e ridurre al minimo la resistenza di conduzione, alcuni prerequisiti sono lo spessore controllabile e la concentrazione di drogaggio, nonché una qualità ottimale del materiale. Gli strati epitassiali di Ga2O3 di alta qualità vengono generalmente depositati utilizzando epitassia a fascio molecolare (MBE), deposizione chimica in fase vapore metallo-organica (MOCVD), deposizione in fase vapore di alogenuri (HVPE), deposizione laser pulsata (PLD) e tecniche di deposizione basate su nebbia CVD.
Tabella 2 Alcune tecnologie epitassiali rappresentative
Metodo 2.1 MBE
La tecnologia MBE è rinomata per la sua capacità di sviluppare film di β-Ga2O3 di alta qualità e privi di difetti con drogaggio di tipo n controllabile grazie al suo ambiente di vuoto ultraelevato e all'elevata purezza del materiale. Di conseguenza, è diventata una delle tecnologie di deposizione di film sottile β-Ga2O3 più ampiamente studiate e potenzialmente commercializzate. Inoltre, il metodo MBE ha anche preparato con successo uno strato di film sottile eterostruttura β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3 di alta qualità e a basso drogaggio. MBE è in grado di monitorare la struttura e la morfologia superficiale in tempo reale con precisione dello strato atomico utilizzando la diffrazione di elettroni ad alta energia a riflessione (RHEED). Tuttavia, i film di β-Ga2O3 coltivati utilizzando la tecnologia MBE devono ancora affrontare molte sfide, come il basso tasso di crescita e le dimensioni ridotte del film. Lo studio ha rilevato che il tasso di crescita era nell’ordine di (010)>(001)>(−201)>(100). In condizioni leggermente ricche di Ga, comprese tra 650 e 750°C, β-Ga2O3 (010) mostra una crescita ottimale con una superficie liscia e un tasso di crescita elevato. Utilizzando questo metodo, l'epitassia β-Ga2O3 è stata ottenuta con successo con una rugosità RMS di 0,1 nm. β-Ga2O3 In un ambiente ricco di Ga, nella figura sono mostrati film MBE cresciuti a diverse temperature. La nuova Crystal Technology Inc. ha prodotto con successo wafer epitassiali β-Ga2O3MBE da 10 × 15 mm2. Forniscono substrati monocristallini β-Ga2O3 orientati di alta qualità (010) con uno spessore di 500 μm e XRD FWHM inferiore a 150 secondi d'arco. Il substrato è drogato con Sn o drogato con Fe. Il substrato conduttivo drogato con Sn ha una concentrazione di drogaggio compresa tra 1E18 e 9E18 cm−3, mentre il substrato semiisolante drogato con ferro ha una resistività superiore a 10E10 Ω cm.
2.2 Metodo MOCVD
MOCVD utilizza composti organici metallici come materiali precursori per far crescere film sottili, ottenendo così una produzione commerciale su larga scala. Quando si coltiva Ga2O3 utilizzando il metodo MOCVD, come fonte di Ga vengono solitamente utilizzati trimetilgallio (TMGa), trietilgallio (TEGa) e Ga (formiato di dipentilglicole), mentre come fonte di ossigeno vengono utilizzati H2O, O2 o N2O. La crescita utilizzando questo metodo richiede generalmente temperature elevate (>800°C). Questa tecnologia ha il potenziale per ottenere una bassa concentrazione di portatori e mobilità degli elettroni ad alta e bassa temperatura, quindi è di grande importanza per la realizzazione di dispositivi di potenza β-Ga2O3 ad alte prestazioni. Rispetto al metodo di crescita MBE, MOCVD ha il vantaggio di raggiungere tassi di crescita molto elevati dei film β-Ga2O3 grazie alle caratteristiche della crescita ad alta temperatura e delle reazioni chimiche.
Figura 7 Immagine AFM β-Ga2O3 (010).
Figura 8 β-Ga2O3 La relazione traμe la resistenza del foglio misurata da Hall e temperatura
2.3 Metodo HVPE
HVPE è una tecnologia epitassiale matura ed è stata ampiamente utilizzata nella crescita epitassiale di semiconduttori composti III-V. L'HVPE è noto per il suo basso costo di produzione, il rapido tasso di crescita e l'elevato spessore del film. Va notato che HVPEβ-Ga2O3 solitamente presenta una morfologia superficiale ruvida e un'elevata densità di difetti superficiali e cavità. Pertanto, prima di produrre il dispositivo sono necessari processi di lucidatura chimica e meccanica. La tecnologia HVPE per l'epitassia β-Ga2O3 utilizza solitamente GaCl gassosi e O2 come precursori per promuovere la reazione ad alta temperatura della matrice (001) β-Ga2O3. La Figura 9 mostra la condizione superficiale e il tasso di crescita del film epitassiale in funzione della temperatura. Negli ultimi anni, la giapponese Novel Crystal Technology Inc. ha ottenuto un significativo successo commerciale con il β-Ga2O3 omoepitassiale HVPE, con spessori dello strato epitassiale compresi tra 5 e 10 μm e dimensioni dei wafer di 2 e 4 pollici. Inoltre, anche i wafer omoepitassiali HVPE β-Ga2O3 da 20 μm prodotti dalla China Electronics Technology Group Corporation sono entrati nella fase di commercializzazione.
Figura 9 Metodo HVPE β-Ga2O3
2.4 Metodo PLD
La tecnologia PLD viene utilizzata principalmente per depositare film di ossido complessi ed eterostrutture. Durante il processo di crescita del PLD, l'energia dei fotoni viene accoppiata al materiale bersaglio attraverso il processo di emissione di elettroni. A differenza del MBE, le particelle della sorgente PLD sono formate da radiazioni laser con energia estremamente elevata (>100 eV) e successivamente depositate su un substrato riscaldato. Tuttavia, durante il processo di ablazione, alcune particelle ad alta energia colpiscono direttamente la superficie del materiale, creando difetti puntuali e riducendo così la qualità della pellicola. Similmente al metodo MBE, RHEED può essere utilizzato per monitorare la struttura superficiale e la morfologia del materiale in tempo reale durante il processo di deposizione PLD β-Ga2O3, consentendo ai ricercatori di ottenere con precisione informazioni sulla crescita. Si prevede che il metodo PLD creerà film di β-Ga2O3 altamente conduttivi, rendendolo una soluzione di contatto ohmico ottimizzata nei dispositivi di potenza Ga2O3.
Figura 10 Immagine AFM di Ga2O3 drogato con Si
2.5 Metodo MIST-CVD
MIST-CVD è una tecnologia di crescita di film sottile relativamente semplice ed economica. Questo metodo CVD prevede la reazione di spruzzatura di un precursore atomizzato su un substrato per ottenere la deposizione di una pellicola sottile. Tuttavia, finora, il Ga2O3 coltivato utilizzando la nebbia CVD manca ancora di buone proprietà elettriche, il che lascia ampio margine di miglioramento e ottimizzazione in futuro.
Orario di pubblicazione: 30 maggio 2024