3. Crescimento de filme fino epitaxial
O substrato fornece uma camada de suporte físico ou camada condutora para dispositivos de energia Ga2O3. A próxima camada importante é a camada de canal ou camada epitaxial usada para resistência de tensão e transporte de portadora. Para aumentar a tensão de ruptura e minimizar a resistência à condução, espessura controlável e concentração de dopagem, bem como qualidade ideal do material, são alguns pré-requisitos. Camadas epitaxiais de Ga2O3 de alta qualidade são normalmente depositadas usando epitaxia por feixe molecular (MBE), deposição de vapor químico orgânico metálico (MOCVD), deposição de vapor haleto (HVPE), deposição de laser pulsado (PLD) e técnicas de deposição baseadas em nevoeiro CVD.
Tabela 2 Algumas tecnologias epitaxiais representativas
3.1 Método MBE
A tecnologia MBE é conhecida por sua capacidade de produzir filmes β-Ga2O3 de alta qualidade e livres de defeitos, com dopagem tipo n controlável devido ao seu ambiente de vácuo ultra-alto 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 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 da camada atômica usando difração de elétrons de alta energia por reflexão (RHEED). No entanto, os filmes de β-Ga2O3 cultivados com a tecnologia MBE ainda enfrentam muitos desafios, como baixa taxa de crescimento e tamanho pequeno do filme. O estudo descobriu que a taxa de crescimento foi da ordem de (010)>(001)>(−201)>(100). Sob condições ligeiramente ricas em Ga de 650 a 750°C, o β-Ga2O3 (010) exibe um crescimento ideal com uma superfície lisa e alta taxa de crescimento. Usando este método, a epitaxia β-Ga2O3 foi alcançada com sucesso com uma rugosidade RMS de 0,1 nm. β-Ga2O3 Em um ambiente rico em Ga, os filmes MBE cultivados em diferentes temperaturas são mostrados na figura. produziu com sucesso wafers β-Ga2O3MBE de 10 × 15 mm2 epitaxialmente. Eles fornecem substratos de cristal único β-Ga2O3 orientados de alta qualidade (010) com 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 superior a 10E10 Ω cm.
3.2 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. Ao cultivar Ga2O3 usando o método MOCVD, trimetilgálio (TMGa), trietilgálio (TEGa) e Ga (formato de dipentilglicol) são geralmente usados como fonte de Ga, enquanto H2O, O2 ou N2O são usados 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 de elétrons em altas e baixas temperaturas, por isso é de grande importância para a realização de dispositivos de energia β-Ga2O3 de alto desempenho. Comparado com o 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 resistência da folha medida por Hall e temperatura
3.3 Método HVPE
HVPE é uma tecnologia epitaxial madura e tem sido amplamente utilizada no crescimento epitaxial de semicondutores compostos III-V. O HVPE é conhecido por seu baixo custo de produção, rápida taxa de crescimento e alta espessura de filme. Deve-se notar que o HVPEβ-Ga2O3 geralmente exibe morfologia superficial rugosa e alta densidade de defeitos superficiais e cavidades. Portanto, são necessários processos de polimento químico e mecânico antes da fabricação do dispositivo. A tecnologia HVPE para epitaxia β-Ga2O3 geralmente usa GaCl gasoso e O2 como precursores para promover a reação de alta temperatura da matriz (001) β-Ga2O3. 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 alcançou sucesso comercial significativo em HVPE β-Ga2O3 homoepitaxial, com espessuras de camada epitaxial de 5 a 10 μm e tamanhos de wafer de 2 e 4 polegadas. Além disso, wafers homoepitaxiais HVPE β-Ga2O3 de 20 μm de espessura produzidos pela China Electronics Technology Group Corporation também entraram na fase de comercialização.
Figura 9 Método HVPE β-Ga2O3
3.4 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 através 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 num substrato aquecido. Porém, durante o processo de ablação, algumas partículas de alta energia impactarão diretamente a superfície do material, criando defeitos pontuais e reduzindo assim a qualidade do filme. Semelhante ao método MBE, o RHEED pode ser usado para monitorar a estrutura superficial e a morfologia do material em tempo real durante o processo de deposição de PLD β-Ga2O3, permitindo aos pesquisadores obter informações de crescimento com precisão. Espera-se que o método PLD desenvolva filmes β-Ga2O3 altamente condutores, tornando-o uma solução de contato ôhmico otimizada em dispositivos de potência Ga2O3.
Figura 10 Imagem AFM de Ga2O3 dopado com Si
3.5 Método MIST-CVD
MIST-CVD é uma tecnologia de crescimento de filmes finos relativamente simples e econômica. Este método CVD envolve a reação de pulverização de um precursor atomizado sobre um substrato para obter a deposição de um filme fino. No entanto, até agora, o Ga2O3 cultivado usando névoa CVD ainda carece de boas propriedades elétricas, o que deixa muito espaço para melhorias e otimização no futuro.
Horário da postagem: 30 de maio de 2024