فناوری رشد تک بلور و اپیتاکسیال اکسید گالیوم

نیمه‌رساناهای با شکاف باند پهن (WBG) که توسط کاربید سیلیکون (SiC) و نیترید گالیم (GaN) نشان داده می‌شوند، توجه گسترده‌ای را به خود جلب کرده‌اند. مردم انتظارات بالایی از چشم‌انداز کاربرد کاربید سیلیکون در وسایل نقلیه الکتریکی و شبکه‌های برق و همچنین چشم‌انداز کاربرد نیترید گالیم در شارژ سریع دارند. در سال‌های اخیر، تحقیقات در مورد مواد Ga2O3، AlN و الماس پیشرفت قابل توجهی داشته است و مواد نیمه‌رسانا با شکاف باند فوق پهن را در کانون توجه قرار داده است. در میان آنها، اکسید گالیم (Ga2O3) یک ماده نیمه‌رسانا با شکاف باند فوق پهن نوظهور با شکاف باند 4.8 eV، قدرت میدان شکست بحرانی نظری حدود 8 MV cm-1، سرعت اشباع حدود 2E7cm s-1 و ضریب کیفیت بالای Baliga برابر با 3000 است که توجه گسترده‌ای را در زمینه الکترونیک قدرت ولتاژ بالا و فرکانس بالا به خود جلب کرده است.

۱. ویژگی‌های ماده اکسید گالیوم

Ga2O3 دارای شکاف نواری بزرگی (4.8 eV) است، انتظار می‌رود که به هر دو قابلیت ولتاژ تحمل بالا و توان بالا دست یابد و می‌تواند پتانسیل سازگاری با ولتاژ بالا را در مقاومت نسبتاً کم داشته باشد، که آنها را به کانون تحقیقات فعلی تبدیل می‌کند. علاوه بر این، Ga2O3 نه تنها خواص مواد عالی دارد، بلکه انواع فناوری‌های آلایش نوع n را که به راحتی قابل تنظیم هستند، و همچنین فناوری‌های رشد زیرلایه و اپیتاکسی کم‌هزینه را نیز فراهم می‌کند. تاکنون، پنج فاز کریستالی مختلف در Ga2O3 کشف شده است، از جمله فازهای کوراندوم (α)، مونوکلینیک (β)، اسپینل معیوب (γ)، مکعبی (δ) و ارتورومبیک (ɛ). پایداری ترمودینامیکی به ترتیب γ، δ، α، ɛ و β است. شایان ذکر است که β-Ga2O3 مونوکلینیک، به ویژه در دماهای بالا، پایدارترین فاز است، در حالی که سایر فازها در دمای اتاق نیمه پایدار هستند و تحت شرایط حرارتی خاص تمایل به تبدیل به فاز β دارند. بنابراین، توسعه دستگاه‌های مبتنی بر β-Ga2O3 در سال‌های اخیر به یک تمرکز اصلی در زمینه الکترونیک قدرت تبدیل شده است.

جدول 1 مقایسه برخی از پارامترهای مواد نیمه‌هادی

ساختار بلوری β-Ga2O3 مونوکلینیک در جدول 1 نشان داده شده است. پارامترهای شبکه آن شامل a = 12.21 Å، b = 3.04 Å، c = 5.8 Å و β = 103.8° است. سلول واحد از اتم‌های Ga(I) با هماهنگی چهاروجهی پیچ خورده و اتم‌های Ga(II) با هماهنگی هشت وجهی تشکیل شده است. سه آرایش مختلف از اتم‌های اکسیژن در آرایه "مکعبی پیچ خورده" وجود دارد، از جمله دو اتم O(I) و O(II) با هماهنگی مثلثی و یک اتم O(III) با هماهنگی چهاروجهی. ترکیب این دو نوع هماهنگی اتمی منجر به ناهمسانگردی β-Ga2O3 با خواص ویژه در فیزیک، خوردگی شیمیایی، اپتیک و الکترونیک می‌شود.

شکل 1 نمودار ساختاری شماتیک بلور مونوکلینیک β-Ga2O3

از دیدگاه نظریه باند انرژی، حداقل مقدار باند رسانش β-Ga2O3 از حالت انرژی مربوط به مدار هیبریدی 4s0 اتم Ga بدست می‌آید. اختلاف انرژی بین حداقل مقدار باند رسانش و سطح انرژی خلاء (انرژی میل ترکیبی الکترون) اندازه‌گیری شده، 4 eV است. جرم الکترون مؤثر β-Ga2O3 بین 0.28 تا 0.33 me و رسانایی الکترونیکی مطلوب آن اندازه‌گیری شده است. با این حال، حداکثر باند ظرفیت، منحنی Ek کم‌عمق با انحنای بسیار کم و اوربیتال‌های O2p به شدت موضعی را نشان می‌دهد که نشان می‌دهد حفره‌ها عمیقاً موضعی شده‌اند. این ویژگی‌ها چالش بزرگی را برای دستیابی به آلایش نوع p در β-Ga2O3 ایجاد می‌کنند. حتی اگر آلایش نوع P قابل دستیابی باشد، حفره μ در سطح بسیار پایینی باقی می‌ماند. ۲. رشد تک بلور اکسید گالیوم به صورت توده‌ای تاکنون، روش رشد زیرلایه تک بلوری توده‌ای β-Ga2O3 عمدتاً روش کشش بلوری مانند چکرالسکی (CZ)، روش تغذیه لایه نازک لبه‌دار (Edge -Defined film-fed، EFG)، بریجمن (بریجمن عمودی یا افقی، HB یا VB) و فناوری منطقه شناور (منطقه شناور، FZ) بوده است. در میان همه روش‌ها، انتظار می‌رود روش‌های چکرالسکی و تغذیه لایه نازک لبه‌دار، امیدوارکننده‌ترین راه‌ها برای تولید انبوه ویفرهای β-Ga2O3 در آینده باشند، زیرا می‌توانند همزمان به حجم زیاد و چگالی نقص کم دست یابند. تاکنون، شرکت Novel Crystal Technology ژاپن یک ماتریس تجاری برای رشد مذاب β-Ga2O3 را محقق کرده است.

۱.۱ روش چکرالسکی

اصل روش چکرالسکی این است که ابتدا لایه بذر پوشانده می‌شود و سپس تک بلور به آرامی از مذاب بیرون کشیده می‌شود. روش چکرالسکی به دلیل مقرون به صرفه بودن، قابلیت‌های اندازه بزرگ و رشد زیرلایه با کیفیت بالای بلور، برای β-Ga2O3 اهمیت فزاینده‌ای پیدا می‌کند. با این حال، به دلیل تنش حرارتی در طول رشد دمای بالای Ga2O3، تبخیر تک بلورها، مواد مذاب و آسیب به بوته Ir رخ خواهد داد. این نتیجه دشواری دستیابی به آلایش نوع n پایین در Ga2O3 است. وارد کردن مقدار مناسب اکسیژن به جو رشد، یکی از راه‌های حل این مشکل است. از طریق بهینه‌سازی، β-Ga2O3 با کیفیت بالا 2 اینچی با محدوده غلظت الکترون آزاد 10^16~10^19 cm-3 و حداکثر چگالی الکترون 160 cm2/Vs با موفقیت توسط روش چکرالسکی رشد داده شده است.

شکل 2 تک بلور β-Ga2O3 رشد یافته به روش چکرالسکی

۱.۲ روش تغذیه فیلم از لبه تعریف شده

روش تغذیه لایه نازک با لبه مشخص، به عنوان رقیب اصلی برای تولید تجاری مواد تک کریستالی Ga2O3 با مساحت بزرگ در نظر گرفته می‌شود. اصل این روش قرار دادن مذاب در قالبی با شکاف مویینگی است و مذاب از طریق عمل مویینگی به سمت قالب بالا می‌رود. در بالا، یک لایه نازک تشکیل می‌شود و در تمام جهات پخش می‌شود در حالی که توسط کریستال بذر به تبلور القا می‌شود. علاوه بر این، لبه‌های بالای قالب را می‌توان کنترل کرد تا کریستال‌ها به صورت پولک، لوله یا هر هندسه دلخواه تولید شوند. روش تغذیه لایه نازک با لبه مشخص Ga2O3، نرخ رشد سریع و قطرهای بزرگ را فراهم می‌کند. شکل 3 نموداری از یک تک کریستال β-Ga2O3 را نشان می‌دهد. علاوه بر این، از نظر مقیاس اندازه، زیرلایه‌های 2 و 4 اینچی β-Ga2O3 با شفافیت و یکنواختی عالی تجاری شده‌اند، در حالی که زیرلایه 6 اینچی در تحقیقات برای تجاری‌سازی آینده نشان داده شده است. اخیراً، مواد فله‌ای تک کریستالی دایره‌ای بزرگ نیز با جهت‌گیری (-201) در دسترس قرار گرفته‌اند. علاوه بر این، روش تغذیه فیلم لبه‌دار β-Ga2O3 همچنین آلایش عناصر فلز واسطه را افزایش می‌دهد و تحقیق و تهیه Ga2O3 را ممکن می‌سازد.

شکل 3 تک بلور β-Ga2O3 رشد یافته با روش تغذیه فیلم لبه-تعریف شده

۱.۳ روش بریجمن

در روش بریجمن، کریستال‌ها در یک بوته که به تدریج از طریق یک گرادیان دما حرکت می‌کند، تشکیل می‌شوند. این فرآیند را می‌توان در جهت افقی یا عمودی، معمولاً با استفاده از یک بوته چرخان، انجام داد. شایان ذکر است که این روش ممکن است از دانه‌های کریستالی استفاده کند یا نکند. اپراتورهای سنتی بریجمن فاقد تجسم مستقیم فرآیندهای ذوب و رشد کریستال هستند و باید دما را با دقت بالا کنترل کنند. روش بریجمن عمودی عمدتاً برای رشد β-Ga2O3 استفاده می‌شود و به دلیل توانایی رشد در محیط هوا شناخته شده است. در طول فرآیند رشد روش بریجمن عمودی، کل اتلاف جرم مذاب و بوته زیر 1٪ نگه داشته می‌شود و امکان رشد تک کریستال‌های بزرگ β-Ga2O3 را با حداقل اتلاف فراهم می‌کند.

شکل 4 تک بلور β-Ga2O3 رشد یافته با روش بریجمن

۱.۴ روش منطقه شناور

روش منطقه شناور، مشکل آلودگی کریستال توسط مواد بوته را حل می‌کند و هزینه‌های بالای مرتبط با بوته‌های مادون قرمز مقاوم در برابر دمای بالا را کاهش می‌دهد. در طول این فرآیند رشد، مذاب می‌تواند توسط یک لامپ به جای منبع RF گرم شود، بنابراین الزامات تجهیزات رشد را ساده می‌کند. اگرچه شکل و کیفیت کریستال β-Ga2O3 رشد یافته با روش منطقه شناور هنوز بهینه نیست، اما این روش، روشی امیدوارکننده برای رشد β-Ga2O3 با خلوص بالا به تک کریستال‌های مقرون به صرفه ارائه می‌دهد.

شکل 5 تک بلور β-Ga2O3 که با روش منطقه شناور رشد داده شده است.