Les semi-conducteurs à large bande interdite (WBG), représentés par le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), suscitent un vif intérêt. Les perspectives d'application du carbure de silicium dans les véhicules électriques et les réseaux électriques, ainsi que celles du nitrure de gallium dans la charge rapide, suscitent de grandes attentes. Ces dernières années, la recherche sur les matériaux Ga₂O₃, AlN et diamant a réalisé des progrès significatifs, plaçant les matériaux semi-conducteurs à très large bande interdite au centre de l'attention. Parmi eux, l'oxyde de gallium (Ga₂O₃) est un matériau semi-conducteur à très large bande interdite émergent, avec une bande interdite de 4,8 eV, un champ critique de claquage théorique d'environ 8 MV·cm-1, une vitesse de saturation d'environ 2E7cm·s-1 et un facteur de qualité Baliga élevé de 3 000. Il suscite un vif intérêt dans le domaine de l'électronique de puissance haute tension et haute fréquence.
1. Caractéristiques du matériau oxyde de gallium
Le Ga2O3 présente une large bande interdite (4,8 eV), devrait offrir à la fois une tension de tenue élevée et des capacités de puissance élevées, et peut avoir un potentiel d'adaptabilité haute tension à une résistance relativement faible, ce qui en fait l'objet de recherches actuelles. De plus, le Ga2O3 présente non seulement d'excellentes propriétés matérielles, mais offre également une variété de technologies de dopage de type n facilement ajustables, ainsi que des technologies de croissance de substrat et d'épitaxie à faible coût. Jusqu'à présent, cinq phases cristallines différentes ont été découvertes dans le Ga2O3, notamment les phases corindon (α), monoclinique (β), spinelle défectueux (γ), cubique (δ) et orthorhombique (ɛ). Les stabilités thermodynamiques sont, dans l'ordre, γ, δ, α, ɛ et β. Il convient de noter que le β-Ga2O3 monoclinique est le plus stable, en particulier à haute température, tandis que les autres phases sont métastables au-dessus de la température ambiante et ont tendance à se transformer en phase β dans des conditions thermiques spécifiques. Par conséquent, le développement de dispositifs à base de β-Ga2O3 est devenu un objectif majeur dans le domaine de l'électronique de puissance ces dernières années.
Tableau 1 Comparaison de certains paramètres de matériaux semi-conducteurs
La structure cristalline du β-Ga2O3 monoclinique est présentée dans le tableau 1. Ses paramètres de maille incluent a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å et β = 103,8°. La maille élémentaire est constituée d'atomes de Ga(I) en coordination tétraédrique torsadée et d'atomes de Ga(II) en coordination octaédrique. Il existe trois arrangements différents d'atomes d'oxygène dans le réseau « cubique torsadé », dont deux atomes O(I) et O(II) en coordination triangulaire et un atome O(III) en coordination tétraédrique. La combinaison de ces deux types de coordination atomique conduit à l'anisotropie du β-Ga2O3 avec des propriétés particulières en physique, corrosion chimique, optique et électronique.
Figure 1 Diagramme structurel schématique du cristal monoclinique de β-Ga2O3
Du point de vue de la théorie des bandes d'énergie, la valeur minimale de la bande de conduction de β-Ga2O3 est dérivée de l'état d'énergie correspondant à l'orbite hybride 4s0 de l'atome de Ga. La différence d'énergie entre la valeur minimale de la bande de conduction et le niveau d'énergie du vide (énergie d'affinité électronique) est mesurée. est de 4 eV. La masse électronique effective de β-Ga2O3 est mesurée comme étant de 0,28 à 0,33 me et sa conductivité électronique favorable. Cependant, le maximum de la bande de valence présente une courbe Ek peu profonde avec une très faible courbure et des orbitales O2p fortement localisées, suggérant que les trous sont profondément localisés. Ces caractéristiques posent un énorme défi pour obtenir un dopage de type p dans β-Ga2O3. Même si le dopage de type P peut être obtenu, le trou μ reste à un niveau très faible. 2. Croissance de monocristal d'oxyde de gallium massif Jusqu'à présent, la méthode de croissance du substrat monocristallin massif de β-Ga2O3 est principalement une méthode d'extraction de cristaux, telle que la méthode Czochralski (CZ), la méthode d'alimentation en couche mince à bords définis (Edge-Defined film-fed, EFG), la technologie Bridgman (Bridgman vertical ou horizontal, HB ou VB) et la technologie de zone flottante (floating zone, FZ). Parmi toutes les méthodes, les méthodes Czochralski et d'alimentation en couche mince à bords définis devraient être les voies les plus prometteuses pour la production de masse de plaquettes de β-Ga2O3 à l'avenir, car elles peuvent simultanément atteindre de grands volumes et de faibles densités de défauts. Jusqu'à présent, la société japonaise Novel Crystal Technology a réalisé une matrice commerciale pour la croissance en fusion de β-Ga2O3.
1.1 Méthode Czochralski
Le principe de la méthode Czochralski est le suivant : la couche de germination est d’abord recouverte, puis le monocristal est lentement extrait du bain de fusion. La méthode Czochralski gagne en importance pour le β-Ga2O3 en raison de sa rentabilité, de ses capacités de grande taille et de la qualité cristalline élevée de son substrat. Cependant, la croissance du Ga2O3 à haute température, soumise à des contraintes thermiques, entraîne l’évaporation des monocristaux et des matériaux fondus, ainsi que l’endommagement du creuset en Ir. Ceci résulte de la difficulté d’obtenir un faible dopage de type n dans le Ga2O3. L’introduction d’une quantité appropriée d’oxygène dans l’atmosphère de croissance est une solution. Grâce à l’optimisation, du β-Ga2O3 de 2 pouces de haute qualité, présentant une concentration en électrons libres comprise entre 10^16 et 10^19 cm-3 et une densité électronique maximale de 160 cm²/Vs, a été obtenu avec succès par la méthode Czochralski.
Figure 2 Monocristal de β-Ga2O3 cultivé par la méthode de Czochralski
1.2 Méthode d'alimentation du film à bords définis
La méthode d'alimentation en couches minces à bords définis est considérée comme la principale solution pour la production commerciale de monocristals de Ga₂O₃ de grande surface. Son principe consiste à placer la masse fondue dans un moule muni d'une fente capillaire, puis à la faire remonter vers le moule par capillarité. À la partie supérieure, une fine couche se forme et s'étale dans toutes les directions, induite par le germe cristallin. De plus, les bords du moule peuvent être contrôlés pour produire des cristaux en paillettes, en tubes ou selon toute géométrie souhaitée. La méthode d'alimentation en couches minces de Ga₂O₃ à bords définis permet une croissance rapide et des diamètres importants. La figure 3 présente un schéma d'un monocristal de β-Ga₂O₃. De plus, en termes de taille, des substrats de β-Ga₂O₃ de 5 cm et 10 cm, présentant une excellente transparence et une grande uniformité, ont été commercialisés, tandis que le substrat de 15 cm fait l'objet de recherches en vue d'une commercialisation future. Récemment, de grands matériaux monocristallins circulaires massifs avec une orientation (−201) sont également disponibles. De plus, la méthode d'alimentation par film à bords définis de β-Ga2O3 favorise également le dopage des éléments de métaux de transition, rendant ainsi possibles la recherche et la préparation du Ga2O3.
Figure 3 Monocristal de β-Ga2O3 cultivé par la méthode d'alimentation par film à bords définis
1.3 Méthode Bridgeman
Dans la méthode Bridgeman, les cristaux sont formés dans un creuset soumis à un gradient de température progressif. Le processus peut être réalisé horizontalement ou verticalement, généralement à l'aide d'un creuset rotatif. Il est important de noter que cette méthode peut utiliser ou non des germes cristallins. Les opérateurs Bridgman traditionnels ne permettent pas de visualiser directement les processus de fusion et de croissance cristalline et doivent contrôler les températures avec une grande précision. La méthode Bridgman verticale est principalement utilisée pour la croissance du β-Ga2O3 et est reconnue pour sa capacité à croître à l'air libre. Pendant le processus de croissance par la méthode Bridgman verticale, la perte de masse totale du bain et du creuset est maintenue inférieure à 1 %, ce qui permet la croissance de grands monocristaux de β-Ga2O3 avec une perte minimale.
Figure 4 Monocristal de β-Ga2O3 cultivé par la méthode Bridgeman
1.4 Méthode de la zone flottante
La méthode de la zone flottante résout le problème de contamination des cristaux par les matériaux du creuset et réduit les coûts élevés associés aux creusets infrarouges résistants aux hautes températures. Durant ce processus de croissance, la masse fondue peut être chauffée par une lampe plutôt que par une source RF, simplifiant ainsi les besoins en équipements de croissance. Bien que la forme et la qualité cristalline du β-Ga2O3 obtenu par la méthode de la zone flottante ne soient pas encore optimales, cette méthode ouvre une voie prometteuse pour la croissance de β-Ga2O3 de haute pureté en monocristaux économiques.
Figure 5 Monocristal de β-Ga2O3 cultivé par la méthode de la zone flottante.
Date de publication : 30 mai 2024