גביש יחיד וטכנולוגיית גידול אפיטקסיאלית של גליום אוקסיד

מוליכים למחצה בעלי פער פס רחב (WBG) המיוצגים על ידי סיליקון קרביד (SiC) וגליום ניטריד (GaN) זכו לתשומת לב נרחבת. לאנשים יש ציפיות גבוהות לגבי סיכויי היישום של סיליקון קרביד בכלי רכב חשמליים וברשתות חשמל, כמו גם לגבי סיכויי היישום של גליום ניטריד בטעינה מהירה. בשנים האחרונות, מחקר על חומרים Ga2O3, AlN ויהלום עשה התקדמות משמעותית, מה שהופך חומרי מוליכים למחצה בעלי פער פס רחב במיוחד למוקד תשומת הלב. ביניהם, תחמוצת גליום (Ga2O3) היא חומר מוליך למחצה מתפתח בעל פער פס רחב במיוחד עם פער פס של 4.8 eV, עוצמת שדה קריטי תיאורטית של כ-8 MV cm-1, מהירות רוויה של כ-2E7cm s-1, ומקדם איכות Baliga גבוה של 3000, הזוכה לתשומת לב נרחבת בתחום האלקטרוניקה של הספק במתח גבוה ובתדר גבוה.

1. מאפייני חומר תחמוצת גליום

ל-Ga2O3 יש פער אנרגיה גדול (4.8 eV), צפוי להשיג יכולות עמידות במתח גבוה וגם יכולות הספק גבוהות, ויכול להיות בעל פוטנציאל להתאמה למתח גבוה בהתנגדות נמוכה יחסית, מה שהופך אותם למוקד המחקר הנוכחי. בנוסף, ל-Ga2O3 לא רק תכונות חומר מצוינות, אלא גם מספק מגוון טכנולוגיות סימום מסוג n הניתנות להתאמה בקלות, כמו גם טכנולוגיות גידול מצעים ואפיטקסיה בעלות נמוכה. עד כה, התגלו חמש פאזות גבישיות שונות ב-Ga2O3, כולל פאזות קורונדום (α), מונוקליניות (β), ספינל פגום (γ), קובי (δ) ואורתורומביות (ɛ). היציבות התרמודינמית היא, לפי הסדר, γ, δ, α, ɛ ו-β. ראוי לציין כי β-Ga2O3 מונוקלינית היא היציבה ביותר, במיוחד בטמפרטורות גבוהות, בעוד שפאזות אחרות הן מטא-סטביליות מעל טמפרטורת החדר ונוטות להפוך לפאזה β בתנאים תרמיים ספציפיים. לכן, פיתוח התקנים מבוססי β-Ga2O3 הפך למוקד מרכזי בתחום האלקטרוניקה של הספק בשנים האחרונות.

טבלה 1 השוואה בין כמה פרמטרים של חומרי מוליכים למחצה

מבנה הגביש של β-Ga2O3 המונוקליני מוצג בטבלה 1. פרמטרי הסריג שלו כוללים a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, ו-β = 103.8°. תא היחידה מורכב מאטומי Ga(I) עם קואורדינציה טטרהדרלית מעוותת ומאטומי Ga(II) עם קואורדינציה אוקטהדרלית. ישנם שלושה סידורים שונים של אטומי חמצן במערך "הקובי המעוות", כולל שני אטומי O(I) ו-O(II) מתואמים באופן משולש ואטום O(III) אחד מתואם באופן טטרהדרלי. השילוב של שני סוגי קואורדינציה אטומית אלה מוביל לאניזוטרופיה של β-Ga2O3 עם תכונות מיוחדות בפיזיקה, קורוזיה כימית, אופטיקה ואלקטרוניקה.

איור 1 תרשים מבני סכמטי של גביש β-Ga2O3 מונוקליני

מנקודת מבט של תורת רצועות האנרגיה, הערך המינימלי של רצועת ההולכה של β-Ga2O3 נגזר ממצב האנרגיה המתאים למסלול ההיברידי 4s0 של אטום Ga. הפרש האנרגיה בין הערך המינימלי של רצועת ההולכה לרמת אנרגיית הוואקום (אנרגיית זיקה אלקטרונית) נמדד. הוא 4 eV. מסת האלקטרונים האפקטיבית של β-Ga2O3 נמדדת כ-0.28-0.33 me והמוליכות האלקטרונית שלו חיובית. עם זאת, מקסימום רצועת הערכיות מציג עקומת Ek רדודה עם עקמומיות נמוכה מאוד ואורביטלים של O2p ממוקדים מאוד, דבר המצביע על כך שהחורים ממוקדים עמוק. מאפיינים אלה מציבים אתגר עצום בהשגת סימום מסוג p ב-β-Ga2O3. גם אם ניתן להשיג סימום מסוג P, μ של החור נשאר ברמה נמוכה מאוד. 2. גידול גביש יחיד תחמוצת גליום בתפזורת עד כה, שיטת הגידול של מצע גביש יחיד בתפזורת β-Ga2O3 היא בעיקר שיטת משיכת גבישים, כגון Czochralski (CZ), שיטת הזנת שכבה דקה מוגדרת קצה (Edge-Defined film-fed, EFG), ברידג'מן (Rtical or horizontal Bridgman, HB או VB) וטכנולוגיית אזור צף (FZ). מבין כל השיטות, שיטות Czochralski והזנת שכבה דקה מוגדרת קצה צפויות להיות הדרכים המבטיחות ביותר לייצור המוני של פרוסות β-Ga2O3 בעתיד, מכיוון שהן יכולות להשיג בו זמנית כמויות גדולות וצפיפויות פגמים נמוכות. עד כה, חברת Novel Crystal Technology היפנית פיתחה מטריצה ​​מסחרית לגידול β-Ga2O3 בהתכה.

1.1 שיטת צ'וכרלסקי

העיקרון של שיטת צ'וכרלסקי הוא שכבת הזרעים מכוסה תחילה, ולאחר מכן הגביש היחיד נמשך באיטיות מהגביש המותך. שיטת צ'וכרלסקי חשובה יותר ויותר עבור β-Ga2O3 בשל יעילותה העלותית, יכולות הגודל הגדול וצמיחת המצע באיכות גבוהה של הגביש. עם זאת, עקב עומס תרמי במהלך הגידול בטמפרטורה גבוהה של Ga2O3, יתרחש אידוי של גבישים יחידים, חומרים מותכים ונזק לכור היתוך של I. זוהי תוצאה של הקושי בהשגת סימום נמוך מסוג n ב-Ga2O3. הכנסת כמות מתאימה של חמצן לאטמוספירת הגידול היא דרך אחת לפתור בעיה זו. באמצעות אופטימיזציה, גודל בהצלחה β-Ga2O3 באיכות גבוהה בגודל 2 אינץ' עם טווח ריכוז אלקטרונים חופשיים של 10^16~10^19 cm-3 וצפיפות אלקטרונים מקסימלית של 160 cm2/Vs בשיטת צ'וכרלסקי.

איור 2 גביש יחיד של β-Ga2O3 שגודל בשיטת צ'וכרלסקי

1.2 שיטת הזנת סרט מוגדר קצה

שיטת הזנת שכבה דקה מוגדרת קצה נחשבת למתמודדת המובילה לייצור מסחרי של חומרי גביש יחיד Ga2O3 בעלי שטח גדול. העיקרון של שיטה זו הוא להניח את המומס בתבנית עם חריץ נימי, והמסה עולה לתבנית באמצעות פעולה נימית. בחלק העליון, נוצר שכבה דקה ומתפשטת לכל הכיוונים תוך כדי שהיא גורם להתגבשות על ידי גביש הזרעים. בנוסף, ניתן לשלוט בקצוות ראש התבנית כדי לייצר גבישים בצורת פתיתים, צינורות או כל גיאומטריה רצויה. שיטת הזנת שכבה דקה מוגדרת קצה של Ga2O3 מספקת קצבי צמיחה מהירים וקטרים ​​גדולים. איור 3 מציג תרשים של גביש יחיד β-Ga2O3. בנוסף, מבחינת גודל, סובסטרטים β-Ga2O3 בגודל 2 אינץ' ו-4 אינץ' עם שקיפות ואחידות מצוינות הועברו למסחר, בעוד שמצע בגודל 6 אינץ' הודגם במחקר למסחור עתידי. לאחרונה, חומרי גביש יחיד עגולים גדולים הפכו זמינים גם עם אוריינטציה (-201). בנוסף, שיטת הזנת הסרט המוגדר על ידי קצה β-Ga2O3 מקדמת גם את הסימום של יסודות מתכות מעבר, מה שמאפשר את המחקר וההכנה של Ga2O3.

איור 3 גביש יחיד β-Ga2O3 שגודל בשיטת הזנת סרט מוגדר קצה

1.3 שיטת ברידג'מן

בשיטת ברידג'מן, גבישים נוצרים בכור היתוך המועבר בהדרגה דרך גרדיאנט טמפרטורה. התהליך יכול להתבצע בכיוון אופקי או אנכי, בדרך כלל באמצעות כור היתוך מסתובב. ראוי לציין ששיטה זו עשויה להשתמש בזרעי גביש או לא. מפעילי ברידג'מן מסורתיים חסרים ויזואליזציה ישירה של תהליכי ההיתוך וצמיחת הגביש ועליהם לשלוט בטמפרטורות בדיוק גבוה. שיטת ברידג'מן האנכית משמשת בעיקר לגידול β-Ga2O3 וידועה ביכולתה לגדול בסביבה אווירית. במהלך תהליך הגידול האנכי בשיטת ברידג'מן, אובדן המסה הכולל של החומר ההיתוך וכור היתוך נשמר מתחת ל-1%, מה שמאפשר גידול של גבישים בודדים β-Ga2O3 גדולים עם אובדן מינימלי.

איור 4 גביש יחיד של β-Ga2O3 שגודל בשיטת ברידג'מן

1.4 שיטת האזור הצף

שיטת האזור הצף פותרת את בעיית זיהום הגבישים על ידי חומרי כור היתוך ומפחיתה את העלויות הגבוהות הכרוכות בכורי כור היתוך אינפרא אדום עמידים לטמפרטורות גבוהות. במהלך תהליך גידול זה, ניתן לחמם את החומר המותך על ידי מנורה במקום מקור RF, ובכך לפשט את הדרישות לציוד גידול. למרות שצורת הגביש ואיכותו של β-Ga2O3 שגודל בשיטת האזור הצף עדיין אינן אופטימליות, שיטה זו פותחת שיטה מבטיחה לגידול β-Ga2O3 בעל טוהר גבוה לגבישים יחידים ידידותיים לתקציב.

איור 5 גביש יחיד β-Ga2O3 שגודל בשיטת האזור הצף.