Tehnologie de creștere epitaxială și monocristal de oxid de galiu

Semiconductorii cu bandă interzisă largă (WBG), reprezentați de carbura de siliciu (SiC) și nitrura de galiu (GaN), au primit o atenție largă. Oamenii au așteptări mari cu privire la perspectivele de aplicare ale carburii de siliciu în vehiculele electrice și rețelele electrice, precum și perspectivele de aplicare ale nitrurii de galiu în încărcarea rapidă. În ultimii ani, cercetările asupra Ga2O3, AlN și materialelor cu diamant au înregistrat progrese semnificative, punând materialele semiconductoare cu bandă interzisă ultra-largă în centrul atenției. Printre acestea, oxidul de galiu (Ga2O3) este un material semiconductor cu bandă interzisă ultra-largă emergent, cu o bandă interzisă de 4,8 eV, o intensitate a câmpului critic de străpungere teoretică de aproximativ 8 MV cm-1, o viteză de saturație de aproximativ 2E7 cm s-1 și un factor de calitate Baliga ridicat de 3000, primind o atenție largă în domeniul electronicii de putere de înaltă tensiune și înaltă frecvență.

1. Caracteristicile materialului de oxid de galiu

Ga2O3 are o bandă interzisă mare (4,8 eV), se așteaptă să atingă atât tensiuni de rezistență ridicate, cât și capacități de putere ridicate și poate avea potențialul de adaptabilitate la tensiune ridicată la o rezistență relativ scăzută, ceea ce îl face în centrul cercetărilor actuale. În plus, Ga2O3 nu numai că are proprietăți excelente ale materialului, dar oferă și o varietate de tehnologii de dopare de tip n ușor reglabile, precum și tehnologii de creștere a substraturilor și epitaxie cu costuri reduse. Până în prezent, în Ga2O3 au fost descoperite cinci faze cristaline diferite, inclusiv faza corindon (α), monoclinică (β), spinel defect (γ), cubică (δ) și ortorombică (ɛ). Stabilitățile termodinamice sunt, în ordine, γ, δ, α, ɛ și β. Este demn de remarcat faptul că β-Ga2O3 monoclinică este cea mai stabilă, în special la temperaturi ridicate, în timp ce alte faze sunt metastabile peste temperatura camerei și tind să se transforme în faza β în anumite condiții termice. Prin urmare, dezvoltarea dispozitivelor bazate pe β-Ga2O3 a devenit un obiectiv major în domeniul electronicii de putere în ultimii ani.

Tabelul 1 Compararea unor parametri ai materialelor semiconductoare

Structura cristalină a β-Ga2O3 monoclinic este prezentată în Tabelul 1. Parametrii rețelei sale includ a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å și β = 103,8°. Celula unitară este formată din atomi de Ga(I) cu coordonare tetraedrică răsucită și atomi de Ga(II) cu coordonare octaedrică. Există trei aranjamente diferite ale atomilor de oxigen în rețeaua „cubică răsucită”, inclusiv doi atomi O(I) și O(II) coordonați triunghiular și un atom O(III) coordonat tetraedric. Combinarea acestor două tipuri de coordonare atomică duce la anizotropia β-Ga2O3 cu proprietăți speciale în fizică, coroziune chimică, optică și electronică.

Figura 1 Diagramă structurală schematică a cristalului monoclinic β-Ga2O3

Din perspectiva teoriei benzilor de energie, valoarea minimă a benzii de conducție a β-Ga2O3 este derivată din starea de energie corespunzătoare orbitei hibride 4s0 a atomului de Ga. Diferența de energie măsurată dintre valoarea minimă a benzii de conducție și nivelul de energie din vid (energia de afinitate electronică) este de 4 eV. Masa efectivă a electronului β-Ga2O3 este măsurată ca fiind de 0,28–0,33 me și are conductivitate electronică favorabilă. Cu toate acestea, maximul benzii de valență prezintă o curbă Ek superficială, cu o curbură foarte mică și orbitali O2p puternic localizați, sugerând că golurile sunt profund localizate. Aceste caracteristici reprezintă o provocare uriașă pentru realizarea dopării de tip p în β-Ga2O3. Chiar dacă se poate realiza doparea de tip P, golul μ rămâne la un nivel foarte scăzut. 2. Creșterea monocristalului de oxid de galiu în vrac Până în prezent, metoda de creștere a substratului monocristal de β-Ga2O3 în vrac este în principal metoda de tragere a cristalelor, cum ar fi Czochralski (CZ), metoda de alimentare cu peliculă subțire definită pe margini (Edge-Defined film-fed, EFG), tehnologia Bridgman (Bridgman vertical sau orizontal, HB sau VB) și tehnologia zonei flotante (floating zone, FZ). Dintre toate metodele, se așteaptă ca metodele Czochralski și metoda de alimentare cu peliculă subțire definită pe margini să fie cele mai promițătoare căi pentru producția în masă de napolitane β-Ga2O3 în viitor, deoarece acestea pot realiza simultan volume mari și densități reduse de defecte. Până în prezent, compania japoneză Novel Crystal Technology a realizat o matrice comercială pentru creșterea topiturii de β-Ga2O3.

1.1 Metoda Czochralski

Principiul metodei Czochralski este acela că stratul de însămânțare este mai întâi acoperit, iar apoi monocristalul este extras lent din topitură. Metoda Czochralski este din ce în ce mai importantă pentru β-Ga2O3 datorită rentabilității sale, capacităților de dimensiuni mari și creșterii substratului de înaltă calitate a cristalelor. Cu toate acestea, din cauza stresului termic în timpul creșterii la temperatură înaltă a Ga2O3, va avea loc evaporarea monocristalelor, a materialelor topite și deteriorarea creuzetului de Ir. Acest lucru este rezultatul dificultății de a obține un dopaj de tip n scăzut în Ga2O3. Introducerea unei cantități adecvate de oxigen în atmosfera de creștere este o modalitate de a rezolva această problemă. Prin optimizare, β-Ga2O3 de înaltă calitate, de 2 inci, cu un interval de concentrație a electronilor liberi de 10^16~10^19 cm-3 și o densitate maximă de electroni de 160 cm2/Vs, a fost obținut cu succes prin metoda Czochralski.

Figura 2 Monocristal de β-Ga2O3 crescut prin metoda Czochralski

1.2 Metoda de alimentare cu film definit pe margini

Metoda de alimentare cu peliculă subțire definită pe margini este considerată principalul concurent pentru producția comercială de materiale monocristaline de Ga2O3 cu suprafață mare. Principiul acestei metode este de a plasa topitura într-o matriță cu o fantă capilară, iar topitura se ridică în matriță prin acțiune capilară. În partea superioară, se formează o peliculă subțire care se răspândește în toate direcțiile, fiind în același timp indusă să cristalizeze de cristalul de însămânțare. În plus, marginile părții superioare a matriței pot fi controlate pentru a produce cristale în fulgi, tuburi sau orice geometrie dorită. Metoda de alimentare cu peliculă subțire definită pe margini a Ga2O3 oferă rate de creștere rapide și diametre mari. Figura 3 prezintă o diagramă a unui monocristal β-Ga2O3. În plus, în ceea ce privește scala dimensională, au fost comercializate substraturi de β-Ga2O3 de 2 inci și 4 inci cu transparență și uniformitate excelente, în timp ce substratul de 6 inci este demonstrat în cercetări pentru comercializare viitoare. Recent, au devenit disponibile și materiale vrac monocristaline circulare mari cu orientare (-201). În plus, metoda de alimentare cu peliculă definită de margini β-Ga2O3 promovează și doparea elementelor metalice de tranziție, făcând posibilă cercetarea și prepararea Ga2O3.

Figura 3 Monocristal β-Ga2O3 crescut prin metoda de alimentare cu film definit pe margini

1.3 Metoda Bridgeman

În metoda Bridgeman, cristalele se formează într-un creuzet care este mișcat treptat printr-un gradient de temperatură. Procesul poate fi efectuat într-o orientare orizontală sau verticală, de obicei folosind un creuzet rotativ. Este demn de remarcat faptul că această metodă poate utiliza sau nu semințe de cristal. Operatorii tradiționali Bridgman nu au vizualizare directă a proceselor de topire și creștere a cristalelor și trebuie să controleze temperaturile cu o precizie ridicată. Metoda Bridgman verticală este utilizată în principal pentru creșterea β-Ga2O3 și este cunoscută pentru capacitatea sa de a crește într-un mediu cu aer. În timpul procesului de creștere prin metoda Bridgman verticală, pierderea totală de masă a topiturii și a creuzetului este menținută sub 1%, permițând creșterea monocristalelor mari de β-Ga2O3 cu pierderi minime.

Figura 4 Monocristal de β-Ga2O3 crescut prin metoda Bridgeman

1.4 Metoda zonei flotante

Metoda zonei flotante rezolvă problema contaminării cristalelor cu materiale pentru creuzet și reduce costurile ridicate asociate creuzetelor cu infraroșu rezistente la temperaturi ridicate. În timpul acestui proces de creștere, topitura poate fi încălzită de o lampă mai degrabă decât de o sursă de radiofrecvență, simplificând astfel cerințele pentru echipamentele de creștere. Deși forma și calitatea cristalului β-Ga2O3 crescut prin metoda zonei flotante nu sunt încă optime, această metodă deschide o cale promițătoare pentru creșterea β-Ga2O3 de înaltă puritate în monocristale accesibile ca preț.