เทคโนโลยีการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยวและเอพิแท็กเซียลของแกลเลียมออกไซด์

สารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างพลังงานกว้าง (WBG) เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง ผู้คนมีความคาดหวังสูงต่อโอกาสในการประยุกต์ใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์ในรถยนต์ไฟฟ้าและระบบส่งไฟฟ้า รวมถึงโอกาสในการประยุกต์ใช้แกลเลียมไนไตรด์ในการชาร์จเร็ว ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การวิจัยเกี่ยวกับวัสดุ Ga2O3, AlN และเพชรได้ก้าวหน้าไปอย่างมาก ทำให้วัสดุสารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างพลังงานกว้างเป็นพิเศษกลายเป็นจุดสนใจ ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ แกลเลียมออกไซด์ (Ga2O3) เป็นวัสดุสารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างพลังงานกว้างเป็นพิเศษที่กำลังได้รับความสนใจอย่างมาก โดยมีช่องว่างพลังงาน 4.8 eV ความแข็งแรงของสนามไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการแตกตัวทางทฤษฎีประมาณ 8 MV cm-1 ความเร็วอิ่มตัวประมาณ 2E7 cm s-1 และค่าคุณภาพ Baliga สูงถึง 3000 ซึ่งได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้าแรงสูงและความถี่สูง

1. คุณลักษณะของวัสดุแกลเลียมออกไซด์

Ga2O3 มีช่องว่างพลังงานขนาดใหญ่ (4.8 eV) คาดว่าจะสามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าสูงและมีกำลังไฟฟ้าสูง และมีศักยภาพในการปรับตัวให้เข้ากับแรงดันไฟฟ้าสูงได้ที่ความต้านทานค่อนข้างต่ำ ทำให้เป็นที่สนใจของการวิจัยในปัจจุบัน นอกจากนี้ Ga2O3 ไม่เพียงแต่มีคุณสมบัติของวัสดุที่ยอดเยี่ยมเท่านั้น แต่ยังให้เทคโนโลยีการเจือสารแบบ n-type ที่ปรับเปลี่ยนได้ง่ายหลากหลายรูปแบบ รวมถึงเทคโนโลยีการเติบโตของพื้นผิวและการปลูกผลึกแบบเอพิแท็กซีต้นทุนต่ำ จนถึงปัจจุบัน มีการค้นพบเฟสผลึกที่แตกต่างกันห้าเฟสใน Ga2O3 ได้แก่ เฟสคอรันดัม (α) เฟสโมโนคลินิก (β) เฟสสปิเนลที่มีข้อบกพร่อง (γ) เฟสลูกบาศก์ (δ) และเฟสออร์โธรอมบิก (ɛ) ความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์เรียงลำดับจากมากไปน้อยคือ γ, δ, α, ɛ และ β ที่น่าสังเกตคือ β-Ga2O3 แบบโมโนคลินิกมีความเสถียรมากที่สุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิสูง ในขณะที่เฟสอื่นๆ มีความเสถียรไม่แน่นอนเหนืออุณหภูมิห้องและมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนไปเป็นเฟส β ภายใต้สภาวะความร้อนเฉพาะ ดังนั้น การพัฒนาอุปกรณ์ที่ใช้ β-Ga2O3 จึงกลายเป็นเป้าหมายสำคัญในสาขาอิเล็กทรอนิกส์กำลังในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

ตารางที่ 1 การเปรียบเทียบพารามิเตอร์บางประการของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์

โครงสร้างผลึกของ β-Ga2O3 แบบโมโนคลินิกแสดงในตารางที่ 1 พารามิเตอร์แลตติสประกอบด้วย a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å และ β = 103.8° เซลล์หน่วยประกอบด้วยอะตอม Ga(I) ที่มีการประสานงานแบบทรงสี่หน้าบิดเบี้ยว และอะตอม Ga(II) ที่มีการประสานงานแบบทรงแปดหน้า มีการจัดเรียงอะตอมออกซิเจนที่แตกต่างกันสามแบบในโครงสร้าง "ลูกบาศก์บิดเบี้ยว" ได้แก่ อะตอม O(I) และ O(II) สองอะตอมที่ประสานงานแบบสามเหลี่ยม และอะตอม O(III) หนึ่งอะตอมที่ประสานงานแบบทรงสี่หน้า การรวมกันของการประสานงานอะตอมทั้งสองประเภทนี้ทำให้เกิดความไม่สมมาตรของ β-Ga2O3 ซึ่งมีคุณสมบัติพิเศษในด้านฟิสิกส์ การกัดกร่อนทางเคมี ทัศนศาสตร์ และอิเล็กทรอนิกส์

รูปที่ 1 แผนภาพโครงสร้างโดยสังเขปของผลึกโมโนคลินิก β-Ga2O3

จากมุมมองของทฤษฎีแถบพลังงาน ค่าต่ำสุดของแถบนำไฟฟ้าของ β-Ga2O3 ได้มาจากสถานะพลังงานที่สอดคล้องกับวงโคจรไฮบริด 4s0 ของอะตอม Ga ความแตกต่างของพลังงานระหว่างค่าต่ำสุดของแถบนำไฟฟ้าและระดับพลังงานสุญญากาศ (พลังงานสัมพัทธ์ของอิเล็กตรอน) วัดได้ 4 eV มวลอิเล็กตรอนที่มีประสิทธิภาพของ β-Ga2O3 วัดได้ 0.28–0.33 me และมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดี อย่างไรก็ตาม ค่าสูงสุดของแถบวาเลนซ์แสดงให้เห็นเส้นโค้ง Ek ที่ตื้นมาก มีความโค้งต่ำมาก และวงโคจร O2p ที่มีการจำกัดตำแหน่งอย่างมาก ซึ่งบ่งชี้ว่าโฮลมีการจำกัดตำแหน่งอย่างลึกซึ้ง ลักษณะเหล่านี้เป็นความท้าทายอย่างมากในการทำให้เกิดการเจือปนแบบ p-type ใน β-Ga2O3 แม้ว่าจะสามารถทำให้เกิดการเจือปนแบบ p-type ได้ แต่มวลโฮล μ ก็ยังคงอยู่ในระดับต่ำมาก 2. การเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยวแกลเลียมออกไซด์ขนาดใหญ่ จนถึงปัจจุบัน วิธีการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยว β-Ga2O3 ขนาดใหญ่ส่วนใหญ่ใช้วิธีการดึงผลึก เช่น วิธี Czochralski (CZ), วิธีการป้อนฟิล์มบางแบบกำหนดขอบ (Edge-Defined film-fed, EFG), วิธี Bridgman (Bridgman แนวตั้งหรือแนวนอน, HB หรือ VB) และเทคโนโลยีโซนลอยตัว (floating zone, FZ) ในบรรดาวิธีการทั้งหมด วิธี Czochralski และวิธีการป้อนฟิล์มบางแบบกำหนดขอบคาดว่าจะเป็นแนวทางที่มีศักยภาพมากที่สุดสำหรับการผลิตเวเฟอร์ β-Ga2O3 จำนวนมากในอนาคต เนื่องจากสามารถผลิตได้ในปริมาณมากและมีความหนาแน่นของข้อบกพร่องต่ำพร้อมกัน จนถึงปัจจุบัน บริษัท Novel Crystal Technology ของญี่ปุ่นได้พัฒนาเมทริกซ์เชิงพาณิชย์สำหรับการเจริญเติบโตแบบหลอมเหลวของ β-Ga2O3 แล้ว

1.1 วิธี Czochralski

หลักการของวิธี Czochralski คือการเคลือบชั้นเมล็ดก่อน จากนั้นจึงค่อยๆ ดึงผลึกเดี่ยวออกจากสารละลาย วิธี Czochralski มีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ สำหรับ β-Ga2O3 เนื่องจากความคุ้มค่า ความสามารถในการผลิตขนาดใหญ่ และการเติบโตของพื้นผิวที่มีคุณภาพผลึกสูง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความเครียดจากความร้อนในระหว่างการเติบโตของ Ga2O3 ที่อุณหภูมิสูง จะทำให้เกิดการระเหยของผลึกเดี่ยว วัสดุหลอมเหลว และความเสียหายต่อเบ้าหลอม Ir ซึ่งเป็นผลมาจากความยากลำบากในการทำให้ Ga2O3 มีการเจือจางแบบ n-type ในระดับต่ำ การนำออกซิเจนในปริมาณที่เหมาะสมเข้าสู่บรรยากาศการเติบโตเป็นวิธีหนึ่งในการแก้ปัญหานี้ ผ่านการปรับให้เหมาะสมแล้ว ได้มีการปลูก β-Ga2O3 ขนาด 2 นิ้วคุณภาพสูงที่มีความเข้มข้นของอิเล็กตรอนอิสระอยู่ในช่วง 10^16~10^19 cm-3 และความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูงสุด 160 cm2/Vs ได้สำเร็จด้วยวิธี Czochralski

รูปที่ 2 ผลึกเดี่ยวของ β-Ga2O3 ที่ปลูกโดยวิธี Czochralski

1.2 วิธีการป้อนฟิล์มแบบกำหนดขอบ

วิธีการป้อนฟิล์มบางแบบกำหนดขอบถือเป็นวิธีการชั้นนำสำหรับการผลิตวัสดุผลึกเดี่ยว Ga2O3 ขนาดใหญ่ในเชิงพาณิชย์ หลักการของวิธีนี้คือการวางสารหลอมเหลวลงในแม่พิมพ์ที่มีร่องแคปิลลารี และสารหลอมเหลวจะไหลขึ้นไปยังแม่พิมพ์ด้วยแรงดึงดูดของแคปิลลารี ที่ด้านบน ฟิล์มบางจะก่อตัวขึ้นและกระจายไปในทุกทิศทางในขณะที่ถูกกระตุ้นให้ตกผลึกโดยผลึกต้นแบบ นอกจากนี้ ขอบของด้านบนของแม่พิมพ์ยังสามารถควบคุมได้เพื่อผลิตผลึกในรูปทรงเกล็ด ท่อ หรือรูปทรงเรขาคณิตใดๆ ที่ต้องการ วิธีการป้อนฟิล์มบางแบบกำหนดขอบของ Ga2O3 ให้ความเร็วในการเติบโตที่รวดเร็วและขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ รูปที่ 3 แสดงแผนภาพของผลึกเดี่ยว β-Ga2O3 นอกจากนี้ ในแง่ของขนาด แผ่นรองพื้น β-Ga2O3 ขนาด 2 นิ้วและ 4 นิ้วที่มีความโปร่งใสและความสม่ำเสมอที่ยอดเยี่ยมได้ถูกนำมาใช้ในเชิงพาณิชย์แล้ว ในขณะที่แผ่นรองพื้นขนาด 6 นิ้วกำลังอยู่ในระหว่างการวิจัยเพื่อการพัฒนาเชิงพาณิชย์ในอนาคต เมื่อเร็วๆ นี้ วัสดุผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่ทรงกลมที่มีทิศทาง (−201) ก็เริ่มมีจำหน่ายแล้วเช่นกัน นอกจากนี้ วิธีการป้อนฟิล์ม β-Ga2O3 ที่กำหนดขอบยังช่วยส่งเสริมการเติมธาตุโลหะทรานซิชัน ทำให้การวิจัยและการเตรียม Ga2O3 เป็นไปได้

รูปที่ 3 ผลึกเดี่ยว β-Ga2O3 ที่ปลูกโดยวิธีป้อนฟิล์มแบบกำหนดขอบ

1.3 วิธีบริดจ์แมน

ในวิธีการบริดจ์แมน ผลึกจะถูกสร้างขึ้นในเบ้าหลอมที่ค่อยๆ เคลื่อนที่ผ่านการไล่ระดับอุณหภูมิ กระบวนการนี้สามารถทำได้ในแนวนอนหรือแนวตั้ง โดยปกติจะใช้เบ้าหลอมแบบหมุนได้ เป็นที่น่าสังเกตว่าวิธีการนี้อาจใช้หรือไม่ใช้เมล็ดผลึกก็ได้ ผู้ดำเนินการบริดจ์แมนแบบดั้งเดิมขาดการมองเห็นโดยตรงของกระบวนการหลอมและการเติบโตของผลึก และต้องควบคุมอุณหภูมิด้วยความแม่นยำสูง วิธีการบริดจ์แมนแบบแนวตั้งส่วนใหญ่ใช้สำหรับการเติบโตของ β-Ga2O3 และเป็นที่รู้จักในด้านความสามารถในการเติบโตในสภาพแวดล้อมที่เป็นอากาศ ในระหว่างกระบวนการเติบโตด้วยวิธีบริดจ์แมนแบบแนวตั้ง การสูญเสียมวลรวมของสารหลอมเหลวและเบ้าหลอมจะถูกควบคุมให้ต่ำกว่า 1% ทำให้สามารถเติบโตผลึกเดี่ยว β-Ga2O3 ขนาดใหญ่ได้โดยมีการสูญเสียน้อยที่สุด

รูปที่ 4 ผลึกเดี่ยวของ β-Ga2O3 ที่ปลูกโดยวิธี Bridgeman

1.4 วิธีโซนลอยตัว

วิธีการโซนลอยตัวช่วยแก้ปัญหาการปนเปื้อนของผลึกจากวัสดุเบ้าหลอม และลดต้นทุนสูงที่เกี่ยวข้องกับเบ้าหลอมอินฟราเรดที่ทนต่ออุณหภูมิสูง ในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตนี้ สารหลอมเหลวสามารถให้ความร้อนได้ด้วยหลอดไฟแทนแหล่งกำเนิดคลื่นวิทยุ จึงช่วยลดความต้องการอุปกรณ์การเจริญเติบโต แม้ว่ารูปร่างและคุณภาพของผลึก β-Ga2O3 ที่ปลูกโดยวิธีการโซนลอยตัวจะยังไม่ดีที่สุด แต่วิธีนี้ก็เปิดโอกาสให้เกิดวิธีการที่น่าสนใจสำหรับการปลูก β-Ga2O3 ที่มีความบริสุทธิ์สูงให้เป็นผลึกเดี่ยวในราคาประหยัด