เทคโนโลยีการเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยวและเอพิแทกเซียลของแกเลียมออกไซด์

สารกึ่งตัวนำแบนด์แก๊ปกว้าง (WBG) ที่แสดงโดยซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกเลียมไนไตรด์ (GaN) ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง ผู้คนมีความคาดหวังสูงต่อโอกาสการประยุกต์ใช้ซิลิกอนคาร์ไบด์ในยานพาหนะไฟฟ้าและโครงข่ายไฟฟ้า รวมถึงโอกาสการประยุกต์ใช้แกเลียมไนไตรด์ในการชาร์จด่วน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การวิจัยเกี่ยวกับวัสดุ Ga2O3, AlN และเพชรได้ก้าวหน้าอย่างมาก ทำให้วัสดุสารกึ่งตัวนำแบนด์แก๊ปกว้างพิเศษกลายเป็นจุดสนใจ ในจำนวนนั้น แกเลียมออกไซด์ (Ga2O3) เป็นวัสดุสารกึ่งตัวนำแบนด์แก๊ปกว้างพิเศษที่เพิ่งเกิดขึ้นใหม่ โดยมีแบนด์แก๊ป 4.8 eV ความเข้มของสนามการพังทลายวิกฤตเชิงทฤษฎีประมาณ 8 MV cm-1 ความเร็วอิ่มตัวประมาณ 2E7cm s-1 และปัจจัยคุณภาพ Baliga สูง 3000 ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในสาขาอิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้าแรงสูงและความถี่สูง

1. ลักษณะของวัสดุแกลเลียมออกไซด์

Ga2O3 มีแบนด์แก๊ปขนาดใหญ่ (4.8 eV) คาดว่าจะสามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าและกำลังไฟฟ้าสูงได้ และอาจมีศักยภาพในการปรับแรงดันไฟฟ้าได้สูงที่ความต้านทานค่อนข้างต่ำ ทำให้ Ga2O3 เป็นจุดสนใจของการวิจัยในปัจจุบัน นอกจากนี้ Ga2O3 ไม่เพียงแต่มีคุณสมบัติของวัสดุที่ยอดเยี่ยมเท่านั้น แต่ยังมีเทคโนโลยีการเจือปน n-type ที่ปรับได้ง่ายหลากหลาย รวมถึงเทคโนโลยีการเติบโตของสารตั้งต้นและการสร้างเอพิแทกซีที่มีต้นทุนต่ำ จนถึงขณะนี้ มีการค้นพบเฟสผลึกที่แตกต่างกันห้าเฟสใน Ga2O3 ได้แก่ คอรันดัม (α) โมโนคลินิก (β) สปิเนลที่มีข้อบกพร่อง (γ) คิวบิก (δ) และออร์โธรอมบิก (ɛ) ความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์ ได้แก่ γ, δ, α, ɛ และ β ตามลำดับ ควรสังเกตว่า β-Ga2O3 โมโนคลินิกมีความเสถียรมากที่สุด โดยเฉพาะที่อุณหภูมิสูง ในขณะที่เฟสอื่นๆ มีความเสถียรเหนืออุณหภูมิห้องและมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนเป็นเฟส β ภายใต้สภาวะความร้อนเฉพาะ ดังนั้น การพัฒนาอุปกรณ์ที่ใช้ β-Ga2O3 จึงกลายเป็นประเด็นสำคัญในสาขาอิเล็กทรอนิกส์กำลังในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

ตารางที่ 1 การเปรียบเทียบพารามิเตอร์วัสดุเซมิคอนดักเตอร์บางชนิด

โครงสร้างผลึกของโมโนคลินิกβ-Ga2O3 แสดงอยู่ในตารางที่ 1 พารามิเตอร์ของโครงตาข่ายประกอบด้วย a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å และ β = 103.8° เซลล์ยูนิตประกอบด้วยอะตอม Ga(I) ที่มีการประสานงานแบบเตตระฮีดรัลบิด และอะตอม Ga(II) ที่มีการประสานงานแบบแปดหน้า มีการจัดเรียงอะตอมออกซิเจนสามแบบที่แตกต่างกันในอาร์เรย์ "ลูกบาศก์บิด" รวมถึงอะตอม O(I) และ O(II) ที่มีการประสานงานแบบสามเหลี่ยมสองอะตอม และอะตอม O(III) ที่มีการประสานงานแบบเตตระฮีดรัลหนึ่งอะตอม การรวมกันของการประสานงานอะตอมทั้งสองประเภทนี้ทำให้เกิดแอนไอโซทรอปีของ β-Ga2O3 ซึ่งมีคุณสมบัติพิเศษในฟิสิกส์ การกัดกร่อนทางเคมี แสง และอิเล็กทรอนิกส์

รูปที่ 1 แผนผังโครงสร้างผลึกโมโนคลินิก β-Ga2O3

จากมุมมองของทฤษฎีแถบพลังงาน ค่าต่ำสุดของแถบการนำไฟฟ้าของ β-Ga2O3 ได้มาจากสถานะพลังงานที่สอดคล้องกับวงโคจรไฮบริด 4s0 ของอะตอม Ga ความแตกต่างของพลังงานระหว่างค่าต่ำสุดของแถบการนำไฟฟ้าและระดับพลังงานสุญญากาศ (พลังงานสัมพันธ์อิเล็กตรอน) ถูกวัดได้คือ 4 eV มวลอิเล็กตรอนที่มีประสิทธิภาพของ β-Ga2O3 ถูกวัดได้ 0.28–0.33 me และค่าการนำไฟฟ้าที่เอื้ออำนวย อย่างไรก็ตาม ค่าสูงสุดของแถบวาเลนซ์แสดงให้เห็นเส้นโค้ง Ek ตื้นพร้อมความโค้งที่ต่ำมาก และวงโคจร O2p ที่มีตำแหน่งเฉพาะที่ชัดเจน ซึ่งแสดงให้เห็นว่าโฮลนั้นอยู่ในตำแหน่งเฉพาะที่ลึก ลักษณะเหล่านี้สร้างความท้าทายครั้งใหญ่ในการบรรลุการเจือปนประเภท p ใน β-Ga2O3 แม้ว่าจะบรรลุการเจือปนประเภท P ได้ แต่โฮล μ ยังคงอยู่ที่ระดับต่ำมาก 2. การเติบโตของผลึกเดี่ยวแกลเลียมออกไซด์จำนวนมาก จนถึงขณะนี้ วิธีการเติบโตของสารตั้งต้นผลึกเดี่ยว β-Ga2O3 จำนวนมากเป็นวิธีการดึงผลึกเป็นหลัก เช่น Czochralski (CZ) วิธีการป้อนฟิล์มบางที่กำหนดขอบ (Edge -Defined film-fed, EFG), Bridgman (แนวระนาบหรือแนวนอน Bridgman, HB หรือ VB) และเทคโนโลยีโซนลอย (โซนลอย, FZ) ในบรรดาวิธีการทั้งหมด คาดว่าวิธีการป้อนฟิล์มบางที่กำหนดขอบและ Czochralski จะเป็นแนวทางที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับการผลิตเวเฟอร์ β-Ga2O3 จำนวนมากในอนาคต เนื่องจากสามารถบรรลุปริมาณมากพร้อมกันและมีความหนาแน่นของข้อบกพร่องต่ำ จนถึงขณะนี้ Novel Crystal Technology ของญี่ปุ่นได้สร้างเมทริกซ์เชิงพาณิชย์สำหรับการเติบโตของ β-Ga2O3 จากของเหลวหลอมเหลว

1.1 วิธีการของ Czochralski

หลักการของวิธี Czochralski คือชั้นเมล็ดจะถูกปกคลุมก่อน จากนั้นจึงค่อยๆ ดึงผลึกเดี่ยวออกจากของเหลวที่หลอมละลาย วิธี Czochralski มีความสำคัญเพิ่มมากขึ้นสำหรับ β-Ga2O3 เนื่องจากคุ้มทุน มีขนาดใหญ่ และให้คุณภาพของผลึกสูงสำหรับการเติบโตของสารตั้งต้น อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความเครียดจากความร้อนระหว่างการเติบโตของ Ga2O3 ที่อุณหภูมิสูง จะทำให้เกิดการระเหยของผลึกเดี่ยว วัสดุที่หลอมละลาย และความเสียหายต่อเบ้าหลอม Ir ซึ่งเป็นผลมาจากความยากลำบากในการบรรลุการเจือปน n-type ต่ำใน Ga2O3 การนำออกซิเจนในปริมาณที่เหมาะสมเข้าไปในชั้นบรรยากาศการเจริญเติบโตเป็นวิธีหนึ่งในการแก้ปัญหานี้ โดยผ่านการเพิ่มประสิทธิภาพ β-Ga2O3 ขนาด 2 นิ้วคุณภาพสูงที่มีช่วงความเข้มข้นของอิเล็กตรอนอิสระ 10^16~10^19 cm-3 และความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูงสุด 160 cm2/Vs ได้รับการปลูกสำเร็จด้วยวิธี Czochralski

รูปที่ 2 ผลึกเดี่ยวของ β-Ga2O3 ที่ปลูกโดยวิธี Czochralski

1.2 วิธีการป้อนฟิล์มแบบกำหนดขอบ

วิธีการป้อนฟิล์มบางที่มีขอบกำหนดถือเป็นคู่แข่งชั้นนำสำหรับการผลิตเชิงพาณิชย์ของวัสดุผลึกเดี่ยว Ga2O3 พื้นที่ขนาดใหญ่ หลักการของวิธีนี้คือการวางของเหลวที่หลอมละลายในแม่พิมพ์ที่มีรอยแยกเส้นเลือดฝอย และของเหลวที่หลอมละลายจะลอยขึ้นสู่แม่พิมพ์ผ่านการกระทำของเส้นเลือดฝอย ที่ด้านบน ฟิล์มบางจะก่อตัวและแพร่กระจายไปในทุกทิศทางในขณะที่ถูกเหนี่ยวนำให้ตกผลึกโดยผลึกเมล็ดพืช นอกจากนี้ ขอบด้านบนของแม่พิมพ์ยังสามารถควบคุมได้เพื่อผลิตผลึกในรูปแบบเกล็ด ท่อ หรือรูปทรงใดๆ ที่ต้องการ วิธีการป้อนฟิล์มบางที่มีขอบกำหนดของ Ga2O3 ให้การเติบโตที่รวดเร็วและเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ รูปที่ 3 แสดงไดอะแกรมของผลึกเดี่ยว β-Ga2O3 นอกจากนี้ ในแง่ของมาตราส่วนขนาด สารตั้งต้น β-Ga2O3 ขนาด 2 นิ้วและ 4 นิ้วที่มีความโปร่งใสและความสม่ำเสมอที่ยอดเยี่ยมได้รับการนำออกสู่ตลาด ในขณะที่สารตั้งต้นขนาด 6 นิ้วได้รับการสาธิตในการวิจัยสำหรับการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ในอนาคต เมื่อไม่นานมานี้ วัสดุจำนวนมากที่เป็นผลึกเดี่ยวทรงกลมขนาดใหญ่ที่มีทิศทาง (−201) ก็มีจำหน่ายแล้ว นอกจากนี้ วิธีการป้อนฟิล์มที่มีขอบ β-Ga2O3 ยังส่งเสริมการเจือธาตุโลหะทรานสิชั่น ทำให้สามารถวิจัยและเตรียม Ga2O3 ได้

รูปที่ 3 การปลูกผลึกเดี่ยว β-Ga2O3 โดยวิธีการป้อนฟิล์มที่กำหนดขอบ

1.3 วิธีการบริดจ์แมน

ในวิธี Bridgeman ผลึกจะถูกสร้างขึ้นในเบ้าหลอมที่ค่อยๆ เคลื่อนผ่านระดับอุณหภูมิ กระบวนการนี้สามารถดำเนินการได้ในแนวราบหรือแนวตั้ง โดยปกติจะใช้เบ้าหลอมแบบหมุน ควรสังเกตว่าวิธีนี้อาจใช้หรือไม่ใช้เมล็ดผลึกก็ได้ ผู้ปฏิบัติงาน Bridgman แบบดั้งเดิมขาดการมองเห็นโดยตรงของกระบวนการหลอมเหลวและการเติบโตของผลึก และต้องควบคุมอุณหภูมิด้วยความแม่นยำสูง วิธี Bridgman แบบแนวตั้งใช้เป็นหลักในการเติบโตของ β-Ga2O3 และเป็นที่รู้จักในความสามารถในการเติบโตในสภาพแวดล้อมของอากาศ ในระหว่างกระบวนการเติบโตของวิธี Bridgman แบบแนวตั้ง การสูญเสียมวลรวมของของเหลวที่หลอมเหลวและเบ้าหลอมจะถูกควบคุมให้อยู่ต่ำกว่า 1% ทำให้สามารถเติบโตผลึกเดี่ยว β-Ga2O3 ขนาดใหญ่ได้โดยมีการสูญเสียเพียงเล็กน้อย

รูปที่ 4 ผลึกเดี่ยวของ β-Ga2O3 ที่ปลูกโดยวิธี Bridgeman

1.4 วิธีการโซนลอยตัว

วิธีการโซนลอยช่วยแก้ปัญหาการปนเปื้อนของผลึกจากวัสดุในเบ้าหลอม และลดต้นทุนสูงที่เกี่ยวข้องกับเบ้าหลอมอินฟราเรดที่ทนต่ออุณหภูมิสูง ในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตนี้ ของเหลวที่หลอมละลายสามารถให้ความร้อนได้โดยใช้หลอดไฟแทนแหล่ง RF จึงทำให้ข้อกำหนดสำหรับอุปกรณ์การเจริญเติบโตง่ายขึ้น แม้ว่ารูปร่างและคุณภาพของผลึกของ β-Ga2O3 ที่ปลูกโดยวิธีการโซนลอยจะยังไม่เหมาะสมที่สุด แต่ด้วยวิธีการนี้ทำให้เป็นวิธีที่มีแนวโน้มดีในการปลูก β-Ga2O3 ที่มีความบริสุทธิ์สูงให้เป็นผลึกเดี่ยวราคาประหยัด

รูปที่ 5 ผลึกเดี่ยว β-Ga2O3 ที่ปลูกโดยวิธีโซนลอย