Các chất bán dẫn có dải năng lượng rộng (WBG), tiêu biểu là silicon carbide (SiC) và gallium nitride (GaN), đã nhận được sự quan tâm rộng rãi. Mọi người đặt nhiều kỳ vọng vào triển vọng ứng dụng của silicon carbide trong xe điện và lưới điện, cũng như triển vọng ứng dụng của gallium nitride trong sạc nhanh. Trong những năm gần đây, nghiên cứu về vật liệu Ga2O3, AlN và kim cương đã đạt được những tiến bộ đáng kể, khiến các vật liệu bán dẫn có dải năng lượng siêu rộng trở thành tâm điểm chú ý. Trong số đó, gallium oxide (Ga2O3) là một vật liệu bán dẫn có dải năng lượng siêu rộng mới nổi với dải năng lượng 4,8 eV, cường độ điện trường tới hạn lý thuyết khoảng 8 MV cm-1, tốc độ bão hòa khoảng 2E7 cm s-1 và hệ số chất lượng Baliga cao là 3000, đang nhận được sự quan tâm rộng rãi trong lĩnh vực điện tử công suất cao áp và tần số cao.
1. Đặc tính vật liệu oxit gali
Ga2O3 có khe năng lượng lớn (4,8 eV), được kỳ vọng đạt được cả điện áp chịu đựng cao và khả năng công suất cao, đồng thời có tiềm năng thích ứng với điện áp cao ở điện trở tương đối thấp, khiến chúng trở thành tâm điểm của các nghiên cứu hiện nay. Ngoài ra, Ga2O3 không chỉ có các đặc tính vật liệu tuyệt vời mà còn cung cấp nhiều công nghệ pha tạp loại n dễ điều chỉnh, cũng như các công nghệ nuôi cấy chất nền và epitaxy chi phí thấp. Cho đến nay, năm pha tinh thể khác nhau đã được phát hiện trong Ga2O3, bao gồm các pha corundum (α), đơn tà (β), spinel khuyết tật (γ), lập phương (δ) và trực giao (ɛ). Độ ổn định nhiệt động học theo thứ tự là γ, δ, α, ɛ và β. Điều đáng chú ý là Ga2O3 β đơn tà là ổn định nhất, đặc biệt ở nhiệt độ cao, trong khi các pha khác không bền vững trên nhiệt độ phòng và có xu hướng chuyển đổi thành pha β trong các điều kiện nhiệt cụ thể. Do đó, việc phát triển các thiết bị dựa trên β-Ga2O3 đã trở thành trọng tâm chính trong lĩnh vực điện tử công suất những năm gần đây.
Bảng 1 So sánh một số thông số vật liệu bán dẫn
Cấu trúc tinh thể của β-Ga2O3 đơn tà được thể hiện trong Bảng 1. Các thông số mạng tinh thể của nó bao gồm a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å và β = 103,8°. Ô đơn vị bao gồm các nguyên tử Ga(I) với phối trí tứ diện xoắn và các nguyên tử Ga(II) với phối trí bát diện. Có ba cách sắp xếp khác nhau của các nguyên tử oxy trong mảng “lập phương xoắn”, bao gồm hai nguyên tử O(I) và O(II) phối trí tam giác và một nguyên tử O(III) phối trí tứ diện. Sự kết hợp của hai loại phối trí nguyên tử này dẫn đến tính dị hướng của β-Ga2O3 với các đặc tính đặc biệt trong vật lý, ăn mòn hóa học, quang học và điện tử.
Hình 1. Sơ đồ cấu trúc đơn nghiêng của tinh thể β-Ga2O3.
Theo lý thuyết dải năng lượng, giá trị cực tiểu của dải dẫn của β-Ga2O3 được suy ra từ trạng thái năng lượng tương ứng với quỹ đạo lai 4s0 của nguyên tử Ga. Sự khác biệt năng lượng giữa giá trị cực tiểu của dải dẫn và mức năng lượng chân không (năng lượng ái lực electron) được đo là 4 eV. Khối lượng electron hiệu dụng của β-Ga2O3 được đo là 0,28–0,33 me và có độ dẫn điện tử thuận lợi. Tuy nhiên, cực đại của dải hóa trị thể hiện đường cong Ek nông với độ cong rất thấp và các obitan O2p bị định xứ mạnh, cho thấy các lỗ trống bị định xứ sâu. Những đặc điểm này đặt ra thách thức lớn trong việc đạt được sự pha tạp kiểu p trong β-Ga2O3. Ngay cả khi có thể đạt được sự pha tạp kiểu p, độ dẫn điện của lỗ trống μ vẫn ở mức rất thấp. 2. Phát triển tinh thể đơn gallium oxide khối lượng lớn Cho đến nay, phương pháp phát triển chất nền tinh thể đơn β-Ga2O3 khối lượng lớn chủ yếu là phương pháp kéo tinh thể, chẳng hạn như phương pháp Czochralski (CZ), phương pháp cấp màng mỏng xác định cạnh (Edge-Defined film-fed, EFG), phương pháp Bridgman (Bridgman thẳng đứng hoặc nằm ngang, HB hoặc VB) và công nghệ vùng nổi (floating zone, FZ). Trong số tất cả các phương pháp, phương pháp Czochralski và phương pháp cấp màng mỏng xác định cạnh được kỳ vọng là những hướng đi triển vọng nhất cho sản xuất hàng loạt tấm wafer β-Ga2O3 trong tương lai, vì chúng có thể đồng thời đạt được sản lượng lớn và mật độ khuyết tật thấp. Cho đến nay, Công nghệ Tinh thể Mới của Nhật Bản đã tạo ra được một chất nền thương mại cho phương pháp phát triển nóng chảy β-Ga2O3.
1.1 Phương pháp Czochralski
Nguyên tắc của phương pháp Czochralski là lớp mầm được phủ trước, sau đó tinh thể đơn được từ từ kéo ra khỏi chất nóng chảy. Phương pháp Czochralski ngày càng trở nên quan trọng đối với việc sản xuất β-Ga2O3 do tính hiệu quả về chi phí, khả năng tạo ra các tinh thể kích thước lớn và chất nền có chất lượng tinh thể cao. Tuy nhiên, do ứng suất nhiệt trong quá trình nuôi cấy Ga2O3 ở nhiệt độ cao, hiện tượng bay hơi của tinh thể đơn, vật liệu nóng chảy và hư hỏng nồi nấu Ir sẽ xảy ra. Điều này dẫn đến khó khăn trong việc đạt được nồng độ pha tạp n-type thấp trong Ga2O3. Việc đưa một lượng oxy thích hợp vào môi trường nuôi cấy là một cách để giải quyết vấn đề này. Thông qua tối ưu hóa, β-Ga2O3 chất lượng cao kích thước 2 inch với nồng độ electron tự do trong khoảng 10^16~10^19 cm-3 và mật độ electron tối đa là 160 cm2/Vs đã được nuôi cấy thành công bằng phương pháp Czochralski.
Hình 2. Tinh thể đơn β-Ga2O3 được nuôi cấy bằng phương pháp Czochralski.
1.2 Phương pháp cấp màng phim xác định cạnh
Phương pháp cấp màng mỏng định hình cạnh được coi là ứng cử viên hàng đầu cho sản xuất thương mại vật liệu tinh thể đơn Ga2O3 diện tích lớn. Nguyên tắc của phương pháp này là đặt chất nóng chảy vào khuôn có khe mao dẫn, và chất nóng chảy sẽ dâng lên khuôn nhờ hiện tượng mao dẫn. Ở phía trên, một lớp màng mỏng hình thành và lan rộng theo mọi hướng đồng thời được kích thích kết tinh bởi tinh thể mầm. Ngoài ra, các cạnh của đỉnh khuôn có thể được kiểm soát để tạo ra các tinh thể dạng mảnh, ống hoặc bất kỳ hình dạng mong muốn nào. Phương pháp cấp màng mỏng định hình cạnh của Ga2O3 cung cấp tốc độ tăng trưởng nhanh và đường kính lớn. Hình 3 cho thấy sơ đồ của một tinh thể đơn β-Ga2O3. Hơn nữa, về quy mô kích thước, các chất nền β-Ga2O3 2 inch và 4 inch với độ trong suốt và độ đồng nhất tuyệt vời đã được thương mại hóa, trong khi chất nền 6 inch đang được nghiên cứu để thương mại hóa trong tương lai. Gần đây, các vật liệu khối tinh thể đơn hình tròn lớn với hướng (−201) cũng đã có sẵn. Ngoài ra, phương pháp cấp màng β-Ga2O3 định hình cạnh cũng thúc đẩy quá trình pha tạp các nguyên tố kim loại chuyển tiếp, giúp cho việc nghiên cứu và chế tạo Ga2O3 trở nên khả thi.
Hình 3. Tinh thể đơn β-Ga2O3 được nuôi cấy bằng phương pháp cấp màng định hình cạnh.
1.3 Phương pháp Bridgeman
Trong phương pháp Bridgeman, tinh thể được hình thành trong một nồi nung được di chuyển dần qua một thang nhiệt độ. Quá trình này có thể được thực hiện theo hướng nằm ngang hoặc thẳng đứng, thường sử dụng nồi nung quay. Cần lưu ý rằng phương pháp này có thể sử dụng hoặc không sử dụng mầm tinh thể. Người vận hành phương pháp Bridgeman truyền thống không thể trực tiếp quan sát quá trình nóng chảy và phát triển tinh thể và phải kiểm soát nhiệt độ với độ chính xác cao. Phương pháp Bridgeman thẳng đứng chủ yếu được sử dụng để nuôi cấy β-Ga2O3 và nổi tiếng với khả năng nuôi cấy trong môi trường không khí. Trong quá trình nuôi cấy theo phương pháp Bridgeman thẳng đứng, tổng lượng hao hụt khối lượng của chất nóng chảy và nồi nung được giữ dưới 1%, cho phép nuôi cấy các tinh thể đơn β-Ga2O3 lớn với tổn thất tối thiểu.
Hình 4. Tinh thể đơn β-Ga2O3 được nuôi cấy bằng phương pháp Bridgeman.
1.4 Phương pháp vùng nổi
Phương pháp vùng nổi giải quyết vấn đề nhiễm bẩn tinh thể do vật liệu nồi nấu và giảm chi phí cao liên quan đến nồi nấu hồng ngoại chịu nhiệt độ cao. Trong quá trình tăng trưởng này, chất nóng chảy có thể được nung nóng bằng đèn thay vì nguồn tần số vô tuyến, do đó đơn giản hóa các yêu cầu đối với thiết bị tăng trưởng. Mặc dù hình dạng và chất lượng tinh thể của β-Ga2O3 được nuôi cấy bằng phương pháp vùng nổi chưa tối ưu, phương pháp này mở ra một hướng đi đầy hứa hẹn để nuôi cấy β-Ga2O3 có độ tinh khiết cao thành các tinh thể đơn với chi phí hợp lý.
Hình 5. Tinh thể đơn β-Ga2O3 được nuôi cấy bằng phương pháp vùng nổi.
Thời gian đăng bài: 30 tháng 5 năm 2024