Công nghệ phát triển tinh thể đơn và epitaxial của oxit gali

Chất bán dẫn có khoảng cách dải rộng (WBG) được biểu thị bằng silicon carbide (SiC) và gali nitride (GaN) đã nhận được sự quan tâm rộng rãi. Mọi người có kỳ vọng cao về triển vọng ứng dụng của silicon carbide trong xe điện và lưới điện, cũng như triển vọng ứng dụng của gali nitride trong sạc nhanh. Trong những năm gần đây, nghiên cứu về vật liệu Ga2O3, AlN và kim cương đã có những tiến bộ đáng kể, khiến vật liệu bán dẫn có khoảng cách dải cực rộng trở thành tâm điểm chú ý. Trong số đó, gali oxit (Ga2O3) là vật liệu bán dẫn có khoảng cách dải cực rộng mới nổi với khoảng cách dải là 4,8 eV, cường độ trường đánh thủng tới hạn lý thuyết khoảng 8 MV cm-1, vận tốc bão hòa khoảng 2E7cm s-1 và hệ số chất lượng Baliga cao là 3000, nhận được sự quan tâm rộng rãi trong lĩnh vực điện tử công suất điện áp cao và tần số cao.

1. Đặc điểm vật liệu oxit gali

Ga2O3 có khoảng cách dải lớn (4,8 eV), dự kiến sẽ đạt được cả điện áp chịu đựng cao và khả năng công suất cao, và có thể có tiềm năng thích ứng điện áp cao ở điện trở tương đối thấp, khiến chúng trở thành trọng tâm của nghiên cứu hiện nay. Ngoài ra, Ga2O3 không chỉ có các tính chất vật liệu tuyệt vời mà còn cung cấp nhiều công nghệ pha tạp loại n dễ điều chỉnh, cũng như các công nghệ phát triển 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), monoclinic (β), spinel lỗi (γ), cubic (δ) và orthorhombic (ɛ). Độ ổn định nhiệt động lực học theo thứ tự là γ, δ, α, ɛ và β. Cần lưu ý rằng monoclinic β-Ga2O3 là ổn định nhất, đặc biệt là ở nhiệt độ cao, trong khi các pha khác là metastable trên nhiệt độ phòng và có xu hướng chuyển thành pha β trong các điều kiện nhiệt cụ thể. Do đó, sự phát triển của các thiết bị dựa trên β-Ga2O3 đã trở thành trọng tâm chính trong lĩnh vực điện tử công suất trong những năm gần đây.

Bảng 1 So sánh một số thông số vật liệu bán dẫn

Cấu trúc tinh thể của monoclinicβ-Ga2O3 được thể hiện trong Bảng 1. Các tham số mạng 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) có phối hợp tứ diện xoắn và các nguyên tử Ga(II) có phối hợp bát diện. Có ba cách sắp xếp khác nhau của các nguyên tử oxy trong mảng "khối lập phương xoắn", bao gồm hai nguyên tử O(I) và O(II) được phối hợp tam giác và một nguyên tử O(III) được phối hợp tứ diện. Sự kết hợp của hai loại phối hợp nguyên tử này dẫn đến tính dị hướng của β-Ga2O3 với các tính chất đặc biệt trong vật lý, ăn mòn hóa học, quang học và điện tử.

Hình 1 Sơ đồ cấu trúc tinh thể đơn nghiêng β-Ga2O3

Theo quan điểm của lý thuyết dải năng lượng, giá trị tối thiểu 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. Hiệu năng lượng giữa giá trị tối thiểu 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 độ dẫn điện tử thuận lợi của nó. Tuy nhiên, cực đại dải hóa trị thể hiện đường cong Ek nông với độ cong rất thấp và các orbital O2p cục bộ mạnh, cho thấy các lỗ được cục bộ sâu. Những đặc điểm này đặt ra một thách thức rất lớn để đạt được pha tạp loại p trong β-Ga2O3. Ngay cả khi có thể đạt được pha tạp loại P, lỗ μ vẫn ở mức rất thấp. 2. Phát triển tinh thể đơn oxit gali khối Cho đến nay, phương pháp phát triển chất nền tinh thể đơn khối β-Ga2O3 chủ yếu là phương pháp kéo tinh thể, chẳng hạn như Czochralski (CZ), phương pháp nạp màng mỏng định hình cạnh (Edge -Defined film-fed, EFG), Bridgman (Bridgman định hình hoặc ngang, HB hoặc VB) và công nghệ vùng nổi (vùng nổi, FZ). Trong số tất cả các phương pháp, phương pháp nạp màng mỏng định hình cạnh và Czochralski được kỳ vọng là những con đường đầy hứa hẹn nhất để sản xuất hàng loạt các tấm wafer β-Ga 2O3 trong tương lai, vì chúng có thể đồng thời đạt được khối lượng lớn và mật độ khuyết tật thấp. Cho đến nay, Công nghệ tinh thể mới của Nhật Bản đã hiện thực hóa một ma trận thương mại để phát triển nóng chảy β-Ga2O3.

1.1 Phương pháp Czochralski

Nguyên lý của phương pháp Czochralski là lớp hạt giống đầu tiên được phủ lên, sau đó tinh thể đơn được kéo từ từ ra khỏi khối nóng chảy. Phương pháp Czochralski ngày càng quan trọng đối với β-Ga2O3 do tính hiệu quả về chi phí, khả năng kích thước lớn và chất nền phát triển tinh thể chất lượng cao. Tuy nhiên, do ứng suất nhiệt trong quá trình phát triển ở nhiệt độ cao của Ga2O3, sự bay hơi của các tinh thể đơn, vật liệu nóng chảy và hư hỏng nồi nấu Ir sẽ xảy ra. Đây là kết quả của khó khăn trong việc đạt được độ pha tạp loại n thấp trong Ga2O3. Một cách để giải quyết vấn đề này là đưa một lượng oxy thích hợp vào bầu khí quyển phát triển. Thông qua quá trình tối ưu hóa, β-Ga2O3 2 inch chất lượng cao với phạm vi nồng độ electron tự do từ 10^16~10^19 cm-3 và mật độ electron tối đa là 160 cm2/Vs đã được phát triển thành công bằng phương pháp Czochralski.

Hình 2 Tinh thể đơn của β-Ga2O3 được phát triển bằng phương pháp Czochralski

1.2 Phương pháp nạp màng định hình cạnh

Phương pháp nạp 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 lý của phương pháp này là đặt vật liệu nóng chảy vào khuôn có khe mao dẫn và vật liệu nóng chảy sẽ dâng lên khuôn thông qua tác động mao dẫn. Ở phía trên, một màng mỏng hình thành và lan ra theo mọi hướng trong khi được tinh thể mầm tạo ra kết tinh. Ngoài ra, các cạnh của đỉnh khuôn có thể được kiểm soát để tạo ra các tinh thể dạng vảy, dạng ống hoặc bất kỳ hình dạng mong muốn nào. Phương pháp nạp 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 tinh thể đơn β-Ga2O3. Ngoài ra, về mặt quy mô kích thước, các chất nền β-Ga2O3 2 inch và 4 inch có độ trong suốt và độ đồng đều tuyệt vời đã được thương mại hóa, trong khi chất nền 6 inch đang được chứng minh trong nghiên cứu để thương mại hóa trong tương lai. Gần đây, các vật liệu khối đơn tinh thể tròn lớn cũng đã có sẵn với định hướng (−201). Ngoài ra, phương pháp cấp màng xác định cạnh β-Ga2O3 còn thúc đẩy quá trình pha tạp các nguyên tố kim loại chuyển tiếp, giúp nghiên cứu và điều chế Ga2O3 trở nên khả thi.

Hình 3 Tinh thể đơn β-Ga2O3 được phát triển bằng phương pháp nạp màng được xác định cạnh

1.3 Phương pháp Bridgeman

Trong phương pháp Bridgeman, các tinh thể được hình thành trong một nồi nấu chảy được di chuyển dần qua một gradient nhiệt độ. Quá trình này có thể được thực hiện theo hướng ngang hoặc dọc, thường sử dụng một nồi nấu chảy quay. Cần lưu ý rằng phương pháp này có thể sử dụng hoặc không sử dụng hạt giống tinh thể. Các nhà vận hành Bridgman truyền thống thiếu khả năng trực quan hóa trực tiếp các quá trình nóng chảy và phát triển tinh thể và phải kiểm soát nhiệt độ với độ chính xác cao. Phương pháp Bridgman thẳng đứng chủ yếu được sử dụng để phát triển β-Ga2O3 và được biết đến với khả năng phát triển trong môi trường không khí. Trong quá trình phát triển theo phương pháp Bridgman thẳng đứng, tổng khối lượng mất đi của khối nóng chảy và nồi nấu chảy được giữ ở mức dưới 1%, cho phép phát triển các tinh thể đơn β-Ga2O3 lớn với tổn thất tối thiểu.

Hình 4 Tinh thể đơn của β-Ga2O3 được phát triển 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 nấu chảy và giảm chi phí cao liên quan đến nồi nấu hồng ngoại chịu nhiệt độ cao. Trong quá trình phát triển này, chất nóng chảy có thể được làm nóng bằng đèn thay vì nguồn RF, do đó đơn giản hóa các yêu cầu về thiết bị phát triển. Mặc dù hình dạng và chất lượng tinh thể của β-Ga2O3 được phát triển bằng phương pháp vùng nổi vẫn chưa tối ưu, nhưng phương pháp này mở ra một phương pháp đầy hứa hẹn để phát triển β-Ga2O3 có độ tinh khiết cao thành các tinh thể đơn thân thiện với ngân sách.