فناوری رشد تک کریستالی و اپیتاکسیال اکسید گالیوم

نیمه هادی های پهن باند (WBG) که توسط کاربید سیلیکون (SiC) و نیترید گالیم (GaN) نشان داده می شوند، توجه گسترده ای را به خود جلب کرده اند. مردم انتظارات زیادی از چشم انداز کاربرد کاربید سیلیکون در وسایل نقلیه الکتریکی و شبکه های برق و همچنین چشم انداز کاربرد نیترید گالیوم در شارژ سریع دارند. در سال‌های اخیر، تحقیقات بر روی مواد Ga2O3، AlN و الماس پیشرفت قابل‌توجهی داشته است و مواد نیمه‌رسانا با شکاف باند بسیار وسیع را در کانون توجه قرار داده است. در میان آنها، اکسید گالیوم (Ga2O3) یک ماده نیمه هادی با شکاف باند فوق عریض با شکاف نواری 4.8 eV، قدرت میدان شکست بحرانی نظری حدود 8 MV cm-1، سرعت اشباع حدود 2E7cm s-1 است. و ضریب کیفیت بالای Baliga 3000 که در زمینه الکترونیک برق ولتاژ بالا و فرکانس بالا مورد توجه قرار گرفته است.

1. مشخصات مواد اکسید گالیوم
Ga2O3 دارای یک شکاف باند بزرگ (4.8 eV) است، انتظار می‌رود که هم به ولتاژ مقاومت بالا و هم قابلیت‌های توان بالا دست یابد، و می‌تواند پتانسیل سازگاری با ولتاژ بالا در مقاومت نسبتاً پایین را داشته باشد، که آنها را در کانون تحقیقات فعلی قرار می‌دهد. علاوه بر این، Ga2O3 نه تنها دارای خواص مواد عالی است، بلکه انواع فناوری‌های دوپینگ نوع n را به راحتی قابل تنظیم و همچنین فناوری‌های رشد بستر و اپیتاکسی کم‌هزینه ارائه می‌کند. تاکنون پنج فاز کریستالی مختلف در Ga2O3 کشف شده است که شامل فازهای کوراندوم (α)، مونوکلینیک (β)، اسپینل معیوب (γ)، مکعب (δ) و فازهای اورتومبیک (ɛ). پایداری های ترمودینامیکی به ترتیب γ، δ، α، ɛ و β هستند. شایان ذکر است که β-Ga2O3 مونوکلینیک پایدارترین است، به ویژه در دماهای بالا، در حالی که سایر فازها بالاتر از دمای اتاق ناپایدار هستند و تمایل دارند تحت شرایط حرارتی خاص به فاز β تبدیل شوند. بنابراین، توسعه دستگاه‌های مبتنی بر β-Ga2O3 به تمرکز اصلی در زمینه الکترونیک قدرت در سال‌های اخیر تبدیل شده است.

جدول 1 مقایسه برخی پارامترهای مواد نیمه هادی

ساختار کریستالی monoclinicβ-Ga2O3 در جدول 1 نشان داده شده است. پارامترهای شبکه آن شامل a = 12.21 Å، b = 3.04 Å، c = 5.8 Å، و β = 103.8 درجه است. سلول واحد از اتم های Ga(I) با هماهنگی چهار وجهی پیچ خورده و اتم های Ga(II) با هماهنگی هشت وجهی تشکیل شده است. سه آرایش مختلف از اتم های اکسیژن در آرایه "مکعب پیچ خورده" وجود دارد، از جمله دو اتم O(I) و O(II) با هماهنگی مثلثی و یک اتم O(III) با هماهنگی چهار وجهی. ترکیب این دو نوع هماهنگی اتمی منجر به ناهمسانگردی β-Ga2O3 با خواص ویژه در فیزیک، خوردگی شیمیایی، اپتیک و الکترونیک می شود.

شکل 1 نمودار ساختاری شماتیک کریستال مونوکلینیک β-Ga2O3

از منظر نظریه باند انرژی، حداقل مقدار باند هدایت β-Ga2O3 از حالت انرژی مربوط به مدار هیبرید 4s0 اتم Ga مشتق شده است. اختلاف انرژی بین مقدار حداقل نوار هدایت و سطح انرژی خلاء (انرژی میل ترکیبی الکترون) اندازه گیری می شود. 4 ولت است. جرم الکترون موثر β-Ga2O3 برابر 0.28-0.33 m و رسانایی الکترونیکی مطلوب آن اندازه گیری می شود. با این حال، حداکثر باند ظرفیت یک منحنی Ek کم عمق را با انحنای بسیار کم و اوربیتال‌های O2p به شدت موضعی نشان می‌دهد، که نشان می‌دهد سوراخ‌ها عمیقاً موضعی هستند. این ویژگی ها چالش بزرگی برای دستیابی به دوپینگ نوع p در β-Ga2O3 است. حتی اگر بتوان به دوپینگ نوع P دست یافت، سوراخ μ در سطح بسیار پایینی باقی می ماند. 2. رشد تک کریستال اکسید گالیوم حجیم تاکنون، روش رشد بستر تک کریستالی حجیم β-Ga2O3 عمدتاً روش کشیدن کریستال است، مانند Czochralski (CZ)، روش تغذیه لایه نازک با لبه (Edge - Defined Film-Fed) , EFG)، فناوری Bridgman (بریدگمن rtical یا افقی، HB یا VB) و منطقه شناور (منطقه شناور، FZ). در میان تمام روش‌ها، روش‌های تغذیه لایه نازک Czochralski و لبه‌های تعریف شده انتظار می‌رود که امیدوارکننده‌ترین راه‌ها برای تولید انبوه ویفرهای β-Ga 2O3 در آینده باشند، زیرا می‌توانند به طور همزمان به حجم‌های زیاد و تراکم نقص کم دست یابند. تا به حال، فناوری کریستال نوین ژاپن یک ماتریس تجاری برای رشد مذاب β-Ga2O3 ایجاد کرده است.

2.1 روش چوکرالسکی
اصل روش Czochralski این است که ابتدا لایه بذر را می پوشانند و سپس تک بلور را به آرامی از مذاب بیرون می کشند. روش Czochralski به دلیل مقرون به صرفه بودن، قابلیت‌های اندازه بزرگ و رشد بستر با کیفیت کریستال بالا برای β-Ga2O3 اهمیت فزاینده‌ای دارد. با این حال، به دلیل تنش حرارتی در طول رشد Ga2O3 در دمای بالا، تبخیر تک بلورها، مواد مذاب و آسیب به بوته Ir رخ خواهد داد. این نتیجه مشکل در دستیابی به دوپینگ کم نوع n در Ga2O3 است. وارد كردن مقدار مناسب اكسيژن به جو رشد يكي از راههاي حل اين مشكل است. از طریق بهینه سازی، β-Ga2O3 2 اینچی با کیفیت بالا با محدوده غلظت الکترون آزاد 10^16~10^19cm-3 و حداکثر چگالی الکترون 160cm2/Vs با روش Czochralski با موفقیت رشد کرده است.

شکل 2 تک کریستال β-Ga2O3 رشد یافته به روش Czochralski

2.2 روش تغذیه فیلم با لبه تعریف شده
روش تغذیه لایه نازک با لبه به عنوان مدعی پیشرو برای تولید تجاری مواد تک کریستالی Ga2O3 با مساحت بزرگ در نظر گرفته می شود. اصل این روش این است که مذاب را در قالبی با شکاف مویین قرار می دهند و مذاب از طریق عمل مویرگی به سمت قالب بالا می رود. در بالا، یک لایه نازک تشکیل شده و در تمام جهات پخش می شود در حالی که توسط کریستال دانه متبلور می شود. علاوه بر این، لبه‌های بالای قالب را می‌توان کنترل کرد تا کریستال‌هایی در پوسته‌ها، لوله‌ها یا هر شکل هندسی دلخواه تولید شود. روش تغذیه لایه نازک لبه تعریف شده Ga2O3 نرخ رشد سریع و قطرهای بزرگ را فراهم می کند. شکل 3 نموداری از تک کریستال β-Ga2O3 را نشان می دهد. علاوه بر این، از نظر مقیاس اندازه، بسترهای β-Ga2O3 2 و 4 اینچی با شفافیت و یکنواختی عالی تجاری شده اند، در حالی که بستر 6 اینچی در تحقیقات برای تجاری سازی آینده نشان داده شده است. اخیراً، مواد حجیم تک کریستالی دایره‌ای بزرگ نیز با جهت (201-) در دسترس قرار گرفته‌اند. علاوه بر این، روش تغذیه فیلم با لبه β-Ga2O3 نیز دوپینگ عناصر فلزی واسطه را ترویج می‌کند و تحقیق و آماده‌سازی Ga2O3 را ممکن می‌سازد.

شکل 3 تک کریستال β-Ga2O3 رشد یافته با روش تغذیه فیلم لبه تعریف شده

2.3 روش بریجمن
در روش بریجمن، کریستال ها در بوته ای تشکیل می شوند که به تدریج در یک گرادیان دما حرکت می کنند. این فرآیند را می توان در جهت افقی یا عمودی، معمولا با استفاده از یک بوته چرخان انجام داد. شایان ذکر است که در این روش ممکن است از دانه های کریستال استفاده شود یا نباشد. اپراتورهای بریجمن سنتی فاقد تجسم مستقیم فرآیندهای ذوب و رشد کریستال هستند و باید دما را با دقت بالا کنترل کنند. روش بریگمن عمودی عمدتا برای رشد β-Ga2O3 استفاده می شود و به دلیل توانایی آن در رشد در یک محیط هوا شناخته شده است. در طول فرآیند رشد عمودی روش بریگمن، مجموع اتلاف جرم مذاب و بوته زیر 1% نگه داشته می‌شود که رشد تک بلورهای بزرگ β-Ga2O3 را با حداقل تلفات ممکن می‌سازد.

شکل 4 تک کریستال β-Ga2O3 رشد یافته به روش بریجمن

2.4 روش منطقه شناور
روش منطقه شناور مشکل آلودگی کریستالی توسط مواد بوته را حل می کند و هزینه های بالای مربوط به بوته های مادون قرمز مقاوم در برابر دمای بالا را کاهش می دهد. در طول این فرآیند رشد، مذاب را می توان با یک لامپ به جای منبع RF گرم کرد، بنابراین الزامات تجهیزات رشد را ساده می کند. اگرچه شکل و کیفیت کریستال β-Ga2O3 رشد یافته با روش منطقه شناور هنوز بهینه نیست، این روش روش امیدوارکننده ای را برای رشد β-Ga2O3 با خلوص بالا به تک بلورهای مقرون به صرفه باز می کند.

شکل 5 تک کریستال β-Ga2O3 که با روش ناحیه شناور رشد کرده است.