Les semi-conducteurs à large bande interdite (WBG), représentés par le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), ont reçu une large attention. Les gens attendent beaucoup des perspectives d’application du carbure de silicium dans les véhicules électriques et les réseaux électriques, ainsi que des perspectives d’application du nitrure de gallium dans la charge rapide. Ces dernières années, la recherche sur les matériaux Ga2O3, AlN et diamant a fait des progrès significatifs, plaçant les matériaux semi-conducteurs à bande interdite ultra large au centre de l'attention. Parmi eux, l'oxyde de gallium (Ga2O3) est un matériau semi-conducteur émergent à ultra-large bande interdite avec une bande interdite de 4,8 eV, une intensité de champ de claquage critique théorique d'environ 8 MV cm-1, une vitesse de saturation d'environ 2E7cm s-1, et un facteur de qualité Baliga élevé de 3 000, qui suscite une grande attention dans le domaine de l'électronique de puissance haute tension et haute fréquence.
1. Caractéristiques du matériau d'oxyde de gallium
Ga2O3 a une large bande interdite (4,8 eV), devrait atteindre à la fois une tension de tenue élevée et des capacités de puissance élevées, et peut avoir le potentiel d'une adaptabilité haute tension à une résistance relativement faible, ce qui en fait le centre de la recherche actuelle. De plus, Ga2O3 possède non seulement d'excellentes propriétés matérielles, mais offre également une variété de technologies de dopage de type N facilement réglables, ainsi que des technologies de croissance de substrat et d'épitaxie à faible coût. Jusqu’à présent, cinq phases cristallines différentes ont été découvertes dans Ga2O3, notamment les phases corindon (α), monoclinique (β), spinelle défectueuse (γ), cubique (δ) et orthorhombique (ɛ). Les stabilités thermodynamiques sont, dans l'ordre, γ, δ, α, ɛ et β. Il convient de noter que le β-Ga2O3 monoclinique est le plus stable, en particulier à haute température, tandis que d'autres phases sont métastables au-dessus de la température ambiante et ont tendance à se transformer en phase β dans des conditions thermiques spécifiques. Par conséquent, le développement de dispositifs basés sur le β-Ga2O3 est devenu ces dernières années un objectif majeur dans le domaine de l’électronique de puissance.
Tableau 1 Comparaison de certains paramètres de matériaux semi-conducteurs
La structure cristalline du β-Ga2O3 monoclinique est présentée dans le tableau 1. Ses paramètres de réseau incluent a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å et β = 103,8°. La cellule unitaire est constituée d’atomes de Ga(I) à coordination tétraédrique torsadée et d’atomes de Ga(II) à coordination octaédrique. Il existe trois arrangements différents d’atomes d’oxygène dans le réseau « cubique torsadé », dont deux atomes O(I) et O(II) coordonnés triangulairement et un atome O(III) coordonné tétraédriquement. La combinaison de ces deux types de coordination atomique conduit à l’anisotropie du β-Ga2O3 aux propriétés particulières en physique, corrosion chimique, optique et électronique.
Figure 1 Diagramme structurel schématique du cristal monoclinique β-Ga2O3
Du point de vue de la théorie des bandes d’énergie, la valeur minimale de la bande de conduction du β-Ga2O3 est dérivée de l’état énergétique correspondant à l’orbite hybride 4s0 de l’atome de Ga. La différence d'énergie entre la valeur minimale de la bande de conduction et le niveau d'énergie du vide (énergie d'affinité électronique) est mesurée. est de 4 eV. La masse électronique effective du β-Ga2O3 est mesurée entre 0,28 et 0,33 me et sa conductivité électronique favorable. Cependant, le maximum de la bande de valence présente une courbe Ek peu profonde avec une très faible courbure et des orbitales O2p fortement localisées, ce qui suggère que les trous sont profondément localisés. Ces caractéristiques posent un énorme défi pour parvenir à un dopage de type p dans le β-Ga2O3. Même si un dopage de type P peut être réalisé, le trou µ reste à un niveau très faible. 2. Croissance d'un monocristal d'oxyde de gallium en vrac Jusqu'à présent, la méthode de croissance du substrat monocristallin en vrac β-Ga2O3 est principalement une méthode d'extraction de cristaux, telle que Czochralski (CZ), une méthode d'alimentation en film mince définie par les bords (alimentée par un film défini par les bords) , EFG), Bridgman (Bridgman vertical ou horizontal, HB ou VB) et technologie de zone flottante (zone flottante, FZ). Parmi toutes les méthodes, les méthodes d'alimentation en couches minces Czochralski et définies par les bords devraient être les voies les plus prometteuses pour la production en masse de tranches β-Ga 2O3 à l'avenir, car elles peuvent simultanément atteindre de grands volumes et de faibles densités de défauts. Jusqu'à présent, la technologie japonaise Novel Crystal a réalisé une matrice commerciale pour la croissance en fusion du β-Ga2O3.
1.1 Méthode Czochralski
Le principe de la méthode Czochralski est que la couche de germe est d'abord recouverte, puis le monocristal est lentement retiré de la masse fondue. La méthode Czochralski est de plus en plus importante pour le β-Ga2O3 en raison de sa rentabilité, de ses capacités de grande taille et de sa croissance de substrat de haute qualité cristalline. Cependant, en raison du stress thermique lors de la croissance à haute température de Ga2O3, une évaporation des monocristaux, des matériaux fondus et des dommages au creuset Ir se produiront. Cela est dû à la difficulté d’obtenir un faible dopage de type n dans Ga2O3. L’introduction d’une quantité appropriée d’oxygène dans l’atmosphère de croissance est un moyen de résoudre ce problème. Grâce à l'optimisation, du β-Ga2O3 de 2 pouces de haute qualité avec une plage de concentration d'électrons libres de 10^16~10^19 cm-3 et une densité électronique maximale de 160 cm2/Vs a été cultivé avec succès par la méthode Czochralski.
Figure 2 Monocristal de β-Ga2O3 cultivé par la méthode Czochralski
1.2 Méthode d'alimentation du film définie par les bords
La méthode d’alimentation en couche mince définie par les bords est considérée comme le principal concurrent pour la production commerciale de matériaux monocristallins Ga2O3 de grande surface. Le principe de cette méthode est de placer la matière fondue dans un moule doté d'une fente capillaire, et la matière fondue remonte jusqu'au moule par action capillaire. Au sommet, un film mince se forme et se propage dans toutes les directions tout en étant amené à cristalliser par le cristal germe. De plus, les bords du dessus du moule peuvent être contrôlés pour produire des cristaux en flocons, en tubes ou dans toute géométrie souhaitée. La méthode d'alimentation en film mince de Ga2O3 définie par les bords permet des taux de croissance rapides et de grands diamètres. La figure 3 montre un schéma d'un monocristal β-Ga2O3. De plus, en termes d'échelle de taille, des substrats β-Ga2O3 de 2 et 4 pouces présentant une excellente transparence et uniformité ont été commercialisés, tandis que le substrat de 6 pouces est démontré dans la recherche en vue d'une commercialisation future. Récemment, de grands matériaux monocristallins circulaires sont également devenus disponibles avec une orientation (-201). De plus, la méthode d'alimentation du film à bords définis β-Ga2O3 favorise également le dopage des éléments de métaux de transition, rendant ainsi possible la recherche et la préparation de Ga2O3.
Figure 3 Monocristal β-Ga2O3 développé par la méthode d'alimentation de film défini par les bords
1.3 Méthode Bridgeman
Dans la méthode Bridgeman, les cristaux sont formés dans un creuset qui se déplace progressivement selon un gradient de température. Le processus peut être effectué dans une orientation horizontale ou verticale, généralement à l'aide d'un creuset rotatif. Il convient de noter que cette méthode peut ou non utiliser des graines de cristal. Les opérateurs Bridgman traditionnels ne disposent pas d'une visualisation directe des processus de fusion et de croissance cristalline et doivent contrôler les températures avec une grande précision. La méthode verticale Bridgman est principalement utilisée pour la croissance du β-Ga2O3 et est connue pour sa capacité à se développer dans un environnement aérien. Au cours du processus de croissance verticale selon la méthode Bridgman, la perte de masse totale de la masse fondue et du creuset est maintenue inférieure à 1 %, ce qui permet la croissance de gros monocristaux de β-Ga2O3 avec une perte minimale.
Figure 4 Monocristal de β-Ga2O3 cultivé par la méthode Bridgeman
1.4 Méthode de la zone flottante
La méthode de la zone flottante résout le problème de la contamination des cristaux par les matériaux du creuset et réduit les coûts élevés associés aux creusets infrarouges résistants aux hautes températures. Au cours de ce processus de croissance, la matière fondue peut être chauffée par une lampe plutôt que par une source RF, simplifiant ainsi les exigences en matière d'équipement de croissance. Bien que la forme et la qualité des cristaux du β-Ga2O3 cultivé par la méthode de la zone flottante ne soient pas encore optimales, cette méthode ouvre une méthode prometteuse pour la croissance du β-Ga2O3 de haute pureté en monocristaux économiques.
Figure 5 Monocristal de β-Ga2O3 développé par la méthode de la zone flottante.
Heure de publication : 30 mai 2024