Les semi-conducteurs à large bande interdite (WBG), tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), suscitent un vif intérêt. On fonde de grands espoirs sur les applications du carbure de silicium dans les véhicules électriques et les réseaux électriques, ainsi que sur celles du nitrure de gallium dans la recharge rapide. Ces dernières années, les recherches sur l'oxyde de gallium (Ga₂O₃), le nitrure d'aluminium (AlN) et le diamant ont progressé de manière significative, plaçant les semi-conducteurs à bande interdite ultra-large au centre des préoccupations. Parmi eux, l'oxyde de gallium (Ga₂O₃) est un semi-conducteur émergent à bande interdite ultra-large, avec une bande interdite de 4,8 eV, une rigidité diélectrique critique théorique d'environ 8 MV cm⁻¹, une vitesse de saturation d'environ 2 × 10⁷ cm s⁻¹ et un facteur de qualité Baliga élevé de 3 000. Il est ainsi très prometteur dans le domaine de l'électronique de puissance haute tension et haute fréquence.
1. Caractéristiques du matériau à base d'oxyde de gallium
L'oxyde de gallium (Ga₂O₃) possède une large bande interdite (4,8 eV) et devrait présenter une tenue en tension et une puissance élevées. Son potentiel d'adaptabilité à haute tension à une résistance relativement faible en fait un matériau au cœur des recherches actuelles. De plus, le Ga₂O₃ possède d'excellentes propriétés et offre diverses technologies de dopage de type n facilement ajustables, ainsi que des technologies de croissance sur substrat et d'épitaxie à faible coût. À ce jour, cinq phases cristallines différentes ont été découvertes dans le Ga₂O₃ : les phases corindon (α), monoclinique (β), spinelle lacunaire (γ), cubique (δ) et orthorhombique (ε). Leur stabilité thermodynamique est, par ordre décroissant : γ, δ, α, ε et β. Il est à noter que la phase monoclinique β-Ga₂O₃ est la plus stable, notamment à haute température, tandis que les autres phases sont métastables au-dessus de la température ambiante et tendent à se transformer en phase β dans certaines conditions thermiques. Par conséquent, le développement de dispositifs à base de β-Ga2O3 est devenu un axe majeur dans le domaine de l'électronique de puissance ces dernières années.
Tableau 1 Comparaison de certains paramètres des matériaux semi-conducteurs
La structure cristalline du β-Ga₂O₃ monoclinique est présentée dans le tableau 1. Ses paramètres de maille sont les suivants : a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å et β = 103,8°. La maille élémentaire est composée d’atomes de Ga(I) à coordination tétraédrique torsadée et d’atomes de Ga(II) à coordination octaédrique. On distingue trois arrangements différents pour les atomes d’oxygène dans le réseau cubique torsadé : deux atomes O(I) et O(II) à coordination triangulaire et un atome O(III) à coordination tétraédrique. La combinaison de ces deux types de coordination atomique confère au β-Ga₂O₃ des propriétés particulières en physique, en corrosion chimique, en optique et en électronique.
Figure 1. Diagramme structural schématique du cristal monoclinique β-Ga₂O₃
Du point de vue de la théorie des bandes d'énergie, le minimum de la bande de conduction du β-Ga₂O₃ est déduit de l'état énergétique correspondant à l'orbitale hybride 4s⁰ de l'atome de gallium. La différence d'énergie entre ce minimum et le niveau du vide (énergie d'affinité électronique) est de 4 eV. La masse effective de l'électron du β-Ga₂O₃ est comprise entre 0,28 et 0,33 me, ce qui explique sa conductivité électronique favorable. Cependant, le maximum de la bande de valence présente une courbe Ek peu profonde, avec une courbure très faible et des orbitales O2p fortement localisées, suggérant une forte localisation des trous. Ces caractéristiques constituent un obstacle majeur au dopage de type p du β-Ga₂O₃. Même en cas de dopage de type p, la mobilité des trous (μ) demeure très faible. 2. Croissance de monocristaux massifs d'oxyde de gallium. À ce jour, la méthode de croissance des substrats monocristallins massifs de β-Ga₂O₃ repose principalement sur l'étirage cristallin, notamment les procédés Czochralski (CZ), d'alimentation par couche mince à bords définis (EFG), Bridgman (Bridgman radial ou horizontal, HB ou VB) et de zone flottante (FZ). Parmi ces méthodes, les procédés Czochralski et d'alimentation par couche mince à bords définis sont considérés comme les plus prometteurs pour la production en série de plaquettes de β-Ga₂O₃, car ils permettent d'obtenir simultanément des volumes importants et de faibles densités de défauts. À ce jour, la société japonaise Novel Crystal Technology a mis au point une matrice commerciale pour la croissance par fusion de β-Ga₂O₃.
1.1 Méthode Czochralski
Le principe de la méthode Czochralski consiste à déposer d'abord une couche germe, puis à extraire lentement le monocristal du bain de fusion. Cette méthode est de plus en plus utilisée pour la croissance de β-Ga₂O₃ grâce à son faible coût, sa capacité à produire des monocristaux de grande taille et à obtenir des substrats de haute qualité cristalline. Cependant, la croissance de Ga₂O₃ à haute température engendre des contraintes thermiques, provoquant l'évaporation des monocristaux et des matériaux du bain de fusion, ainsi que l'endommagement du creuset en iridium. Ceci 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 constitue une solution à ce problème. Grâce à une optimisation, des monocristaux de β-Ga₂O₃ de 2 pouces de haute qualité, présentant une concentration en électrons libres comprise entre 10¹⁶ et 10¹⁹ cm⁻³ et une densité électronique maximale de 160 cm²/Vs, ont été obtenus avec succès par la méthode Czochralski.
Figure 2 Monocristal de β-Ga2O3 obtenu par la méthode Czochralski
1.2 Méthode d'alimentation de film à bords définis
La méthode d'alimentation en couche mince par capillarité est considérée comme la plus prometteuse pour la production industrielle de monocristaux de Ga₂O₃ de grande surface. Son principe consiste à placer le matériau fondu dans un moule muni d'une fente capillaire ; le matériau fondu remonte dans le moule par capillarité. À la surface, une couche mince se forme et s'étend dans toutes les directions, sa cristallisation étant induite par le germe cristallin. De plus, les bords supérieurs du moule peuvent être contrôlés pour produire des cristaux en forme de paillettes, de tubes ou de toute autre géométrie souhaitée. Cette méthode d'alimentation en couche mince par capillarité permet d'obtenir des vitesses de croissance rapides et des diamètres importants. La figure 3 illustre un monocristal de β-Ga₂O₃. Par ailleurs, des substrats de β-Ga₂O₃ de 2 et 4 pouces, présentant une excellente transparence et uniformité, sont commercialisés, tandis qu'un substrat de 6 pouces fait l'objet de recherches en vue d'une future commercialisation. Récemment, des monocristaux massifs circulaires de grande taille, orientés selon l'axe (−201), sont également devenus disponibles. De plus, la méthode d'alimentation en film à bords définis de β-Ga2O3 favorise également le dopage d'éléments métalliques de transition, rendant possible la recherche et la préparation de Ga2O3.
Figure 3 Monocristal de β-Ga2O3 cultivé par la méthode d'alimentation de film à bords définis
1.3 Méthode Bridgeman
Dans la méthode Bridgman, les cristaux se forment dans un creuset déplacé progressivement à travers un gradient de température. Le procédé peut être réalisé horizontalement ou verticalement, généralement à l'aide d'un creuset rotatif. Il est à noter que cette méthode peut utiliser ou non des germes cristallins. Les opérateurs de la méthode Bridgman traditionnelle ne bénéficient pas d'une visualisation directe des processus de fusion et de croissance cristalline et doivent contrôler les températures avec une grande précision. La méthode Bridgman verticale est principalement utilisée pour la croissance de β-Ga₂O₃ et est reconnue pour sa capacité à croître à l'air libre. Lors de la croissance par la méthode Bridgman verticale, la perte de masse totale du bain fondu et du creuset est maintenue en dessous de 1 %, permettant ainsi la croissance de grands monocristaux de β-Ga₂O₃ avec des pertes minimales.
Figure 4. Monocristal de β-Ga2O3 obtenu par la méthode de 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. Lors de ce procédé de croissance, le bain fondu peut être chauffé par une lampe plutôt que par une source RF, simplifiant ainsi les exigences relatives à l'équipement de croissance. Bien que la forme et la qualité cristalline du β-Ga₂O₃ obtenu par la méthode de la zone flottante ne soient pas encore optimales, cette méthode offre une voie prometteuse pour la croissance de monocristaux de β-Ga₂O₃ de haute pureté à un coût abordable.
Figure 5 monocristal de β-Ga2O3 cultivé par la méthode de la zone flottante.
Date de publication : 30 mai 2024