Oxid de galiu monocristal și tehnologie de creștere epitaxială

Semiconductori cu bandă interzisă largă (WBG) reprezentați de carbură de siliciu (SiC) și nitrură de galiu (GaN) au primit o atenție pe scară largă. Oamenii au așteptări mari pentru perspectivele de aplicare a carburii de siliciu în vehiculele electrice și rețelele electrice, precum și perspectivele de aplicare a nitrurii de galiu în încărcarea rapidă. În ultimii ani, cercetările asupra materialelor Ga2O3, AlN și diamante au făcut progrese semnificative, făcând materialele semiconductoare cu bandgap ultra-larg în centrul atenției. Printre acestea, oxidul de galiu (Ga2O3) este un material semiconductor cu bandă interzisă ultra-largă în curs de dezvoltare, cu o bandă interzisă de 4,8 eV, o putere critică teoretică a câmpului de defalcare de aproximativ 8 MV cm-1, o viteză de saturație de aproximativ 2E7cm s-1, și un factor de calitate Baliga ridicat de 3000, primind o atenție larg răspândită în domeniul puterii de înaltă tensiune și înaltă frecvență electronice.

1. Caracteristicile materialului de oxid de galiu

Ga2O3 are o bandă interzisă mare (4,8 eV), este de așteptat să atingă atât o tensiune de rezistență ridicată, cât și capacități de putere mare și poate avea potențialul de adaptabilitate la tensiune înaltă la o rezistență relativ scăzută, făcându-le în centrul cercetării curente. În plus, Ga2O3 nu numai că are proprietăți excelente ale materialului, dar oferă și o varietate de tehnologii de dopaj de tip n ușor de ajustat, precum și tehnologii de creștere a substratului și epitaxie la prețuri reduse. Până acum, au fost descoperite cinci faze cristaline diferite în Ga2O3, inclusiv corindon (α), monoclinic (β), spinel defect (γ), cubic (δ) și ortorombic (ɛ). Stabilitățile termodinamice sunt, în ordine, γ, δ, α, ɛ și β. Este de remarcat faptul că β-Ga2O3 monoclinic este cel mai stabil, în special la temperaturi ridicate, în timp ce alte faze sunt metastabile peste temperatura camerei și tind să se transforme în faza β în condiții termice specifice. Prin urmare, dezvoltarea dispozitivelor pe bază de β-Ga2O3 a devenit un accent major în domeniul electronicii de putere în ultimii ani.

Tabelul 1 Comparația unor parametri ai materialelor semiconductoare

Structura cristalină a monoclinicβ-Ga2O3 este prezentată în Tabelul 1. Parametrii rețelei sale includ a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å și β = 103,8°. Celula unitară este formată din atomi Ga(I) cu coordonare tetraedrică răsucită și atomi Ga(II) cu coordonare octaedrică. Există trei aranjamente diferite de atomi de oxigen în matricea „cubic răsucit”, inclusiv doi atomi O(I) și O(II) coordonați triunghiular și un atom O(III) coordonat tetraedric. Combinația acestor două tipuri de coordonare atomică duce la anizotropia β-Ga2O3 cu proprietăți speciale în fizică, coroziune chimică, optică și electronică.

Figura 1 Diagrama structurală schematică a cristalului monoclinic β-Ga2O3

Din perspectiva teoriei benzilor de energie, valoarea minimă a benzii de conducere a β-Ga2O3 este derivată din starea energetică corespunzătoare orbitei hibride 4s0 a atomului de Ga. Se măsoară diferența de energie dintre valoarea minimă a benzii de conducție și nivelul de energie în vid (energia afinității electronilor). este de 4 eV. Masa efectivă de electroni a β-Ga2O3 este măsurată ca 0,28–0,33 me și conductivitatea sa electronică favorabilă. Cu toate acestea, banda de valență maximă prezintă o curbă Ek superficială cu o curbură foarte scăzută și orbiti O2p puternic localizați, ceea ce sugerează că găurile sunt profund localizate. Aceste caracteristici reprezintă o provocare uriașă pentru a obține dopajul de tip p în β-Ga2O3. Chiar dacă se poate realiza dopajul de tip P, gaura μ rămâne la un nivel foarte scăzut. 2. Creșterea monocristalului de oxid de galiu în vrac Până în prezent, metoda de creștere a substratului monocristal în vrac β-Ga2O3 este în principal metoda de tragere a cristalului, cum ar fi Czochralski (CZ), metoda de alimentare cu peliculă subțire definită de margini (Edge-Defined film-fed , EFG), Bridgman (Bridgman vertical sau orizontal, HB sau VB) și tehnologia zonei plutitoare (zonă plutitoare, FZ). Dintre toate metodele, se așteaptă ca Czochralski și metodele de alimentare cu peliculă subțire definite de margini să fie cele mai promițătoare căi pentru producția în masă de plachete β-Ga 2O3 în viitor, deoarece pot obține simultan volume mari și densități scăzute de defect. Până acum, Novel Crystal Technology din Japonia a realizat o matrice comercială pentru creșterea topiturii β-Ga2O3.

1.1 Metoda Czochralski

Principiul metodei Czochralski este că stratul de semințe este mai întâi acoperit, iar apoi cristalul unic este scos încet din topitură. Metoda Czochralski este din ce în ce mai importantă pentru β-Ga2O3 datorită rentabilității sale, capacităților de dimensiuni mari și creșterii substratului de înaltă calitate a cristalului. Cu toate acestea, din cauza stresului termic în timpul creșterii la temperatură ridicată a Ga2O3, va avea loc evaporarea monocristalelor, a materialelor topite și deteriorarea creuzetului Ir. Acesta este un rezultat al dificultății de a obține dopajul de tip n scăzut în Ga2O3. Introducerea unei cantități adecvate de oxigen în atmosfera de creștere este o modalitate de a rezolva această problemă. Prin optimizare, β-Ga2O3 de 2 inci de înaltă calitate, cu un interval de concentrație de electroni liberi de 10^16~10^19 cm-3 și o densitate maximă de electroni de 160 cm2/Vs a fost crescut cu succes prin metoda Czochralski.

Figura 2 Monocristal de β-Ga2O3 crescut prin metoda Czochralski

1.2 Metoda de alimentare a filmului cu margini definite

Metoda de alimentare cu peliculă subțire definită de margini este considerată a fi concurentul principal pentru producția comercială de materiale monocristaline Ga2O3 de suprafață mare. Principiul acestei metode este de a plasa topitura într-o matriță cu o fantă capilară, iar topitura se ridică la matriță prin acțiune capilară. În partea de sus, o peliculă subțire se formează și se răspândește în toate direcțiile în timp ce este indus să se cristalizeze de cristalul sămânță. În plus, marginile suprafeței matriței pot fi controlate pentru a produce cristale în fulgi, tuburi sau orice geometrie dorită. Metoda de alimentare cu peliculă subțire definită de margini de Ga2O3 oferă rate rapide de creștere și diametre mari. Figura 3 prezintă o diagramă a unui singur cristal β-Ga2O3. În plus, în ceea ce privește scara dimensiunilor, au fost comercializate substraturi β-Ga2O3 de 2 inchi și 4 inci cu transparență și uniformitate excelente, în timp ce substratul de 6 inci este demonstrat în cercetări pentru comercializare viitoare. Recent, au devenit disponibile materiale circulare mari, monocristaline, cu orientare (-201). În plus, metoda de alimentare cu peliculă definită de margini β-Ga2O3 promovează, de asemenea, dopajul elementelor de metal tranzițional, făcând posibilă cercetarea și prepararea Ga2O3.

Figura 3 β-Ga2O3 monocristal crescut prin metoda de alimentare cu peliculă definită de margini

1.3 Metoda Bridgeman

În metoda Bridgeman, cristalele se formează într-un creuzet care este mutat treptat printr-un gradient de temperatură. Procesul poate fi efectuat într-o orientare orizontală sau verticală, de obicei folosind un creuzet rotativ. Este demn de remarcat faptul că această metodă poate folosi sau nu semințe de cristal. Operatorilor tradiționali Bridgman le lipsește vizualizarea directă a proceselor de topire și de creștere a cristalelor și trebuie să controleze temperaturile cu mare precizie. Metoda Bridgman verticală este utilizată în principal pentru creșterea β-Ga2O3 și este cunoscută pentru capacitatea sa de a crește într-un mediu aerian. În timpul procesului de creștere verticală prin metoda Bridgman, pierderea totală de masă a topiturii și a creuzetului este menținută sub 1%, permițând creșterea monocristalelor mari de β-Ga2O3 cu pierderi minime.

Figura 4 Monocristal de β-Ga2O3 crescut prin metoda Bridgeman

1.4 Metoda zonei plutitoare

Metoda zonei plutitoare rezolvă problema contaminării cristalelor cu materialele creuzetului și reduce costurile ridicate asociate cu creuzetele cu infraroșu rezistente la temperaturi ridicate. În timpul acestui proces de creștere, topitura poate fi încălzită de o lampă mai degrabă decât de o sursă RF, simplificând astfel cerințele pentru echipamentul de creștere. Deși forma și calitatea cristalului de β-Ga2O3 crescut prin metoda zonei plutitoare nu sunt încă optime, această metodă deschide o metodă promițătoare pentru creșterea β-Ga2O3 de înaltă puritate în cristale simple economice.