ผลึกเดี่ยวแกลเลียมออกไซด์และเทคโนโลยีการเจริญเติบโตแบบอีพิแทกเซียล

สารกึ่งตัวนำแบบแถบความถี่กว้าง (WBG) ที่แสดงโดยซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) และแกลเลียมไนไตรด์ (GaN) ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวาง ผู้คนมีความคาดหวังสูงต่อความเป็นไปได้ในการใช้ซิลิกอนคาร์ไบด์ในยานพาหนะไฟฟ้าและโครงข่ายไฟฟ้า เช่นเดียวกับแนวโน้มการใช้งานของแกลเลียมไนไตรด์ในการชาร์จอย่างรวดเร็ว ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การวิจัยเกี่ยวกับวัสดุ Ga2O3, AlN และเพชรมีความก้าวหน้าอย่างมาก ทำให้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ bandgap กว้างพิเศษกลายเป็นจุดสนใจของความสนใจ ในหมู่พวกเขา แกลเลียมออกไซด์ (Ga2O3) เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์แถบความถี่กว้างพิเศษที่เกิดขึ้นใหม่ โดยมีช่องว่างของแถบที่ 4.8 eV ซึ่งเป็นความแรงของสนามสลายวิกฤตเชิงทฤษฎีที่ประมาณ 8 MV cm-1 ซึ่งมีความเร็วอิ่มตัวประมาณ 2E7cm s-1 และปัจจัยด้านคุณภาพ Baliga สูงถึง 3,000 ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้าแรงสูงและความถี่สูง

1. ลักษณะของวัสดุแกลเลียมออกไซด์
Ga2O3 มีช่องว่างแถบความถี่ขนาดใหญ่ (4.8 eV) ซึ่งคาดว่าจะทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าสูงและมีความสามารถด้านกำลังไฟฟ้าสูง และอาจมีศักยภาพในการปรับตัวแรงดันไฟฟ้าสูงที่ความต้านทานค่อนข้างต่ำ ทำให้เป็นจุดสนใจของการวิจัยในปัจจุบัน นอกจากนี้ Ga2O3 ไม่เพียงแต่มีคุณสมบัติของวัสดุที่ดีเยี่ยมเท่านั้น แต่ยังให้เทคโนโลยีการเติมชนิด n ที่ปรับเปลี่ยนได้ง่ายที่หลากหลาย ตลอดจนการเติบโตของซับสเตรตที่มีต้นทุนต่ำและเทคโนโลยี epitaxy จนถึงขณะนี้ มีการค้นพบเฟสคริสตัลที่แตกต่างกันห้าเฟสใน Ga2O3 รวมถึงคอรันดัม (α), โมโนคลินิก (β), สปิเนลที่มีข้อบกพร่อง (γ), ลูกบาศก์ (δ) และเฟสออร์โธร์ฮอมบิก (ɛ) ความคงตัวทางอุณหพลศาสตร์ตามลำดับคือ γ, δ, α, ɛ และ β เป็นที่น่าสังเกตว่าโมโนคลินิก β-Ga2O3 มีความเสถียรมากที่สุด โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิสูง ในขณะที่เฟสอื่นๆ สามารถแพร่กระจายได้เหนืออุณหภูมิห้อง และมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนรูปเป็นเฟส β ภายใต้สภาวะความร้อนจำเพาะ ดังนั้นการพัฒนาอุปกรณ์ที่ใช้ β-Ga2O3 จึงกลายเป็นจุดสนใจหลักในด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลังในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

ตารางที่ 1 การเปรียบเทียบพารามิเตอร์วัสดุเซมิคอนดักเตอร์บางตัว

โครงสร้างผลึกของโมโนคลินิกβ-Ga2O3 แสดงไว้ในตารางที่ 1 พารามิเตอร์ขัดแตะประกอบด้วย a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å และ β = 103.8° เซลล์หน่วยประกอบด้วยอะตอม Ga(I) ที่มีการประสานกันของจัตุรมุขบิดเบี้ยว และอะตอม Ga(II) ที่มีการประสานกันของแปดด้าน มีการจัดเรียงอะตอมออกซิเจนที่แตกต่างกันสามแบบในอาร์เรย์ "ลูกบาศก์บิด" รวมถึงอะตอม O(I) และ O(II) ที่มีพิกัดสามเหลี่ยมสองอะตอม และอะตอม O(III) ที่มีพิกัดเตตระฮีดริลหนึ่งอะตอม การรวมกันของการประสานงานของอะตอมทั้งสองประเภทนี้ทำให้เกิดแอนไอโซโทรปีของ β-Ga2O3 ที่มีคุณสมบัติพิเศษในด้านฟิสิกส์ การกัดกร่อนทางเคมี ออพติก และอิเล็กทรอนิกส์

รูปที่ 1 แผนผังโครงสร้างผลึก monoclinic β-Ga2O3

จากมุมมองของทฤษฎีแถบพลังงาน ค่าต่ำสุดของแถบการนำไฟฟ้าของ β-Ga2O3 ได้มาจากสถานะพลังงานที่สอดคล้องกับวงโคจรลูกผสม 4s0 ของอะตอม Ga มีการวัดความแตกต่างของพลังงานระหว่างค่าต่ำสุดของแถบการนำไฟฟ้าและระดับพลังงานสุญญากาศ (พลังงานสัมพรรคภาพอิเล็กตรอน) คือ 4 eV มวลอิเล็กตรอนที่มีประสิทธิผลของ β-Ga2O3 วัดได้ที่ 0.28–0.33 me และมีค่าการนำไฟฟ้าที่ดี อย่างไรก็ตาม ค่าสูงสุดของแถบวาเลนซ์จะแสดงเส้นโค้ง Ek แบบตื้นโดยมีความโค้งต่ำมากและวงโคจร O2p ที่ถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่นอย่างมาก ซึ่งบ่งบอกว่ารูนั้นถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่นอย่างลึกซึ้ง ลักษณะเหล่านี้ก่อให้เกิดความท้าทายอย่างมากในการบรรลุการเติม p-type ใน β-Ga2O3 แม้ว่าจะสามารถโด๊ปชนิด P ได้ แต่รู μ ยังคงอยู่ที่ระดับต่ำมาก 2. การเจริญเติบโตของผลึกเดี่ยวแกลเลียมออกไซด์จำนวนมาก จนถึงขณะนี้ วิธีการเจริญเติบโตของสารตั้งต้นผลึกเดี่ยวจำนวนมาก β-Ga2O3 ส่วนใหญ่เป็นวิธีการดึงคริสตัล เช่น Czochralski (CZ) วิธีการป้อนฟิล์มบางที่กำหนดโดยขอบ (Edge -Defined film-fed , EFG), Bridgman (ritical หรือแนวนอน Bridgman, HB หรือ VB) และเทคโนโลยีโซนลอยตัว (floating Zone, FZ) ในบรรดาวิธีการทั้งหมด Czochralski และวิธีการป้อนฟิล์มบางที่กำหนดขอบนั้นคาดว่าจะเป็นช่องทางที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับการผลิตเวเฟอร์ β-Ga 2O3 จำนวนมากในอนาคต เนื่องจากสามารถบรรลุปริมาณมากและมีความหนาแน่นของข้อบกพร่องต่ำไปพร้อมๆ กัน จนถึงขณะนี้ Novel Crystal Technology ของญี่ปุ่นได้ตระหนักถึงเมทริกซ์เชิงพาณิชย์สำหรับการเจริญเติบโตแบบละลาย β-Ga2O3

2.1 วิธีโชคราสกี้
หลักการของวิธี Czochralski คือให้เคลือบชั้นเมล็ดไว้ก่อน จากนั้นจึงดึงผลึกเดี่ยวออกจากการหลอมอย่างช้าๆ วิธี Czochralski มีความสำคัญมากขึ้นสำหรับ β-Ga2O3 เนื่องจากความคุ้มค่า ความสามารถในขนาดใหญ่ และการเติบโตของซับสเตรตคุณภาพคริสตัลสูง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความเครียดจากความร้อนในระหว่างการเติบโตของ Ga2O3 ที่อุณหภูมิสูง การระเหยของผลึกเดี่ยว วัสดุที่หลอมละลาย และความเสียหายต่อเบ้าหลอม Ir จะเกิดขึ้น นี่เป็นผลมาจากความยากลำบากในการบรรลุสารโด๊ปชนิด n ต่ำใน Ga2O3 การให้ออกซิเจนในปริมาณที่เหมาะสมเข้าสู่บรรยากาศการเจริญเติบโตเป็นวิธีหนึ่งในการแก้ปัญหานี้ ด้วยการปรับให้เหมาะสม β-Ga2O3 ขนาด 2 นิ้วคุณภาพสูงที่มีช่วงความเข้มข้นของอิเล็กตรอนอิสระ 10 ^ 16 ~ 10 ^ 19 cm-3 และความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูงสุด 160 cm2 / Vs ได้รับการเติบโตอย่างประสบความสำเร็จโดยวิธี Czochralski

รูปที่ 2 ผลึกเดี่ยวของ β-Ga2O3 ที่ปลูกโดยวิธี Czochralski

2.2 วิธีการป้อนฟิล์มแบบกำหนดขอบ
วิธีการป้อนฟิล์มบางที่กำหนดขอบถือเป็นคู่แข่งชั้นนำสำหรับการผลิตวัสดุผลึกเดี่ยว Ga2O3 ในพื้นที่ขนาดใหญ่ในเชิงพาณิชย์ หลักการของวิธีนี้คือการวางสารหลอมลงในแม่พิมพ์ที่มีรอยกรีดของเส้นเลือดฝอย และสารหลอมจะขึ้นสู่แม่พิมพ์โดยผ่านการกระทำของเส้นเลือดฝอย ที่ด้านบน ฟิล์มบางจะก่อตัวและกระจายไปในทุกทิศทางในขณะที่ถูกกระตุ้นให้ตกผลึกโดยผลึกของเมล็ด นอกจากนี้ สามารถควบคุมขอบของด้านบนของแม่พิมพ์เพื่อสร้างผลึกเป็นเกล็ด หลอด หรือรูปทรงที่ต้องการได้ วิธีการป้อนฟิล์มบางที่กำหนดขอบของ Ga2O3 ให้อัตราการเติบโตที่รวดเร็วและมีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ รูปที่ 3 แสดงแผนภาพของผลึกเดี่ยว β-Ga2O3 นอกจากนี้ ในแง่ของขนาด วัสดุซับสเตรต β-Ga2O3 ขนาด 2 นิ้วและ 4 นิ้วที่มีความโปร่งใสและความสม่ำเสมอที่ดีเยี่ยมได้ถูกนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ ในขณะที่ซับสเตรตขนาด 6 นิ้วถูกสาธิตในการวิจัยเพื่อการพาณิชย์ในอนาคต เมื่อเร็ว ๆ นี้ วัสดุผลึกเดี่ยวทรงกลมขนาดใหญ่ก็มีวางจำหน่ายในการวางแนว (−201) เช่นกัน นอกจากนี้ วิธีการป้อนฟิล์มที่กำหนดขอบ β-Ga2O3 ยังส่งเสริมการเติมองค์ประกอบโลหะทรานซิชัน ทำให้การวิจัยและการเตรียม Ga2O3 เป็นไปได้

รูปที่ 3 ผลึกเดี่ยว β-Ga2O3 ที่เติบโตโดยวิธีการป้อนฟิล์มที่กำหนดขอบ

2.3 วิธีบริดจ์แมน
ในวิธีบริดจ์แมน ผลึกจะก่อตัวขึ้นในเบ้าหลอมซึ่งค่อยๆ เคลื่อนที่ผ่านการไล่ระดับอุณหภูมิ กระบวนการนี้สามารถดำเนินการได้ในแนวนอนหรือแนวตั้ง โดยปกติจะใช้ถ้วยใส่ตัวอย่างหมุนได้ เป็นที่น่าสังเกตว่าวิธีนี้อาจใช้เมล็ดคริสตัลหรือไม่ก็ได้ ผู้ปฏิบัติงาน Bridgman แบบดั้งเดิมขาดการแสดงภาพโดยตรงของกระบวนการหลอมเหลวและการเติบโตของผลึก และต้องควบคุมอุณหภูมิด้วยความแม่นยำสูง วิธีบริดจ์แมนแนวตั้งส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการเจริญเติบโตของ β-Ga2O3 และเป็นที่รู้จักในด้านความสามารถในการเติบโตในสภาพแวดล้อมทางอากาศ ในระหว่างกระบวนการเติบโตของวิธี Bridgman ในแนวตั้ง การสูญเสียมวลรวมของการหลอมและถ้วยใส่ตัวอย่างจะถูกรักษาให้ต่ำกว่า 1% ทำให้สามารถเติบโตของผลึกเดี่ยว β-Ga2O3 ขนาดใหญ่โดยมีการสูญเสียน้อยที่สุด

รูปที่ 4 ผลึกเดี่ยวของ β-Ga2O3 ที่ปลูกโดยวิธีบริดจ์แมน

2.4 วิธีโซนลอยตัว
วิธีการโซนลอยตัวช่วยแก้ปัญหาการปนเปื้อนของคริสตัลจากวัสดุถ้วยใส่ตัวอย่าง และลดต้นทุนสูงที่เกี่ยวข้องกับถ้วยใส่ตัวอย่างอินฟราเรดที่ทนต่ออุณหภูมิสูง ในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตนี้ สารหลอมจะถูกให้ความร้อนด้วยหลอดไฟแทนที่จะใช้แหล่งกำเนิด RF ซึ่งทำให้ข้อกำหนดสำหรับอุปกรณ์การเจริญเติบโตง่ายขึ้น แม้ว่ารูปร่างและคุณภาพผลึกของ β-Ga2O3 ที่ปลูกโดยวิธีโซนลอยตัวจะยังไม่เหมาะสมที่สุด แต่วิธีนี้เปิดทางให้วิธีการที่มีแนวโน้มในการปลูก β-Ga2O3 ที่มีความบริสุทธิ์สูงให้เป็นผลึกเดี่ยวที่เป็นมิตรกับงบประมาณ

รูปที่ 5 β-Ga2O3 ผลึกเดี่ยวที่เติบโตโดยวิธีโซนลอยตัว