Alors que les matériaux semi-conducteurs de troisième génération tels que le carbure de silicium (Si ouiC) et le nitrure de gallium (Le GaN) continuent de gagner en force dans les applications électroniques à haute puissance, les chercheurs explorent activement la prochaine génération de semi-conducteurs à large bande passante. Parmi eux, l’oxyde de gallium (Ga₂O₃) s’est révélé un candidat prometteur en raison de son écartement de bande très large (4,8-5,3 eV) et de son champ électrique de rupture exceptionnellement élevé (>8 MV/cm). La fabrication réussie de cristaux uniques Ga₂O₃ de 4 pouces et plus a encore accéléré son développement industriel.

Cet article traite des méthodes de croissance des monocristaux Ga₂O₃ de 4 pouces, des propriétés des matériaux clés, des perspectives d’application et des défis actuels en matière de commercialisation.

1. Pourquoi l’oxyde de Gallium (Ga₂O₃) attire l’attention?

L’oxyde de Gallium (Ga₂O₃) est un semi-conducteur émergent à bande passante ultra-large qui surpasse le silicium conventionnel (Si) et les semi-conducteurs de troisième génération (La SiC et GaN) en termes d’énergie à bande passante et de champ électrique de rupture.

Comme le montre le tableau, Ga₂O₃ présente un champ électrique de panne nettement plus élevé que le SiC et le GaN, ce qui le rend particulièrement avantageux pour les applications d’appareils à haute puissance et haute tension.

De plus, contrairement à SiC et GaN, qui nécessitent des techniques de croissance épiaxiale coûteuses en raison de leurs points de fusion élevés, Ga₂O₃ peut être cultivé via des méthodes basées sur la fusion, ce qui réduit les coûts de production et facilite la fabrication à grande échelle.

2. Techniques de croissance pour 4 pouces Ga₂O₃ monocristaux

La commercialisation réussie de Ga₂O₃ repose largement sur la capacité à fabriquer des monocristaux de grande qualité et de grand diamètre. Les principales techniques de croissance comprennent:

(1) méthode verticale de Bridgman (VB)

Cette méthode consiste à fondre le matériau source Ga₂O₃ dans un creuset et à le refroidir progressivement pour favoriser la cristallisation. Il permet la croissance de cristaux Ga₂O₃ de grand diamètre et de faible défaut et est bien adapté à la production en série.

(2) méthode de la Zone flottante (FZ)

La méthode FZ utilise un chauffage par induction pour fondre le matériau source sans creuset, suivi d’une cristallisation contrôlée. Cette technique produit Ga₂O₃ de grande pureté et de faible défaut, mais son extensibilité pour les plaquettes de grand diamètre est limitée en raison des contraintes gravitationnelles.

(3) méthode de croissance filmée définie par bord (EFG)

EFG exerce une action capillaire pour tirer Ga₂O₃ fondu vers le haut à travers une matrice, où il cristallise en une plaquette de grande surface. Cette technique permet la fabrication directe de substrats de Ga₂O₃ minces et de grand diamètre, ce qui la rend adaptée à la production de tranches de 4 pouces et plus.

(4) méthode de Transport physique de vapeur (PVT)

PVT consiste à sublimer le matériau source Ga₂O₃ à des températures élevées et à lui permettre de se condenser et de cristalliser dans une région à plus basse température. Bien que cette méthode produise des monocristaux β-Ga₂O₃ de haute qualité, son taux de croissance relativement lent pose des défis pour la production de plaquettes à grande échelle.

3. Propriétés clés de 4 pouces Ga₂O₃ monocristaux

Les performances des tranches Ga₂O₃ de 4 pouces sont cruciales pour leur application dans les appareils électroniques de haute puissance. Le tableau suivant résume les principales propriétés des matériaux:

Ga₂O₃ peut être effectivement dopé de type n en utilisant Sn ou Si, permettant une conductivité électrique réglable. Cependant, l’obtention d’un dopage stable de type p demeure un défi majeur, limitant le développement de circuits métal-oxyde-semi-conducteur (CMOS) complémentaires.

4. Applications de 4 pouces Ga₂O₃ monocristaux

Grâce à ses propriétés matérielles uniques, Ga₂O₃ démontre un potentiel énorme dans les domaines suivants:

(1) dispositifs électroniques de haute puissance

Le champ de rupture élevé de Ga₂O₃ le rend idéal pour les dispositifs de commutation de puissance, tels que les transistors à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur (mosfe) et les diodes barrière Schottky (SBD). Par rapport au SiC et au GaN, Ga₂O₃ permet des densités de puissance plus élevées avec des empreintes d’appareils plus petites.

(2) photodétecteurs à ultraviolets profonds (DUV)

Avec son espace bande passante ultra-large, Ga₂O₃ est très transparent dans la gamme ultraviolets, ce qui le rend adapté aux photodétecteurs DUV à aveugle solaire (250-280 nm). Ces dispositifs sont essentiels pour la détection des incendies, la surveillance de l’environnement et la détection biologique.

(3) appareils de radiofréquence (RF) et micro-ondes

Ga₂O₃ est prometteur pour les applications à haute fréquence, telles que la communication 5G et les radar à onde millimétrique, où il peut être utilisé dans les amplificateurs de puissance et les commutateurs RF à faible perte.

(4) électronique transparente

La transparence optique de Ga₂O₃ en fait un excellent candidat pour les films conducteurs transparents, les appareils optoélectroniques et les circuits optiques intégrés.

5. Défis et tendances de développement futur

Malgré son potentiel prometteur, Ga₂O₃ fait face à plusieurs défis qui doivent être abordés avant une commercialisation généralisée:

• Limites de dopage de type p:L’obtention d’un dopage de type p stable et efficace reste un obstacle important, limitant l’applicabilité de Ga₂O₃ dans les circuits compatibles cmo.

• Contrôle d’uniformité pour les plaquettes de grand diamètre:Le maintien de la qualité du cristal et des propriétés électriques uniformes sur les tranches Ga₂O₃ de 6 pouces et plus est essentiel pour une adoption à l’échelle industrielle.

• Problèmes de gestion thermique:Ga₂O₃ a une conductivité thermique relativement faible (10-27 W/m·K), nécessitant des stratégies avancées de dissipation de la chaleur, telles que l’intégration avec des matériaux à haute conductivité thermique comme SiC ou diamond.

6. Conclusion Conclusion

La croissance et l’application réussies des monocristaux Ga₂O₃ de 4 pouces sont à l’origine de progrès significatifs dans l’électronique de puissance de nouvelle génération. Grâce aux améliorations continues apportées aux techniques de croissance des cristaux et aux procédés de fabrication des appareils, Ga₂O₃ est sur le point de jouer un rôle de transformation dans l’électronique de puissance à haute tension, les communications sans fil et la détection ultraviolets profonds. Alors que l’industrie des semi-conducteurs continue d’innover, Ga₂O₃ pourrait devenir un matériau clé pour les futurs appareils électroniques et optoélectroniques à hautes performances.