Avec les progrès rapides des matériaux semi-conducteurs à large bande passante, l’oxyde de gallium (Ga₂O₃) a démontré un potentiel important dans les dispositifs électroniques de puissance, les détecteurs ultraviolets et les applications optoélectroniques en raison de son large bande passante (4,8-5,3 eV), de son champ électrique de rupture élevé (~8 MV/cm) et d’excellentes propriétés optoélectroniques. Cependant, étant donné son point de fusion élevé (~1800°C), la fabrication de cristaux simples de Ga₂O₃ de grande qualité et de grande taille reste un objectif de recherche critique.

Parmi les différentes techniques de croissance des cristaux, la méthode verticale Bridgman (VB) est reconnue comme une approche efficace pour la croissance des cristaux mono-cristaux Ga₂O₃ en raison de sa stabilité du procédé, de son aptitude à la croissance des cristaux à grande échelle et des exigences d’équipement relativement simples. Cet article fournit un aperçu systématique de la méthode VB, y compris ses principes, le flux de processus, les avantages, les défis, et ses perspectives d’application dans les dispositifs à semi-conducteurs.

1. Principes et processus de la méthode VB

1.1 principes de la méthode VB

La méthode verticale de Bridgman (VB) est une technique de croissance cristalline basée sur des gradients de température contrôlés qui régulent la solidification du bain. Le concept central consiste à abaisser progressivement le creuset ou à contrôler avec précision le champ de température pour permettre à la fusion de se solidifier progressivement à partir du fond, formant finalement un monocristal de haute qualité. Cette méthode est largement utilisée pour la culture de matériaux semi-conducteurs d’oxyde tels que l’oxyde de gallium (Ga₂O₃), l’oxyde d’aluminium (Al₂O₃) et le tellure de cadmium (CdTe).

1.2 flux de processus de croissance de cristaux de Ga₂O₃ via la méthode VB

(1) préparation de matières premières de haute pureté

- la poudre β-Ga₂O₃ de grande pureté est sélectionnée et soumise à un frittage à haute température pour éliminer les impuretés et améliorer la pureté du matériau.

- un régulateur de pression partielle d’oxygène (par exemple atmosphère O₂) est utilisé pour optimiser l’uniformité de composition de la fusion Ga₂O₃.

(2) sélection du creuset et conception du champ de température

- en raison du point de fusion élevé de Ga₂O₃ (~1800°C), les creusets en platine (Pt) ou en oxyde d’aluminium (Al₂O₃) sont couramment utilisés pour assurer une excellente résistance à la chaleur et à la corrosion.

- le chauffage par Induction ou le chauffage par résistance est utilisé pour fournir un champ de température stable, avec un gradient de température contrôlé de 50-100 °C/cm pour assurer la croissance uniforme des cristaux.

(3) processus de fusion et de cristallisation

- la matière première Ga₂O₃ est complètement fondue à une température élevée (>1800°C) pour assurer l’homogénéité de la fusion.

- la vitesse de descente du creuset (typiquement 0,5-2 mm/h) est contrôlée avec précision pour permettre à la fusion de se solidifier progressivement à partir du fond, formant un β-Ga₂O₃ monocristal de haute qualité.

- une vitesse de refroidissement modérée est utilisée pour prévenir la fissuration induite par les contraintes thermiques, améliorant ainsi le rendement des cristaux sans défauts.

(4) Extraction du cristal et post-traitement

- après refroidissement progressif, le Ga₂O₃ monocristal est extrait et soumis à la diffraction des rayons x (XRD), à la spectroscopie Raman et à la spectroscopie infrarouge pour évaluer la qualité du cristal.

- d’autres tranchages, meulage et polissage sont effectués pour préparer les plaquettes Ga₂O₃ adaptées aux applications d’appareils.

2. Avantages et défis de la méthode VB pour la croissance de Ga₂O₃

2.1 avantages clés

- convient pour la croissance de cristaux de grande taille: la méthode VB permet la production de cristaux uniques Ga₂O₃ de plus de 2 pouces, répondant aux exigences des applications industrielles.

- processus Stable et qualité cristalline élevée: avec un contrôle précis de la température et des taux de cristallisation optimisés, la méthode VB peut produire des cristaux simples de haute qualité et à faible défaut.

- équipement relativement simple, adapté à l’industrialisation: comparé à d’autres méthodes à base de fusion (par exemple, méthode de la Zone flottante (FZ)), le procédé VB est plus mature et convient à la production industrielle à grande échelle.

2.2 défis majeurs

- un point de fusion élevé pose des problèmes d’équipement: le point de fusion élevé de Ga₂O₃ (~1800°C) nécessite des creusets résistants aux températures élevées et des systèmes de chauffage stables, ce qui augmente les coûts de production.

- fissuration induite par les contraintes thermiques: en raison de son coefficient de dilatation thermique élevé, les cristaux de Ga₂O₃ sont sujets à des fissures sous contrainte thermique pendant le refroidissement, nécessitant des vitesses de refroidissement optimisées et des conceptions de champ de température.

- contrôle des impuretés et optimisation de l’uniformité des cristaux: Ga₂O₃ est sensible aux variations partielles de pression de l’oxygène à haute température, pouvant entraîner une ségrégation des impuretés, nécessitant un contrôle atmosphérique précis.

3. Perspectives d’application des cristaux Ga₂O₃ cultivés en vb

En raison de son écartement de bande très large, de son champ de rupture élevé et de ses propriétés optoélectroniques supérieures, les monocristaux Ga₂O₃ ont des applications prometteuses dans plusieurs domaines électroniques et optoélectroniques avancés:

(1) dispositifs électroniques de puissance

- interrupteurs haute tension et MOSFETs de puissance: le champ de panne élevé (~8 MV/cm) de β-Ga₂O₃ le rend idéal pour la fabrication de dispositifs semi-conducteurs de haute puissance et à haut rendement, applicables aux véhicules électriques, aux réseaux intelligents et à la conversion d’énergie renouvelable.

- amplificateurs de puissance RF (RF PAs): la forte densité de puissance de Ga₂O₃ permet son utilisation potentielle dans les systèmes de communication 5G et de radar.

(2) détecteurs d’ultraviolets profonds

- avec sa large gamme de transparence optique (200-5000 nm), β-Ga₂O₃ est hautement adapté aux photodétecteurs ultraviolets et aux photodiodes ultraviolets profonds (UV PDs), largement utilisés dans l’exploration spatiale, la surveillance environnementale et la détection biomédicale.

(3) Transistors à effet de champ (FETs)

- Ga₂O₃ est idéal pour les transistors haute puissance et haute fréquence à effet de champ (HEMTs), avec des applications dans les communications d’onde millimétrique et les amplificateurs haute fréquence.

(4) optoélectronique et dispositifs Laser

- dans les sources de lumière ultraviolets profonds et les dispositifs laser, les monocristaux Ga₂O₃ peuvent servir de matériaux de substrat pour les lasers à courte longueur d’onde, démontrant un potentiel d’application significatif.

4. Conclusion Conclusion

La méthode verticale Bridgman (VB) s’est avérée être une technique efficace pour la culture de cristaux mono-cristaux de Ga₂O₃ de haute qualité, en raison de sa faible complexité de processus, de son excellente qualité de cristallisation et de son aptitude à la fabrication de cristaux à grande échelle. Bien que des défis tels que les limitations des équipements à haute température, le contrôle du stress thermique et la gestion des impuretés demeurent, les progrès continus dans la technologie de croissance des cristaux et la demande industrielle croissante devraient entraîner d’autres progrès dans ce domaine.

Les futures orientations de recherche se concentreront sur l’optimisation de la conception du champ de température, la réduction des défauts cristaux et l’amélioration de l’efficacité de la croissance, en favorisant l’application généralisée des matériaux Ga₂O₃ dans les technologies de semi-conducteurs de nouvelle génération.