β相ガリウム酸化物(β-Ga₂O₃)は、約4.9 eVの超広バンドギャップ、高い破壊電場、優れた放射線耐性を特徴としています。これらの特性により、過酷な放射線環境下でも優れた性能を維持し、航空宇宙、原子力産業、その他の分野で大きな応用可能性を示しています。パワーウェーファーテックグループは、(100)、(010)、(001)、(001)、(201)の配向を持つβ-Ga₂O₃基板を供給しています。詳細な仕様は以下の通りです。
1. ベータガリウム酸化物基板仕様
| アイテム | 向き | サイズ(mm) | 厚さ(mm) | 抵抗率UID(Ω·cm) | 抵抗率Sn(Ω·cm) | 抵抗率 Mg/Fe(Ω·cm) | フラット | DCRCのFWHM(アークセク) | 転位密度(cm⁻²) | 表面仕上げ(nm) | 向き偏差 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 平方β-Ga₂O₃ | (100) | 10 ± 0.2 × 10.5 ± 0.2 | 0.5 (± 0.02) | 0.1~0.9 | 0.01~0.07 | ≥10¹⁰ | [010]方向に沿った長辺 | ≤150 | SSP/DSP;ラー | ||
| (010) | 10 ± 0.2 × 10.5 ± 0.2 | 0.5 (± 0.02) | 0.1~0.9 | 0.01~0.07 | ≥10⁸ | [010]方向に沿った長辺 | ≤150 | SSP/DSP;ラー | |||
| (010) | 20 ± 0.2 × 21 ± 0.2 | 0.5 (± 0.02) | 0.1~0.9 | / | ≥10⁸ | [010]方向に沿った長辺 | ≤150 | SSP/DSP;ラー | |||
| (001) | 10 ± 0.2 × 10.5 ± 0.2 | 0.5 (± 0.02) | 0.1~0.9 | 0.01~0.07 | ≥10⁸ | [010]方向に沿った長辺 | ≤250 | SSP/DSP;ラー | |||
| (201) | 10 ± 0.2 × 10.5 ± 0.2 | 0.5 (± 0.02) | / | 0.01~0.07 | / | [010]方向に沿った長辺 | ≤150 | SSP/DSP;ラー | |||
| ラウンドβ-Ga₂O₃ | (100) | 50.8 ± 0.5 | 0.5 ± 0.02 | 0.1~0.9 | / | ≥10⁸ | [010] 方向 | ≤150 | SSP/DSP;ラー | ||
| (100) | 100 ± 0.5 | 0.5 ± 0.02 | 0.1~0.9 | 0.01~0.07 | ≥10¹⁰ | [010] 方向 | ≤150 | SSP/DSP;ラー | |||
| (100) | 150 ± 0.5 | 0.8 ± 0.02 | 0.1~0.9 | 0.01~0.07 | / | [010] 方向 | ≤200 | SSP/DSP;ラー |
2. Ga₂O₃ 相安定性と結晶構造
酸化ガリウムはα、β、γ、δ、εの5つの同素体を持ち、その中でβ-Ga₂O₃が最も熱力学的に安定しています。十分に高温に加熱されると、他のすべての準安定相は融点(~1800°C)での独占相であるβ相に変化します。異なる相の形成自由エネルギーは次の条件を満たすβ
図1 — Ga₂O₃相転移図。
β-Ga₂O₃は、融解成長法によって効率的かつ低コストで大量生産できる唯一のGa₂O₃相です。その結晶構造は単斜晶で、空間群はC2/mで、格子定数は以下の通りです:a = 12.23(2) Å, b = 3.04(1) Å, c = 5.80(1) Å, α = γ = 90°, β = 103.7(3)°。各単位格子は2つの不等値なGa部位(GaI.、GaII.)と3つの不等価なOサイト(OI., OII., OIII.)を含みます。GaI.はわずかに歪んだ四面体配位環境に存在し、4つの酸素原子に結合しています。GaIIは、非常に歪んだ八面体環境にあり、6つの酸素原子に結合しています。OI. と OII. はどちらも三配位結合です。すなわち、OI. 結合は2つのGaI.と1つのGaII.、OII.は3つのGaII.で結合します。OIII.は4配位で、2つのGaI.と2つのGaIIと結合しています。この歪んだ格子構造は、β-Ga₂O₃基板に高い熱力学的安定性と優れた機械的強度をもたらすだけでなく、異なる結晶面間での表面エネルギー、熱伝導率、キャリア移動度において顕著な異方性をもたらします。
3. 酸化ガリウムの単結晶成長技術
Ga₂O₃半導体製品のコストの約50%は基板製造から生じており、基板製造の鍵は単結晶成長法の選択にあります。既存の主な成長方法には、エッジ定義型フィルムフィード成長(EFG)、チョクラルスキー(CZ)、垂直ブリッジマン(VB)、フローティングゾーン(FZ)、ヴェルヌイユ、鋳造、コールドクルーシブルからの酸化結晶成長(OCCC)などがあります。それぞれの方法には利点と欠点がありますが、工業化されたのはEFGだけです。表1は、いくつかの主要な成長手法の技術的特徴を比較しています。
表1。主要なβ-Ga₂O₃単結晶成長法の比較
| 成長方法 | 最大結晶サイズ | 成長方向 | 大気 | クルーシブル | 主な利点 | 主な制限 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| CZ | 2インチ | [010] | 限られたO₂ | イリジウム | 成熟したプロセスで、スケーリングが容易;制御可能なドーピング濃度;大量生産に適しています。 | 溶融結晶界面は歪みが起こりやすく、直径膨張を6インチ以上制限します。 |
| EFG | 6インチ | [010] | 限られたO₂ | イリジウム | 赤外線ダイは安定した熱場を提供します。複雑な断面積を持つ6インチのクリスタルリボンを成長させることができます。高い成長率(5〜10 mm/h)。 | 高価なIr坩堝への大きな依存;高い設備投資と運営コスト。 |
| OFZ | 1インチ | さまざまな方向性 | さまざまなO₂ | クルーシブルフリー | 異金属による汚染を防ぐための坩堝もありません。極めて高い結晶純度、低い転位密度。 | 直径は通常≤1インチ;高真空または高純度のO₂/Ar大気中で安定した成長が必要です。 |
| VB | 6インチ | さまざまな方向性 | 航空 | Pt-30%Rh(Pt-30%Rh) | 空気中で直接成長することも可能です(Pt-Rh/Ir 坩堝);良好な結晶等方性;6インチまでスケーラブルです。 | Rh/Ir溶解汚染;温度勾配や引き張り速度の狭い窓を設けましょう。 |
| OCCC | 2インチ | [010] | 航空 | 銅 | 水冷銅るつぼが貴金属のるつぼに代わり、コストが約40%削減されます。周波数を調整してCZのような熱場と界面形状を実現し、高いクリスタル純度。 | 不安定な融解対流;電気絶縁結晶の準備が困難であり、ディープクルーシブル(>50mm)設計は安定性に課題をもたらします。 |
4. β-Ga₂O₃基板処理の課題
高精度で低損傷の基板は高性能デバイスの基盤です。β-Ga₂O₃は、強い化学的不活性性、硬度と脆性、顕著な異方性、顕著な切断特性により、典型的に加工が難しい材料です。機械的挙動は異なる結晶面間で大きく異なります。同じ荷重の下で、(001)面の損傷深度は(100)面の約2倍になります。(010)面と(100)面のナノインデント切断深度範囲はそれぞれ96.5–576.8 nmおよび84.6–421.6 nmです。マイクロピラー圧縮試験では、(200)、(001)、(010)平面間で破砕応力とひずみに有意な違いがあることも確認されています。
これらの特性により、脆い剥離、亀裂の伝播、加工中の研磨速度の低下などの問題が生じます。研究によれば、Ga₂O₃の(010)平面内で105°方向が最も加工しやすい方向であり、より安定した材料除去と損傷の少なさが示されています。したがって、(010)平面が推奨される処理面です。配向特化プロセスの開発と化学機械研磨(CMP)システムの適応は、高品質なβ-Ga₂O₃ウェハー製造を達成する鍵となります。
5. ベータGa₂O₃ウェハー応用
上記の材料特性と基板処理能力に基づき、β-Ga₂O₃は複数の光電子デバイス分野で独自の優位性を示しています。
5.1 深紫外線光検出
β-Ga₂O₃のカットオフ波長は深紫外線(DUV)領域(250〜280 nm)にあり、可視光や赤外線に対してほとんど応答がないため、非常に選択的で背景雑音の少ないDUV検出が可能となっています。
5.2 核放射線検出
β-Ga₂O₃は6.44 g·cm⁻³という高密度を持ち、優れたシンチレーション特性を持ち、α、β、γ粒子、中性子放射の効率的な検出を可能にします。高線量放射線環境下でも長期安定した運転を維持し、強い放射線損傷耐性を示します。
5.3 追加アプリケーション
さらに、β-Ga₂O₃は優れた機械的強度と化学的耐腐食性を持ち、高温検知、耐腐食性フォトニックデバイス、極限環境電子機器に有望です。
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