Wye bandgaping (WBG) halfgeleiers verteenwoordig deur silikonkarbied (SiC) en galliumnitried (GaN) het wydverspreide aandag geniet. Mense het hoë verwagtinge vir die toepassingsvooruitsigte van silikonkarbied in elektriese voertuie en kragnetwerke, sowel as die toepassingsvooruitsigte van galliumnitried in vinnige laai. In onlangse jare het navorsing oor Ga2O3, AlN en diamantmateriaal aansienlike vordering gemaak, wat ultrawye bandgap-halfgeleiermateriale die fokus van aandag maak. Onder hulle is galliumoksied (Ga2O3) 'n opkomende ultrawye bandgaping halfgeleiermateriaal met 'n bandgaping van 4.8 eV, 'n teoretiese kritieke afbreekveldsterkte van ongeveer 8 MV cm-1, 'n versadigingssnelheid van ongeveer 2E7cm s-1, en 'n hoë Baliga-gehaltefaktor van 3000, wat wydverspreide aandag geniet op die gebied van hoë spanning en hoë frekwensie krag elektronika.
1. Galliumoksied materiaal eienskappe
Ga2O3 het 'n groot bandgaping (4.8 eV), sal na verwagting beide hoë weerstaanspanning en hoë drywingvermoëns bereik, en kan die potensiaal hê vir hoëspanningaanpasbaarheid teen relatief lae weerstand, wat hulle die fokus van huidige navorsing maak. Daarbenewens het Ga2O3 nie net uitstekende materiaal eienskappe nie, maar bied ook 'n verskeidenheid maklik verstelbare n-tipe doping tegnologieë, sowel as laekoste substraat groei en epitaksie tegnologieë. Tot dusver is vyf verskillende kristalfases in Ga2O3 ontdek, insluitend korund (α), monokliniese (β), defekte spinel (γ), kubieke (δ) en ortorhombiese (ɛ) fases. Termodinamiese stabiliteite is, in volgorde, γ, δ, α, ɛ en β. Dit is opmerklik dat monokliniese β-Ga2O3 die mees stabiele is, veral by hoë temperature, terwyl ander fases metstabiel bo kamertemperatuur is en geneig is om onder spesifieke termiese toestande in die β-fase te transformeer. Daarom het die ontwikkeling van β-Ga2O3-gebaseerde toestelle die afgelope paar jaar 'n groot fokus op die veld van kragelektronika geword.
Tabel 1 Vergelyking van sommige halfgeleiermateriaalparameters
Die kristalstruktuur van monokliniese β-Ga2O3 word in Tabel 1 getoon. Sy roosterparameters sluit in a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, en β = 103.8°. Die eenheidsel bestaan uit Ga(I)-atome met gedraaide tetraëdriese koördinasie en Ga(II)-atome met oktaëdriese koördinasie. Daar is drie verskillende rangskikkings van suurstofatome in die "gedraaide kubieke" skikking, insluitend twee driehoekig gekoördineerde O(I) en O(II) atome en een tetraëdries gekoördineerde O(III) atoom. Die kombinasie van hierdie twee tipes atoomkoördinasie lei tot die anisotropie van β-Ga2O3 met spesiale eienskappe in fisika, chemiese korrosie, optika en elektronika.
Figuur 1 Skematiese struktuurdiagram van monokliniese β-Ga2O3 kristal
Vanuit die perspektief van energiebandteorie word die minimum waarde van die geleidingsband van β-Ga2O3 afgelei van die energietoestand wat ooreenstem met die 4s0 hibriede wentelbaan van die Ga-atoom. Die energieverskil tussen die minimum waarde van die geleidingsband en die vakuumenergievlak (elektronaffiniteitsenergie) word gemeet. is 4 eV. Die effektiewe elektronmassa van β-Ga2O3 word gemeet as 0.28–0.33 me en sy gunstige elektroniese geleidingsvermoë. Die valensband maksimum vertoon egter 'n vlak Ek-kromme met baie lae kromming en sterk gelokaliseerde O2p-orbitale, wat daarop dui dat die gate diep gelokaliseer is. Hierdie eienskappe stel 'n groot uitdaging om p-tipe doping in β-Ga2O3 te bereik. Selfs al kan P-tipe doping bereik word, bly die gat μ op 'n baie lae vlak. 2. Groei van grootmaat galliumoksied enkelkristal Tot dusver is die groeimetode van β-Ga2O3 grootmaat enkelkristalsubstraat hoofsaaklik kristaltrekmetode, soos Czochralski (CZ), randgedefinieerde dunfilmvoedingsmetode (Edge -Defined film-gevoed) , EFG), Bridgman (rtiese of horisontale Bridgman, HB of VB) en drywende sone (drywende sone, FZ) tegnologie. Van alle metodes word verwag dat Czochralski en randgedefinieerde dunfilmvoedingsmetodes die mees belowende weë sal wees vir massaproduksie van β-Ga 2O3-wafers in die toekoms, aangesien hulle gelyktydig groot volumes en lae defekdigthede kan bereik. Tot dusver het Japan se nuwe kristaltegnologie 'n kommersiële matriks vir smeltgroei β-Ga2O3 gerealiseer.
2.1 Czochralski-metode
Die beginsel van Czochralski-metode is dat die saadlaag eers bedek word, en dan word die enkelkristal stadig uit die smelt getrek. Die Czochralski metode is toenemend belangrik vir β-Ga2O3 as gevolg van die koste-effektiwiteit, groot grootte vermoëns en hoë kristal kwaliteit substraat groei. As gevolg van termiese spanning tydens die hoë-temperatuur groei van Ga2O3, sal verdamping van enkelkristalle, smeltmateriale en skade aan die Ir-smeltkroes egter plaasvind. Dit is die gevolg van die moeilikheid om lae n-tipe doping in Ga2O3 te bereik. Die inbring van 'n gepaste hoeveelheid suurstof in die groeiatmosfeer is een manier om hierdie probleem op te los. Deur optimalisering is hoë kwaliteit 2-duim β-Ga2O3 met 'n vrye elektronkonsentrasiereeks van 10^16~10^19 cm-3 en 'n maksimum elektrondigtheid van 160 cm2/Vs suksesvol deur die Czochralski-metode gekweek.
Figuur 2 Enkelkristal van β-Ga2O3 gegroei deur Czochralski metode
2.2 Rand-gedefinieerde film voeding metode
Die rand-gedefinieerde dun film voeding metode word beskou as die voorste mededinger vir die kommersiële produksie van groot-area Ga2O3 enkelkristal materiale. Die beginsel van hierdie metode is om die smelt in 'n vorm met 'n kapillêre spleet te plaas, en die smelt styg na die vorm deur kapillêre werking. Aan die bokant vorm 'n dun film en versprei in alle rigtings terwyl dit deur die saadkristal veroorsaak word om te kristalliseer. Daarbenewens kan die rande van die vormblad beheer word om kristalle in vlokkies, buise of enige gewenste geometrie te produseer. Die randgedefinieerde dunfilmvoedingsmetode van Ga2O3 bied vinnige groeitempo's en groot diameters. Figuur 3 toon 'n diagram van 'n β-Ga2O3 enkelkristal. Daarbenewens, in terme van grootte skaal, is 2-duim en 4-duim β-Ga2O3-substrate met uitstekende deursigtigheid en eenvormigheid gekommersialiseer, terwyl die 6-duim-substraat gedemonstreer word in navorsing vir toekomstige kommersialisering. Onlangs het groot sirkelvormige enkelkristal-massamateriaal ook beskikbaar geword met (−201) oriëntasie. Daarbenewens bevorder die β-Ga2O3 randgedefinieerde filmvoedingsmetode ook die doping van oorgangsmetaalelemente, wat die navorsing en voorbereiding van Ga2O3 moontlik maak.
Figuur 3 β-Ga2O3 enkelkristal gegroei deur rand-gedefinieerde film voeding metode
2.3 Bridgeman-metode
In die Bridgeman-metode word kristalle in 'n smeltkroes gevorm wat geleidelik deur 'n temperatuurgradiënt beweeg word. Die proses kan in 'n horisontale of vertikale oriëntasie uitgevoer word, gewoonlik met behulp van 'n roterende smeltkroes. Dit is opmerklik dat hierdie metode kristalsaad kan gebruik of nie. Tradisionele Bridgman-operateurs het nie direkte visualisering van die smelt- en kristalgroeiprosesse nie en moet temperature met hoë presisie beheer. Die vertikale Bridgman-metode word hoofsaaklik gebruik vir die groei van β-Ga2O3 en is bekend vir sy vermoë om in 'n lugomgewing te groei. Tydens die vertikale Bridgman-metode groeiproses word die totale massaverlies van die smelt en smeltkroes onder 1% gehou, wat die groei van groot β-Ga2O3 enkelkristalle met minimale verlies moontlik maak.
Figuur 4 Enkelkristal van β-Ga2O3 gegroei deur Bridgeman metode
2.4 Drywende sone metode
Die drywende sone-metode los die probleem van kristalbesoedeling deur smeltkroesmateriale op en verminder die hoë koste verbonde aan hoë-temperatuurbestande infrarooi smeltkroeë. Tydens hierdie groeiproses kan die smelt deur 'n lamp eerder as 'n RF-bron verhit word, en sodoende die vereistes vir groeitoerusting vereenvoudig. Alhoewel die vorm en kristalkwaliteit van β-Ga2O3 wat deur die drywende sone-metode gekweek word nog nie optimaal is nie, maak hierdie metode 'n belowende metode oop om hoë-suiwer β-Ga2O3 in begrotingsvriendelike enkelkristalle te laat groei.
Figuur 5 β-Ga2O3 enkelkristal gegroei deur die drywende sone metode.
Postyd: Mei-30-2024