Шыроказонныя (WBG) паўправаднікі, прадстаўленыя карбідам крэмнію (SiC) і нітрыдам галію (GaN), атрымалі шырокую ўвагу. Людзі ўскладаюць вялікія чаканні на перспектывы прымянення карбіду крэмнію ў электрамабілях і электрасетках, а таксама на перспектывы прымянення нітрыду галію ў хуткай зарадцы. У апошнія гады даследаванні Ga2O3, AlN і алмазных матэрыялаў дасягнулі значнага прагрэсу, у выніку чаго паўправадніковыя матэрыялы са звышшыроказоннай зонай сталі ў цэнтры ўвагі. Сярод іх аксід галію (Ga2O3) з'яўляецца новым звышшыроказонным паўправадніковым матэрыялам з шырынёй забароненай зоны 4,8 эВ, тэарэтычнай крытычнай напружанасцю поля прабоя каля 8 МВ см-1, хуткасцю насычэння каля 2E7 см с-1, і высокі каэфіцыент якасці Baliga 3000, што прыцягвае шырокую ўвагу ў галіне высокага напружання і высокай частаты сілавая электроніка.
1. Характарыстыкі матэрыялу з аксіду галію
Ga2O3 мае вялікую шырыню забароненай зоны (4,8 эВ), чакаецца, што ён зможа дасягнуць як высокага вытрымліванага напружання, так і высокай магутнасці, і можа мець патэнцыял адаптацыі да высокага напружання пры адносна нізкім супраціўленні, што робіць іх у цэнтры ўвагі бягучых даследаванняў. Акрамя таго, Ga2O3 не толькі валодае выдатнымі ўласцівасцямі матэрыялу, але і забяспечвае мноства лёгка наладжвальных тэхналогій легіравання n-тыпу, а таксама недарагіх тэхналогій вырошчвання падкладкі і эпітаксіі. Да гэтага часу ў Ga2O3 было выяўлена пяць розных крышталічных фаз, у тым ліку карунд (α), манаклінная (β), дэфектная шпінель (γ), кубічная (δ) і ромбічная (ɛ) фазы. Тэрмадынамічная ўстойлівасць у парадку: γ, δ, α, ɛ і β. Варта адзначыць, што манаклінны β-Ga2O3 з'яўляецца найбольш стабільным, асабліва пры высокіх тэмпературах, у той час як іншыя фазы метастабільныя вышэй пакаёвай тэмпературы і маюць тэндэнцыю ператварацца ў β-фазу пры пэўных тэмпературных умовах. Такім чынам, распрацоўка прылад на аснове β-Ga2O3 стала галоўным напрамкам у галіне сілавы электронікі ў апошнія гады.
Табліца 1 Параўнанне некаторых параметраў паўправадніковых матэрыялаў
Крышталічная структура манакліннага β-Ga2O3 паказана ў табліцы 1. Яго параметры рашоткі ўключаюць a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å і β = 103,8 °. Элементарная ячэйка складаецца з атамаў Ga(I) з закручанай тэтраэдрычнай каардынацыяй і атамаў Ga(II) з актаэдрычнай каардынацыяй. Існуюць тры розныя размяшчэння атамаў кіслароду ў "кручаным кубічным" масіве, у тым ліку два атамы O(I) і O(II) з трохкутнай каардынацыяй і адзін атам з тэтраэдральнай каардынацыяй O(III). Спалучэнне гэтых двух тыпаў каардынацыі атамаў прыводзіць да анізатрапіі β-Ga2O3 з асаблівымі ўласцівасцямі ў фізіцы, хімічнай карозіі, оптыцы і электроніцы.
Малюнак 1. Прынцыповая структурная схема манакліннага крышталя β-Ga2O3
З пункту гледжання энергетычнай зоннай тэорыі, мінімальнае значэнне зоны праводнасці β-Ga2O3 выводзіцца з энергетычнага стану, які адпавядае гібрыднай арбіце 4s0 атама Ga. Вымяраецца розніца энергіі паміж мінімальным значэннем зоны праводнасці і энергетычным узроўнем вакууму (энергія сродства да электрона). складае 4 эВ. Эфектыўная маса электрона β-Ga2O3 вымяраецца як 0,28–0,33 мэ і яго спрыяльная электронная праводнасць. Аднак максімум валентнай зоны дэманструе неглыбокую крывую Ek з вельмі нізкай крывізной і моцна лакалізаванымі O2p-арбіталямі, што сведчыць аб тым, што дзіркі глыбока лакалізаваны. Гэтыя характарыстыкі ствараюць вялікую праблему для дасягнення легіравання p-тыпу ў β-Ga2O3. Нават калі можа быць дасягнута легіраванне P-тыпу, дзірка μ застаецца на вельмі нізкім узроўні. 2. Вырошчванне аб'ёмнага монакрышталя аксіду галію Да гэтага часу метад вырошчвання аб'ёмнага монакрышталя падкладкі β-Ga2O3 у асноўным з'яўляецца метадам выцягвання крышталя, такім як Чахральскі (CZ), метад падачы тонкай плёнкі па краі (Edge -Defined film-fed , EFG), Брыджмэна (ртыкальны або гарызантальны Брыджмэн, HB або VB) і плаваючая зона (floating zone, FZ) тэхналогіі. Чакаецца, што сярод усіх метадаў найбольш перспектыўнымі спосабамі для масавай вытворчасці пласцін β-Ga 2O3 у будучыні стануць метады падачы тонкай плёнкі Чахральскага і краёвай падачы, паколькі яны могуць адначасова дасягаць вялікіх аб'ёмаў і нізкай шчыльнасці дэфектаў. Да гэтага часу японская кампанія Novel Crystal Technology рэалізавала камерцыйную матрыцу для росту з расплаву β-Ga2O3.
1.1 Метад Чахральскага
Прынцып метаду Чахральскага заключаецца ў тым, што спачатку пакрываецца затравальны пласт, а потым монакрышталік павольна выцягваецца з расплаву. Метад Чахральскага становіцца ўсё больш важным для β-Ga2O3 з-за яго эканамічнай эфектыўнасці, вялікіх памераў і росту падкладкі высокай якасці крышталяў. Аднак з-за тэрмічнага напружання падчас высокатэмпературнага росту Ga2O3 адбудзецца выпарэнне монакрышталяў, расплаўленых матэрыялаў і пашкоджанне Ir тыгля. Гэта з'яўляецца вынікам цяжкасці ў дасягненні нізкага легіравання n-тыпу ў Ga2O3. Увядзенне адпаведнай колькасці кіслароду ў атмасферу росту - адзін са спосабаў вырашэння гэтай праблемы. Дзякуючы аптымізацыі высакаякасны 2-цалевы β-Ga2O3 з дыяпазонам канцэнтрацыі свабодных электронаў 10^16~10^19 см-3 і максімальнай шчыльнасцю электронаў 160 см2/Вс быў паспяхова вырашчаны метадам Чахральскага.
Малюнак 2 Монакрышталь β-Ga2O3, вырашчаны метадам Чахральскага
1.2 Метад падачы плёнкі па краях
Метад падачы тонкай плёнкі з вызначаным краем лічыцца галоўным прэтэндэнтам на камерцыйную вытворчасць монакрышталяў Ga2O3 вялікай плошчы. Прынцып гэтага метаду заключаецца ў змяшчэнні расплаву ў форму з капілярнай шчылінай, і расплаў падымаецца ў форму дзякуючы капілярнаму дзейнічанню. У верхняй частцы ўтвараецца тонкая плёнка, якая распаўсюджваецца ва ўсе бакі, у той час як затравкавы крышталь прымушае яе крышталізавацца. Акрамя таго, краю верхняй часткі формы можна кантраляваць для атрымання крышталяў у выглядзе шматкоў, трубак або любой патрэбнай геаметрыі. Метад падачы тонкай плёнкі Ga2O3 з акрэсленымі краямі забяспечвае хуткія тэмпы росту і вялікія дыяметры. На малюнку 3 паказана схема монакрышталя β-Ga2O3. Акрамя таго, з пункту гледжання маштабу памеру, 2-цалевыя і 4-цалевыя падкладкі β-Ga2O3 з выдатнай празрыстасцю і аднастайнасцю былі камерцыялізаваны, у той час як 6-цалевая падкладка дэманструецца ў даследаваннях для будучай камерцыялізацыі. Нядаўна таксама сталі даступныя вялікія круглыя монакрышталічныя сыпкія матэрыялы з арыентацыяй (−201). Акрамя таго, метад падачы плёнкі з вызначаным краем β-Ga2O3 таксама спрыяе легіраванні элементаў пераходнага металу, што робіць магчымым даследаванне і падрыхтоўку Ga2O3.
Малюнак 3. Монакрышталь β-Ga2O3, вырашчаны метадам падачы плёнкі з вызначаным краем
1.3 Метад Брыджмэна
У метадзе Брыджмена крышталі ўтвараюцца ў тыглі, які паступова перамяшчаецца праз тэмпературны градыент. Працэс можа праводзіцца ў гарызантальнай або вертыкальнай арыентацыі, звычайна з выкарыстаннем верціцца тыгля. Варта адзначыць, што ў гэтым метадзе могуць выкарыстоўвацца або не выкарыстоўвацца крыштальныя зародкі. Традыцыйным аператарам Брыджмена не хапае непасрэднай візуалізацыі працэсаў плаўлення і росту крышталяў, і яны павінны кантраляваць тэмпературу з высокай дакладнасцю. Вертыкальны метад Брыджмена ў асноўным выкарыстоўваецца для росту β-Ga2O3 і вядомы сваёй здольнасцю расці ў паветраным асяроддзі. У працэсе вырошчвання вертыкальным метадам Брыджмена агульная страта масы расплаву і тыгля падтрымліваецца ніжэй за 1 %, што дазваляе вырошчваць буйныя монакрышталі β-Ga2O3 з мінімальнымі стратамі.
Малюнак 4 Монакрышталь β-Ga2O3, вырашчаны метадам Брыджмена
1.4 Метад плаваючай зоны
Метад плаваючай зоны вырашае праблему забруджвання крышталя матэрыяламі тыгля і зніжае высокія выдаткі, звязаныя з устойлівымі да высокіх тэмператур інфрачырвонымі тыглямі. Падчас гэтага працэсу вырошчвання расплаў можа награвацца лямпай, а не радыёчастотнай крыніцай, што спрашчае патрабаванні да абсталявання для вырошчвання. Хоць форма і якасць крышталя β-Ga2O3, вырашчанага метадам плаваючай зоны, яшчэ не з'яўляюцца аптымальнымі, гэты метад адкрывае перспектыўны метад вырошчвання β-Ga2O3 высокай чысціні ў бюджэтныя монакрышталі.
Малюнак 5 Монакрышталь β-Ga2O3, вырашчаны метадам плаваючай зоны.
Час публікацыі: 30 мая 2024 г