Полупроводниците с широка забранена зона (WBG), представени от силициев карбид (SiC) и галиев нитрид (GaN), получиха широко внимание. Хората имат големи очаквания за перспективите за приложение на силициев карбид в електрически превозни средства и електрически мрежи, както и за перспективите за приложение на галиев нитрид при бързо зареждане. През последните години изследванията на Ga2O3, AlN и диамантените материали постигнаха значителен напредък, превръщайки полупроводниковите материали с ултраширока лента във фокуса на вниманието. Сред тях галиевият оксид (Ga2O3) е нововъзникващ полупроводников материал с ултраширока лента със забранена лента от 4,8 eV, теоретична критична напрегнатост на полето на пробив от около 8 MV cm-1, скорост на насищане от около 2E7cm s-1, и висок качествен фактор на Baliga от 3000, получавайки широко внимание в областта на високоволтовата и високочестотната силова електроника.
1. Характеристики на материала на галиев оксид
Ga2O3 има голяма ширина на лентата (4,8 eV), очаква се да постигне както високо издържащо напрежение, така и възможности за висока мощност и може да има потенциал за адаптивност при високо напрежение при относително ниско съпротивление, което ги прави фокус на текущите изследвания. В допълнение, Ga2O3 не само има отлични свойства на материала, но също така осигурява разнообразие от лесно регулируеми n-тип допинг технологии, както и евтини технологии за растеж на субстрата и епитаксия. Досега са открити пет различни кристални фази в Ga2O3, включително корунд (α), моноклинна (β), дефектен шпинел (γ), кубична (δ) и орторомбична (ɛ) фази. Термодинамичните устойчивости са по ред γ, δ, α, ɛ и β. Струва си да се отбележи, че моноклинният β-Ga2O3 е най-стабилен, особено при високи температури, докато други фази са метастабилни над стайна температура и са склонни да се трансформират в β фаза при специфични термични условия. Следователно разработването на устройства, базирани на β-Ga2O3, се превърна в основен фокус в областта на силовата електроника през последните години.
Таблица 1 Сравнение на параметрите на някои полупроводникови материали
Кристалната структура на моноклинния β-Ga2O3 е показана в таблица 1. Параметрите на неговата решетка включват a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å и β = 103,8 °. Единичната клетка се състои от Ga(I) атоми с усукана тетраедрична координация и Ga(II) атоми с октаедрична координация. Има три различни подредби на кислородни атоми в „усуканата кубична” матрица, включително два триъгълно координирани O(I) и O(II) атома и един тетраедрално координиран O(III) атом. Комбинацията от тези два вида атомна координация води до анизотропия на β-Ga2O3 със специални свойства във физиката, химическата корозия, оптиката и електрониката.
Фигура 1 Схематична структурна диаграма на моноклинен кристал β-Ga2O3
От гледна точка на теорията на енергийните ленти, минималната стойност на лентата на проводимост на β-Ga2O3 се извлича от енергийното състояние, съответстващо на 4s0 хибридната орбита на атома Ga. Измерва се енергийната разлика между минималната стойност на зоната на проводимост и нивото на вакуумна енергия (енергия на афинитет към електрони). е 4 eV. Ефективната електронна маса на β-Ga2O3 се измерва като 0,28–0,33 me и неговата благоприятна електронна проводимост. Въпреки това, максимумът на валентната лента показва плитка Ek крива с много ниска кривина и силно локализирани O2p орбитали, което предполага, че дупките са дълбоко локализирани. Тези характеристики представляват огромно предизвикателство за постигане на p-тип допинг в β-Ga2O3. Дори ако P-тип допинг може да бъде постигнат, дупката μ остава на много ниско ниво. 2. Растеж на насипен монокристален галиев оксид Досега методът на растеж на насипния монокристален субстрат на β-Ga2O3 е основно метод на издърпване на кристали, като Czochralski (CZ), метод на подаване на тънък филм с дефиниран край (Edge -Defined film-fed , EFG), Бриджман (ртикален или хоризонтален Бриджман, HB или VB) и технология на плаваща зона (плаваща зона, FZ). Сред всички методи, Czochralski и методите за подаване на тънък слой с дефиниран ръб се очаква да бъдат най-обещаващите пътища за масово производство на пластини β-Ga 2O3 в бъдеще, тъй като те могат едновременно да постигнат големи обеми и ниска плътност на дефектите. Досега японската технология Novel Crystal е реализирала комерсиална матрица за растеж на стопилка β-Ga2O3.
2.1 Метод на Чохралски
Принципът на метода на Чохралски е, че зародишният слой първо се покрива и след това монокристалът бавно се изважда от стопилката. Методът на Чохралски е все по-важен за β-Ga2O3 поради неговата рентабилност, възможности за големи размери и растеж на субстрата с високо качество на кристала. Въпреки това, поради топлинен стрес по време на високотемпературния растеж на Ga2O3, ще настъпи изпаряване на единични кристали, стопени материали и увреждане на Ir тигела. Това е резултат от трудността при постигане на нисък n-тип допинг в Ga2O3. Въвеждането на подходящо количество кислород в атмосферата на растеж е един от начините за решаване на този проблем. Чрез оптимизация, висококачествен 2-инчов β-Ga2O3 с диапазон на концентрация на свободни електрони от 10^16~10^19 cm-3 и максимална електронна плътност от 160 cm2/Vs беше успешно отгледан по метода на Чохралски.
Фигура 2 Монокристал на β-Ga2O3, отгледан по метода на Чохралски
2.2 Метод за подаване на филм с определени ръбове
Методът за подаване на тънък филм с дефиниран ръб се счита за водещ претендент за търговско производство на монокристални материали Ga2O3 с голяма площ. Принципът на този метод е стопилката да се постави във форма с капилярен процеп и стопилката да се издигне до матрицата чрез капилярно действие. В горната част се образува тънък филм, който се разпространява във всички посоки, докато се индуцира да кристализира от зародишния кристал. Освен това ръбовете на горната част на матрицата могат да се контролират, за да се произвеждат кристали в люспи, тръби или всяка желана геометрия. Методът за подаване на Ga2O3 с тънък слой с дефинирани ръбове осигурява бързи темпове на растеж и големи диаметри. Фигура 3 показва диаграма на монокристал β-Ga2O3. В допълнение, по отношение на мащаба на размера, 2-инчовите и 4-инчовите β-Ga2O3 субстрати с отлична прозрачност и еднородност са комерсиализирани, докато 6-инчовият субстрат е демонстриран в изследвания за бъдеща комерсиализация. Наскоро големи кръгли монокристални насипни материали също станаха достъпни с (-201) ориентация. В допълнение, методът за подаване на филм с дефинирани ръбове на β-Ga2O3 също насърчава допинга на елементи от преходен метал, което прави възможно изследването и подготовката на Ga2O3.
Фигура 3 монокристал β-Ga2O3, отгледан чрез метод за подаване на филм с дефинирани ръбове
2.3 Метод на Бриджман
При метода на Бриджман кристалите се образуват в тигел, който постепенно се премества през температурен градиент. Процесът може да се извърши в хоризонтална или вертикална ориентация, обикновено с помощта на въртящ се тигел. Струва си да се отбележи, че този метод може или не може да използва кристални семена. Традиционните оператори на Bridgman нямат директна визуализация на процесите на топене и растеж на кристали и трябва да контролират температурите с висока точност. Вертикалният метод на Бриджман се използва главно за растеж на β-Ga2O3 и е известен със способността си да расте във въздушна среда. По време на вертикалния процес на растеж по метода на Бриджман, общата загуба на маса на стопилката и тигела се поддържа под 1%, което позволява растеж на големи монокристали β-Ga2O3 с минимална загуба.
Фигура 4 Единичен кристал на β-Ga2O3, отгледан по метода на Bridgeman
2.4 Метод на плаваща зона
Методът на плаващата зона решава проблема със замърсяването на кристалите от материалите на тигела и намалява високите разходи, свързани с устойчиви на висока температура инфрачервени тигли. По време на този процес на растеж, стопилката може да се нагрява от лампа, а не от RF източник, като по този начин се опростяват изискванията за оборудване за растеж. Въпреки че формата и кристалното качество на β-Ga2O3, отгледан по метода на плаващата зона, все още не са оптимални, този метод отваря обещаващ метод за отглеждане на β-Ga2O3 с висока чистота в бюджетни монокристали.
Фигура 5 β-Ga2O3 монокристал, отгледан по метода на плаващата зона.
Време на публикуване: 30 май 2024 г