Poluprovodnici sa širokim pojasom (WBG) predstavljeni silicijum karbidom (SiC) i galijum nitridom (GaN) dobili su široku pažnju. Ljudi imaju velika očekivanja za izglede za primjenu silicijum karbida u električnim vozilima i električnim mrežama, kao i za izglede za primjenu galijum nitrida u brzom punjenju. Poslednjih godina, istraživanja Ga2O3, AlN i dijamantskih materijala postigla su značajan napredak, pa su poluprovodnički materijali sa ultra-širokim pojasom u fokusu pažnje. Među njima, galijum oksid (Ga2O3) je novi poluprovodnički materijal sa ultra-širokopojasnim razmakom sa zazorom od 4,8 eV, teorijskom kritičnom jačinom polja proboja od oko 8 MV cm-1, brzinom zasićenja od oko 2E7 cm s-1, i visok faktor kvaliteta Baliga od 3000, koji dobija široku pažnju u oblasti visokonaponske i visokofrekventne energetske elektronike.
1. Karakteristike materijala galijum oksida
Ga2O3 ima veliki razmak u pojasu (4,8 eV), očekuje se da će postići i visok otporni napon i visoku snagu, i može imati potencijal za prilagodljivost visokog napona pri relativno niskom otporu, što ih čini fokusom trenutnih istraživanja. Osim toga, Ga2O3 ne samo da ima izvrsna svojstva materijala, već također pruža niz lako podesivih tehnologija dopinga n-tipa, kao i jeftine tehnologije rasta supstrata i epitaksije. Do sada je otkriveno pet različitih kristalnih faza u Ga2O3, uključujući korund (α), monoklinsku (β), defektnu spinel (γ), kubičnu (δ) i ortorombičnu (ɛ) fazu. Termodinamičke stabilnosti su, po redu, γ, δ, α, ɛ i β. Vrijedi napomenuti da je monoklinski β-Ga2O3 najstabilniji, posebno na visokim temperaturama, dok su ostale faze metastabilne iznad sobne temperature i imaju tendenciju transformacije u β fazu pod specifičnim termičkim uslovima. Stoga je razvoj uređaja zasnovanih na β-Ga2O3 postao glavni fokus u oblasti energetske elektronike posljednjih godina.
Tabela 1. Poređenje parametara nekih poluvodičkih materijala
Kristalna struktura monoklinskog β-Ga2O3 prikazana je u tabeli 1. Njegovi parametri rešetke uključuju a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å i β = 103,8°. Jedinična ćelija se sastoji od atoma Ga(I) sa uvrnutom tetraedarskom koordinacijom i atoma Ga(II) sa oktaedarskom koordinacijom. Postoje tri različita rasporeda atoma kiseonika u "upletenom kubičnom" nizu, uključujući dva trouglasto koordinirana O(I) i O(II) atoma i jedan tetraedaralno koordinisan O(III) atom. Kombinacija ova dva tipa atomske koordinacije dovodi do anizotropije β-Ga2O3 sa posebnim svojstvima u fizici, hemijskoj koroziji, optici i elektronici.
Slika 1 Šematski strukturni dijagram monoklinskog β-Ga2O3 kristala
Iz perspektive teorije energetskih pojaseva, minimalna vrijednost pojasa provodljivosti β-Ga2O3 izvedena je iz energetskog stanja koje odgovara 4s0 hibridnoj orbiti Ga atoma. Mjeri se energetska razlika između minimalne vrijednosti pojasa provodljivosti i nivoa energije vakuuma (energija afiniteta elektrona). iznosi 4 eV. Efektivna masa elektrona β-Ga2O3 je izmjerena kao 0,28–0,33 me i njegova povoljna elektronska provodljivost. Međutim, maksimum valentnog pojasa pokazuje plitku Ek krivulju s vrlo niskom zakrivljenošću i jako lokaliziranim O2p orbitalama, što sugerira da su rupe duboko lokalizirane. Ove karakteristike predstavljaju veliki izazov za postizanje dopinga p-tipa u β-Ga2O3. Čak i ako se dopiranje P-tipa može postići, rupa μ ostaje na vrlo niskom nivou. 2. Rast masivnog monokristala galij oksida Do sada, metoda rasta β-Ga2O3 rasutih monokristalnih supstrata je uglavnom metoda izvlačenja kristala, kao što je Czochralski (CZ), metoda hranjenja tankog filma definiranog rubom (Edge-Defined film-fed , EFG), Bridgman (rtikalna ili horizontalna Bridgman, HB ili VB) i tehnologija plutajuće zone (floating zone, FZ). Među svim metodama, očekuje se da će Czochralski i metode tankoslojnog hranjenja definirane ivicom biti najperspektivniji putevi za masovnu proizvodnju β-Ga 2O3 pločica u budućnosti, jer istovremeno mogu postići velike količine i niske gustine defekata. Do sada je japanska nova tehnologija kristala realizovala komercijalnu matricu za rast rasta β-Ga2O3.
2.1 Metoda Čohralskog
Princip Czochralskog metode je da se prvo prekriva sloj sjemena, a zatim se monokristal polako izvlači iz taline. Metoda Czochralskog je sve važnija za β-Ga2O3 zbog njegove isplativosti, mogućnosti velikih dimenzija i rasta supstrata visokog kvaliteta kristala. Međutim, zbog termičkog naprezanja tokom rasta Ga2O3 na visokim temperaturama, doći će do isparavanja monokristala, rastopljenih materijala i oštećenja Ir lončića. Ovo je rezultat poteškoća u postizanju niskog dopinga n-tipa u Ga2O3. Uvođenje odgovarajuće količine kisika u atmosferu rasta je jedan od načina rješavanja ovog problema. Kroz optimizaciju, visokokvalitetni 2-inčni β-Ga2O3 sa rasponom koncentracije slobodnih elektrona od 10^16~10^19 cm-3 i maksimalnom gustinom elektrona od 160 cm2/Vs je uspješno uzgojen metodom Czochralskog.
Slika 2. Monokristal β-Ga2O3 uzgojen metodom Czochralskog
2.2 Metoda dodavanja filma prema rubovima
Metoda dodavanja tankog filma definirana rubom smatra se vodećim kandidatom za komercijalnu proizvodnju monokristalnih materijala Ga2O3 velike površine. Princip ove metode je postavljanje taline u kalup sa kapilarnim prorezom, a talina se kapilarnim djelovanjem diže do kalupa. Na vrhu se formira tanak film koji se širi u svim smjerovima, a induciran na kristalizaciju od strane kristala sjemena. Osim toga, ivice vrha kalupa mogu se kontrolirati kako bi se proizveli kristali u ljuspicama, cijevima ili bilo kojoj željenoj geometriji. Metoda hranjenja tankog filma Ga2O3 definirana rubom osigurava brze stope rasta i velike prečnike. Slika 3 prikazuje dijagram monokristala β-Ga2O3. Osim toga, u smislu veličine veličine, 2-inčni i 4-inčni β-Ga2O3 supstrati sa odličnom transparentnošću i uniformnošću su komercijalizirani, dok je 6-inčni supstrat prikazan u istraživanju za buduću komercijalizaciju. Nedavno su takođe postali dostupni veliki kružni monokristalni rasuti materijali sa (−201) orijentacijom. Osim toga, β-Ga2O3 ivica definirana metoda hranjenja filma također promovira dopiranje elemenata prijelaznih metala, čineći istraživanje i pripremu Ga2O3 mogućim.
Slika 3 Monokristal β-Ga2O3 uzgojen metodom hranjenja filma prema rubu
2.3 Bridgemanova metoda
U Bridgeman metodi, kristali se formiraju u lončiću koji se postepeno pomiče kroz temperaturni gradijent. Proces se može izvesti u horizontalnoj ili vertikalnoj orijentaciji, obično koristeći rotirajući lončić. Vrijedi napomenuti da ova metoda može, ali i ne mora koristiti kristalno sjeme. Tradicionalnim Bridgmanovim operaterima nedostaje direktna vizualizacija procesa topljenja i rasta kristala i moraju kontrolirati temperature s velikom preciznošću. Vertikalna Bridgmanova metoda se uglavnom koristi za rast β-Ga2O3 i poznata je po svojoj sposobnosti rasta u zračnom okruženju. Tokom procesa rasta vertikalne Bridgmanove metode, ukupni gubitak mase taline i lončića održava se ispod 1%, što omogućava rast velikih monokristala β-Ga2O3 uz minimalne gubitke.
Slika 4. Monokristal β-Ga2O3 uzgojen Bridgemanovom metodom
2.4 Metoda plutajuće zone
Metoda plutajuće zone rješava problem kontaminacije kristala materijalima za lončiće i smanjuje visoke troškove povezane s infracrvenim loncima otpornim na visoke temperature. Tokom ovog procesa rasta, talina se može zagrijati lampom, a ne RF izvorom, čime se pojednostavljuju zahtjevi za opremom za rast. Iako oblik i kvaliteta kristala β-Ga2O3 uzgojenog metodom plutajuće zone još uvijek nisu optimalni, ova metoda otvara obećavajuću metodu za uzgoj β-Ga2O3 visoke čistoće u monokristale koji su jeftini.
Slika 5 Monokristal β-Ga2O3 uzgojen metodom plutajuće zone.
Vrijeme objave: 30.05.2024