Ang lapad nga bandgap (WBG) semiconductors nga girepresentahan sa silicon carbide (SiC) ug gallium nitride (GaN) nakadawat og kaylap nga pagtagad. Ang mga tawo adunay taas nga mga gilauman alang sa mga prospect sa aplikasyon sa silicon carbide sa mga de-koryenteng mga salakyanan ug mga grids sa kuryente, ingon man ang mga prospect sa aplikasyon sa gallium nitride sa paspas nga pag-charge. Sa bag-ohay nga mga tuig, ang panukiduki sa Ga2O3, AlN ug diamante nga mga materyales nakahimo og mahinungdanong pag-uswag, nga naghimo sa ultra-wide bandgap semiconductor nga mga materyales nga focus sa pagtagad. Lakip niini, ang gallium oxide (Ga2O3) usa ka mitumaw nga ultra-wide-bandgap semiconductor nga materyal nga adunay band gap nga 4.8 eV, usa ka theoretical critical breakdown field strength nga mga 8 MV cm-1, usa ka saturation velocity nga mga 2E7cm s-1, ug usa ka taas nga Baliga quality factor nga 3000, nakadawat sa kaylap nga pagtagad sa natad sa high voltage ug high frequency power electronics.
1. Gallium oxide materyal nga mga kinaiya
Ang Ga2O3 adunay usa ka dako nga gintang sa banda (4.8 eV), gilauman nga makab-ot ang parehas nga taas nga pagsukol sa boltahe ug taas nga kapabilidad sa gahum, ug mahimong adunay potensyal alang sa taas nga boltahe nga adaptability sa medyo ubos nga resistensya, nga naghimo kanila nga pokus sa karon nga panukiduki. Dugang pa, ang Ga2O3 dili lamang adunay maayo kaayo nga materyal nga mga kabtangan, apan naghatag usab usa ka lainlaing mga dali nga mapaigoigo nga n-type nga mga teknolohiya sa doping, ingon man ang mubu nga gasto sa pagtubo sa substrate ug mga teknolohiya sa epitaxy. Sa pagkakaron, lima ka lain-laing kristal nga mga hugna ang nadiskobrehan sa Ga2O3, lakip ang corundum (α), monoclinic (β), defective spinel (γ), cubic (δ) ug orthorhombic (ɛ) nga mga hugna. Ang mga kalig-on sa thermodynamic mao, sa han-ay, γ, δ, α, ɛ, ug β. Angayan nga matikdan nga ang monoclinic β-Ga2O3 mao ang labing lig-on, labi na sa taas nga temperatura, samtang ang uban nga mga hugna kay metatable sa ibabaw sa temperatura sa lawak ug lagmit nga mausab ngadto sa β nga bahin ubos sa piho nga mga kondisyon sa kainit. Busa, ang pagpalambo sa β-Ga2O3-based nga mga himan nahimong usa ka mayor nga focus sa natad sa gahum electronics sa bag-ohay nga mga tuig.
Talaan 1 Pagtandi sa pipila ka mga parameter sa materyal nga semiconductor
Ang kristal nga istruktura sa monoclinicβ-Ga2O3 gipakita sa Talaan 1. Ang mga parameter sa lattice niini naglakip sa a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, ug β = 103.8 °. Ang unit cell naglangkob sa Ga(I) atoms nga may twisted tetrahedral coordination ug Ga(II) atoms nga adunay octahedral coordination. Adunay tulo ka lain-laing mga kahikayan sa oxygen atoms sa "twisted cubic" array, lakip ang duha ka triangularly coordinated O(I) ug O(II) atoms ug usa ka tetrahedrally coordinated O(III) atom. Ang kombinasyon niining duha ka mga matang sa atomic koordinasyon mosangpot sa anisotropy sa β-Ga2O3 uban sa espesyal nga mga kabtangan sa pisika, kemikal nga corrosion, optika ug electronics.
Figure 1 Schematic structural diagram sa monoclinic β-Ga2O3 nga kristal
Gikan sa perspektibo sa energy band theory, ang minimum value sa conduction band sa β-Ga2O3 nakuha gikan sa energy state nga katumbas sa 4s0 hybrid orbit sa Ga atom. Ang kalainan sa enerhiya tali sa minimum nga bili sa conduction band ug sa vacuum energy level (electron affinity energy) gisukod. maoy 4 ev. Ang epektibo nga electron mass sa β-Ga2O3 gisukod ingon nga 0.28-0.33 me ug ang paborableng electronic conductivity niini. Bisan pa, ang maximum nga valence band nagpakita sa usa ka mabaw nga kurba sa Ek nga adunay ubos kaayo nga curvature ug kusgan nga lokal nga mga orbital nga O2p, nga nagsugyot nga ang mga lungag na-localize. Kini nga mga kinaiya naghatag usa ka dako nga hagit aron makab-ot ang p-type nga doping sa β-Ga2O3. Bisan kung ang P-type nga doping mahimong makab-ot, ang lungag μ nagpabilin sa ubos kaayo nga lebel. 2. Pagtubo sa bulk gallium oxide single crystal Sa pagkakaron, ang pamaagi sa pagtubo sa β-Ga2O3 bulk single crystal substrate mao ang nag-una nga crystal pulling method, sama sa Czochralski (CZ), edge-defined thin film feeding method (Edge -Defined film-fed) , EFG), Bridgman (rtical o horizontal Bridgman, HB o VB) ug teknolohiya sa floating zone (floating zone, FZ). Taliwala sa tanan nga mga pamaagi, ang Czochralski ug ang gihubit nga manipis nga pelikula nga mga pamaagi sa pagpakaon gilauman nga mao ang labing gisaad nga mga agianan alang sa mass production sa β-Ga 2O3 wafers sa umaabot, tungod kay mahimo nila nga dungan nga makab-ot ang daghang mga volume ug ubos nga depekto nga mga densidad. Hangtod karon, ang Novel Crystal Technology sa Japan nakaamgo sa usa ka komersyal nga matrix alang sa matunaw nga pagtubo β-Ga2O3.
1.1 Czochralski nga pamaagi
Ang prinsipyo sa Czochralski nga pamaagi mao nga ang liso layer unang gitabonan, ug unya ang usa ka kristal hinay-hinay nga gibira gikan sa matunaw. Ang pamaagi sa Czochralski labi ka hinungdanon alang sa β-Ga2O3 tungod sa pagkaepektibo sa gasto, kadako nga kapabilidad, ug taas nga kalidad sa kristal nga pagtubo sa substrate. Bisan pa, tungod sa kainit sa kainit sa panahon sa taas nga temperatura nga pagtubo sa Ga2O3, ang pag-alisngaw sa usa ka kristal, matunaw nga mga materyales, ug kadaot sa Ir crucible mahitabo. Kini usa ka resulta sa kalisud sa pagkab-ot sa ubos nga n-type nga doping sa Ga2O3. Ang pagpaila sa tukmang gidaghanon sa oksiheno ngadto sa atmospera sa pagtubo maoy usa ka paagi sa pagsulbad niini nga problema. Pinaagi sa pag-optimize, ang taas nga kalidad nga 2-pulgada nga β-Ga2O3 nga adunay libre nga electron concentration range nga 10^16~10^19 cm-3 ug usa ka maximum nga electron density nga 160 cm2/Vs malampuson nga gipatubo pinaagi sa Czochralski nga pamaagi.
Figure 2 Usa ka kristal sa β-Ga2O3 nga gipatubo sa Czochralski nga pamaagi
1.2 Pamaagi sa pagpakaon sa pelikula nga gilatid sa kilid
Ang gihubit sa kilid nga manipis nga pamaagi sa pagpakaon sa pelikula gikonsiderar nga nanguna nga contender alang sa komersyal nga produksiyon sa dako nga lugar nga Ga2O3 nga usa ka kristal nga materyales. Ang prinsipyo niini nga pamaagi mao ang pagbutang sa matunaw sa usa ka agup-op nga adunay usa ka capillary slit, ug ang pagtunaw mosaka ngadto sa agup-op pinaagi sa capillary action. Sa ibabaw, usa ka manipis nga pelikula ang naporma ug mikaylap sa tanan nga direksyon samtang giaghat sa pag-kristal sa binhi nga kristal. Dugang pa, ang mga ngilit sa agup-op sa ibabaw mahimong makontrol aron makahimo og mga kristal sa mga tipik, tubo, o bisan unsang gusto nga geometry. Ang gihubit sa kilid nga thin film feeding nga pamaagi sa Ga2O3 naghatag ug paspas nga pagtubo ug dagkong diametro. Gipakita sa Figure 3 ang usa ka diagram sa usa ka kristal nga β-Ga2O3. Dugang pa, sa mga termino sa gidak-on nga sukod, ang 2-pulgada ug 4-pulgada nga β-Ga2O3 nga mga substrate nga adunay maayo kaayo nga transparency ug pagkaparehas ang gi-komersyal, samtang ang 6-pulgada nga substrate gipakita sa panukiduki alang sa umaabot nga komersyalisasyon. Bag-ohay lang, ang dagkong circular single-crystal bulk nga materyales nahimo usab nga adunay (-201) nga oryentasyon. Dugang pa, ang β-Ga2O3 edge-defined film feeding method nagpasiugda usab sa doping sa transition metal elements, nga naghimo sa panukiduki ug pag-andam sa Ga2O3 nga posible.
Figure 3 β-Ga2O3 usa ka kristal nga gipatubo pinaagi sa gipiho nga pamaagi sa pagpakaon sa pelikula
1.3 Pamaagi sa Bridgeman
Sa pamaagi sa Bridgeman, ang mga kristal naporma sa usa ka crucible nga anam-anam nga gibalhin sa usa ka gradient sa temperatura. Ang proseso mahimong ipahigayon sa pinahigda o bertikal nga oryentasyon, kasagaran gamit ang rotating crucible. Angay nga hinumdoman nga kini nga pamaagi mahimo o dili magamit ang mga liso sa kristal. Ang mga tradisyunal nga operator sa Bridgman kulang sa direkta nga pagtan-aw sa mga proseso sa pagtunaw ug pagtubo sa kristal ug kinahanglan nga kontrolon ang mga temperatura nga adunay taas nga katukma. Ang bertikal nga Bridgman nga pamaagi kay kasagarang gigamit alang sa pagtubo sa β-Ga2O3 ug nailhan tungod sa abilidad niini sa pagtubo sa hangin nga palibot. Atol sa proseso sa pagtubo sa bertikal nga pamaagi sa Bridgman, ang kinatibuk-ang pagkawala sa masa sa matunaw ug crucible gitipigan ubos sa 1%, nga makapahimo sa pagtubo sa dagkong β-Ga2O3 nga mga kristal nga adunay gamay nga pagkawala.
Figure 4 Usa ka kristal sa β-Ga2O3 nga gipatubo pinaagi sa Bridgeman nga pamaagi
1.4 Pamaagi sa floating zone
Ang pamaagi sa floating zone nagsulbad sa problema sa kontaminasyon sa kristal pinaagi sa mga materyales nga crucible ug gipamenos ang taas nga gasto nga may kalabutan sa taas nga temperatura nga resistensya sa infrared crucibles. Atol sa kini nga proseso sa pagtubo, ang pagtunaw mahimong mapainit sa usa ka lampara kaysa usa ka gigikanan sa RF, sa ingon gipasimple ang mga kinahanglanon alang sa mga kagamitan sa pagtubo. Bisan kung ang porma ug kristal nga kalidad sa β-Ga2O3 nga gipatubo pinaagi sa floating zone method dili pa maayo, kini nga pamaagi nagbukas sa usa ka maayong pamaagi alang sa pagtubo sa taas nga kaputli nga β-Ga2O3 ngadto sa budget-friendly nga single crystals.
Figure 5 β-Ga2O3 single nga kristal nga gipatubo pinaagi sa floating zone method.
Panahon sa pag-post: Mayo-30-2024