I semiconduttori a banda larga (WBG) rapprisentati da u carburu di siliciu (SiC) è u nitruru di gallium (GaN) anu ricivutu una grande attenzione. A ghjente hà grandi aspettative per e prospettive di l'applicazione di carburu di siliciu in i veiculi elettrici è e reti elettriche, è ancu per e prospettive di l'applicazione di nitruru di galiu in carica rapida. Nta l'ultimi anni, a ricerca nantu à i materiali Ga2O3, AlN è diamanti hà fattu un prugressu significativu, facendu chì i materiali semiconductori ultra-wide bandgap u focu di l'attenzione. Frà elli, l'ossidu di galliu (Ga2O3) hè un materiale semiconductor emergente ultra-wide-bandgap cù una band gap di 4.8 eV, una forza di campu di scomposizione critica teorica di circa 8 MV cm-1, una velocità di saturazione di circa 2E7cm s-1, è un altu fattore di qualità Baliga di 3000, riceve una grande attenzione in u campu di l'alta tensione è a putenza d'alta frequenza. l'elettronica.
1. Caratteristiche di u materiale di l'ossidu di Gallium
Ga2O3 hà un grande gap di banda (4.8 eV), hè previstu di ottene una alta tensione di resistenza è capacità d'alta putenza, è pò avè u potenziale per l'adattabilità à l'alta tensione à una resistenza relativamente bassa, facendu u focu di a ricerca attuale. Inoltre, Ga2O3 ùn hà micca solu proprietà di materiale eccellenti, ma furnisce ancu una varietà di tecnulugia di doping n-tipu facilmente regulabili, è ancu tecnulugia di crescita di sustrato è epitassi à pocu costu. Finu a ora, cinque fasi cristalline diverse sò state scuperte in Ga2O3, cumprese corindone (α), monoclinica (β), spinelle difettose (γ), cubic (δ) e orthorhombic (ɛ). Les stabilités thermodynamiques sont, dans l'ordre, γ, δ, α, ɛ et β. Hè da nutà chì u β-Ga2O3 monoclinu hè u più stabile, soprattuttu à alta temperatura, mentri l'altri fasi sò metastabili sopra a temperatura di l'ambienti è tendenu à trasfurmà in a fase β in cundizioni termiche specifiche. Dunque, u sviluppu di i dispositi basati in β-Ga2O3 hè diventatu un focusu maiò in u campu di l'elettronica di putere in l'ultimi anni.
Table 1 Paragone di certi paràmetri di materiale semiconductor
A struttura cristallina di monoclinicβ-Ga2O3 hè mostrata in a Table 1. I so paràmetri di lattice includenu a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, è β = 103.8 °. A cellula unitaria hè custituita da atomi Ga(I) cun coordinazione tetraedrica torciata è atomi Ga (II) cun coordinazione ottaedrica. Ci sò trè arrangiamenti diffirenti di l'atomi di l'ossigenu in l'array "cubicu torciatu", cumprese dui atomi O (I) è O (II) coordinati triangularmente è un atomu O (III) coordinatu tetraedralmente. A cumminazzioni di sti dui tipi di coordenazione atomica porta à l'anisotropia di β-Ga2O3 cù pruprietà speciale in fisica, corrosione chimica, ottica è elettronica.
Figura 1 Schematic schematic structurel diagram of monoclinic β-Ga2O3 crystal
Da a perspettiva di a teoria di a banda di energia, u valore minimu di a banda di cunduzzione di β-Ga2O3 hè derivata da u statu di energia chì currisponde à l'orbita hibrida 4s0 di l'atomu Ga. A diferenza di energia trà u valore minimu di a banda di cunduzzione è u livellu di energia di vacuum (energia di affinità di l'elettroni) hè misurata. hè 4 eV. A massa di l'elettroni effittiva di β-Ga2O3 hè misurata cum'è 0,28-0,33 me è a so cunduttività elettronica favurevule. Tuttavia, a banda di valenza massima mostra una curva Ek superficiale cù una curvatura assai bassa è orbitali O2p fortemente localizati, chì suggerenu chì i buchi sò assai localizati. Queste caratteristiche ponenu una sfida enormosa per ottene u doping di p-type in β-Ga2O3. Ancu s'è u doping di tipu P pò esse rializatu, u foru μ ferma à un livellu assai bassu. 2. Crescita di ossidu di galliu unicu cristallu Finu a ora, u metudu di crescita di β-Ga2O3 sustrato monocristallu bulk hè principarmenti u metudu di pulling di cristalli, cum'è Czochralski (CZ), metudu di alimentazione di film sottile definitu à bordu (Edge -Defined film-fed). , EFG), Bridgman (Bridgman verticale o orizzontale, HB o VB) è tecnulugia di zona flottante (zona flottante, FZ). Frà tutti i metudi, Czochralski è i metudi di alimentazione di film sottili definiti da u bordu sò previsti per esse i viaghji più promettenti per a produzzione di massa di wafers β-Ga 2O3 in u futuru, postu chì ponu simultaneamente ottene grandi volumi è bassu densità di difetti. Finu à avà, a nova tecnulugia di cristalli di u Giappone hà realizatu una matrice cummerciale per a crescita di fusione β-Ga2O3.
1.1 Metudu Czochralski
U principiu di u metudu Czochralski hè chì a capa di sumente hè prima cuperta, è dopu u cristallu unicu hè lentamente tiratu fora da u funnu. U metudu Czochralski hè sempri più impurtante per β-Ga2O3 per via di a so efficienza di costu, capacità di grande dimensione, è crescita di sustrato di alta qualità di cristallo. Tuttavia, a causa di u stress termale durante a crescita di alta temperatura di Ga2O3, l'evaporazione di i cristalli unichi, i materiali di fusione è i danni à u crucible di Ir. Questu hè u risultatu di a difficultà à ottene u doping n-tipu bassu in Ga2O3. Intruduce una quantità approprita di ossigenu in l'atmosfera di crescita hè una manera di risolve stu prublema. Attraversu ottimisazione, β-Ga2O3 di alta qualità 2-inch cun un intervallu di cuncentrazione di l'elettroni liberi di 10 ^ 16 ~ 10 ^ 19 cm-3 è una densità di l'elettroni massima di 160 cm2 / Vs hè statu cultivatu cù successu da u metudu Czochralski.
Figura 2 Un cristallu di β-Ga2O3 cultivatu da u metudu Czochralski
1.2 Metudu di alimentazione di film definitu da bordu
U metudu di alimentazione di film sottile definitu in u bordu hè cunsideratu cum'è u principale contendente per a produzzione cummerciale di materiali Ga2O3 unicu cristalli di grande area. U principiu di stu metudu hè di mette u melt in un moldu cù una slit capillary, è u melt s'eleva à u moldu per l'azzione capillari. À a cima, una pellicula fina si forma è si sparghje in tutte e direzzione mentre hè induce à cristallizà da u cristallu di sumente. Inoltre, i bordi di a cima di u moldu ponu esse cuntrullati per pruduce cristalli in fiocchi, tubi, o qualsiasi geometria desiderata. U metudu di alimentazione di film sottile definitu à bordu di Ga2O3 furnisce ritmi di crescita veloci è diametri grandi. La figure 3 montre un diagramme d'un monocristal β-Ga2O3. Inoltre, in quantu à a scala di dimensione, i sustrati β-Ga2O3 di 2-inch è 4-inch cù una trasparenza eccellente è uniformità sò stati cummercializati, mentre chì u sustrato di 6-inch hè dimustratu in a ricerca per a futura cummercializazione. Ricertamenti, grandi materiali circulari monocristalli sò diventati ancu dispunibuli cù l'orientazione (-201). Inoltre, u metudu di alimentazione di film β-Ga2O3 definitu in u bordu prumove ancu u doping di elementi di metalli di transizione, facendu pussibule a ricerca è a preparazione di Ga2O3.
Figure 3 β-Ga2O3 monocristallin cultivé par un procédé d'alimentation en film défini par les bords
1.3 Metudu Bridgeman
In u metudu Bridgeman, i cristalli sò furmati in un crucible chì si move gradualmente attraversu un gradiente di temperatura. U prucessu pò esse realizatu in una orientazione horizontale o verticale, generalmente usendu un crucible rotanti. Hè vale a nutà chì stu metudu pò o micca aduprà sementi di cristalli. L'operatori Bridgman tradiziunali ùn mancanu di visualizazione diretta di i prucessi di fusione è di crescita di cristalli è devenu cuntrullà a temperatura cun alta precisione. U metudu Bridgman verticale hè principalmente utilizatu per a crescita di β-Ga2O3 è hè cunnisciutu per a so capacità di cultivà in un ambiente di l'aria. Duranti u prucessu di crescita verticale di u metudu Bridgman, a perdita di massa totale di a fusione è di u crucible hè mantenuta sottu à 1%, permettendu a crescita di grandi cristalli β-Ga2O3 cù una perdita minima.
Figura 4 Un cristallu di β-Ga2O3 cultivatu da u metudu Bridgeman
1.4 Metudu di zona flottante
U metudu di a zona flottante risolve u prublema di a contaminazione di cristalli da i materiali di crucible è riduce i costi elevati assuciati cù crucibles infrared resistenti à alta temperatura. Duranti stu prucessu di crescita, a fusione pò esse riscaldata da una lampada piuttostu cà una fonte RF, simplificà cusì i requisiti per l'equipaggiu di crescita. Ancu s'è a forma è a qualità cristallina di β-Ga2O3 cultivata da u metudu di a zona flottante ùn sò micca ancora ottimali, stu metudu apre un metudu promettente per cultivà β-Ga2O3 d'alta purezza in cristalli unichi di u budgetu.
Figure 5 β-Ga2O3 monocristallin cultivé par la méthode des zones flottantes.
Tempu di Post: 30-May-2024