Široké pozornosti se dostalo polovodičům se širokým pásmem (WBG) reprezentovaným karbidem křemíku (SiC) a nitridem galia (GaN). Lidé mají velká očekávání ohledně vyhlídek použití karbidu křemíku v elektrických vozidlech a energetických sítích, stejně jako vyhlídky použití nitridu galia při rychlém nabíjení. V posledních letech zaznamenal výzkum materiálů Ga2O3, AlN a diamantů významný pokrok, díky čemuž jsou středem pozornosti polovodičové materiály s ultra širokým pásmem. Mezi nimi oxid galia (Ga2O3) je nově vznikající polovodičový materiál s ultraširokým pásmem s mezerou v pásmu 4,8 eV, teoretickou kritickou intenzitou pole průrazu asi 8 MV cm-1, saturační rychlostí asi 2E7 cm s-1, a vysoký Baliga kvalitativní faktor 3000, kterému je věnována široká pozornost v oblasti vysokonapěťové a vysokofrekvenční výkonové elektroniky.
1. Vlastnosti materiálu oxidu galia
Ga2O3 má velkou mezeru v pásmu (4,8 eV), očekává se, že dosáhne jak vysokého výdržného napětí, tak vysokého výkonu, a může mít potenciál pro adaptabilitu vysokého napětí při relativně nízkém odporu, což z něj činí střed současného výzkumu. Kromě toho má Ga2O3 nejen vynikající materiálové vlastnosti, ale také poskytuje řadu snadno nastavitelných dopingových technologií typu n, stejně jako levné technologie růstu substrátu a epitaxe. Dosud bylo v Ga2O3 objeveno pět různých krystalových fází, včetně korundové (α), monoklinické (β), defektního spinelu (γ), kubické (δ) a ortorombické (ɛ) fáze. Termodynamické stability jsou v pořadí γ, δ, α, ɛ a β. Stojí za zmínku, že monoklinický β-Ga2O3 je nejstabilnější, zejména při vysokých teplotách, zatímco ostatní fáze jsou metastabilní nad pokojovou teplotou a mají tendenci se za specifických tepelných podmínek přeměnit na β fázi. Proto se vývoj zařízení na bázi β-Ga2O3 stal v posledních letech hlavním zaměřením v oblasti výkonové elektroniky.
Tabulka 1 Porovnání parametrů některých polovodičových materiálů
Krystalová struktura monoklinického β-Ga2O3 je uvedena v tabulce 1. Jeho mřížkové parametry zahrnují a = 12,21 Á, b = 3,04 Á, c = 5,8 Á a p = 103,8°. Základní buňka se skládá z atomů Ga(I) se zkroucenou tetraedrickou koordinací a atomů Ga(II) s oktaedrickou koordinací. V poli „twisted cubic“ jsou tři různá uspořádání atomů kyslíku, včetně dvou trojúhelníkově koordinovaných atomů O(I) a O(II) a jednoho čtyřstěnně koordinovaného atomu O(III). Kombinace těchto dvou typů atomové koordinace vede k anizotropii β-Ga2O3 se speciálními vlastnostmi ve fyzice, chemické korozi, optice a elektronice.
Obrázek 1 Schematický strukturní diagram monoklinického krystalu β-Ga2O3
Z pohledu teorie energetických pásů je minimální hodnota vodivostního pásu β-Ga2O3 odvozena od energetického stavu odpovídajícího hybridní dráze 4s0 atomu Ga. Měří se rozdíl energie mezi minimální hodnotou vodivostního pásma a hladinou energie vakua (energie elektronové afinity). je 4 eV. Efektivní hmotnost elektronů β-Ga2O3 je měřena jako 0,28–0,33 me a jeho příznivá elektronová vodivost. Maximum valenčního pásu však vykazuje mělkou Ek křivku s velmi nízkým zakřivením a silně lokalizovanými O2p orbitaly, což naznačuje, že díry jsou hluboce lokalizovány. Tyto vlastnosti představují obrovskou výzvu pro dosažení dopingu typu p v β-Ga2O3. I když lze dosáhnout dopingu typu P, otvor μ zůstává na velmi nízké úrovni. 2. Růst objemového monokrystalu oxidu galitého Dosud je metodou růstu objemového monokrystalového substrátu β-Ga2O3 hlavně metoda vytahování krystalů, jako je Czochralski (CZ), metoda podávání tenkého filmu s definovanou hranou (Edge -Defined film-fed , EFG), technologie Bridgman (rtical nebo horizontální Bridgman, HB nebo VB) a technologie plovoucí zóny (plovoucí zóna, FZ). Mezi všemi metodami se očekává, že Czochralski a metoda hranově definovaného podávání tenkého filmu budou v budoucnu nejslibnějšími cestami pro hromadnou výrobu β-Ga 2O3 waferů, protože mohou současně dosáhnout velkých objemů a nízké hustoty defektů. Japonská Novel Crystal Technology doposud realizovala komerční matrici pro růst taveniny β-Ga2O3.
1.1 Czochralského metoda
Princip Czochralského metody spočívá v tom, že se nejprve zakryje vrstva semen a poté se monokrystal pomalu vytahuje z taveniny. Czochralského metoda je pro β-Ga2O3 stále důležitější kvůli její nákladové efektivitě, možnostem velkých rozměrů a růstu substrátu vysoké kvality krystalů. V důsledku tepelného namáhání při vysokoteplotním růstu Ga2O3 však dojde k vypařování monokrystalů, tavenin a poškození Ir kelímku. To je důsledkem obtížnosti dosažení nízkého dopování typu n v Ga2O3. Zavedení vhodného množství kyslíku do růstové atmosféry je jedním ze způsobů, jak tento problém vyřešit. Prostřednictvím optimalizace byl Czochralského metodou úspěšně vypěstován vysoce kvalitní 2palcový β-Ga2O3 s rozsahem koncentrace volných elektronů 10^16~10^19 cm-3 a maximální hustotou elektronů 160 cm2/Vs.
Obrázek 2 Monokrystal β-Ga2O3 pěstovaný Czochralského metodou
1.2 Metoda podávání filmu s definovanou hranou
Metoda podávání tenkého filmu s definovanou hranou je považována za předního uchazeče o komerční výrobu velkoplošných monokrystalických materiálů Ga2O3. Principem této metody je umístění taveniny do formy s kapilární štěrbinou a tavenina vzlínáním stoupá do formy. Nahoře se tvoří tenký film, který se šíří všemi směry, přičemž je krystalizován očkovacím krystalem. Kromě toho mohou být okraje horní části formy řízeny tak, aby produkovaly krystaly ve formě vloček, trubek nebo jakékoli požadované geometrie. Metoda podávání tenkého filmu Ga2O3 s okrajem poskytuje rychlé rychlosti růstu a velké průměry. Obrázek 3 ukazuje schéma monokrystalu p-Ga203. Kromě toho, pokud jde o velikostní měřítko, byly komercializovány 2palcové a 4palcové substráty β-Ga2O3 s vynikající průhledností a uniformitou, zatímco 6palcový substrát je demonstrován ve výzkumu pro budoucí komercializaci. V poslední době jsou také dostupné velké kruhové monokrystalické sypké materiály s orientací (−201). Kromě toho metoda přivádění filmu s okrajem β-Ga2O3 také podporuje dopování prvků přechodných kovů, což umožňuje výzkum a přípravu Ga2O3.
Obrázek 3 Monokrystal β-Ga2O3 vyrostlý metodou přivádění filmu s definovanou hranou
1.3 Bridgemanova metoda
V Bridgemanově metodě se krystaly tvoří v kelímku, který se postupně pohybuje teplotním gradientem. Proces lze provádět v horizontální nebo vertikální orientaci, obvykle pomocí rotačního kelímku. Stojí za zmínku, že tato metoda může nebo nemusí používat krystalová semena. Tradičním operátorům Bridgman chybí přímá vizualizace procesů tání a růstu krystalů a musí řídit teploty s vysokou přesností. Vertikální Bridgmanova metoda se používá hlavně pro růst β-Ga2O3 a je známá svou schopností růst ve vzdušném prostředí. Během procesu růstu vertikální Bridgmanovy metody se celková ztráta hmotnosti taveniny a kelímku udržuje pod 1 %, což umožňuje růst velkých monokrystalů β-Ga2O3 s minimální ztrátou.
Obrázek 4 Monokrystal β-Ga2O3 pěstovaný metodou Bridgeman
1.4 Metoda plovoucí zóny
Metoda plovoucí zóny řeší problém kontaminace krystalů materiály kelímku a snižuje vysoké náklady spojené s infračervenými kelímky odolnými vůči vysokým teplotám. Během tohoto růstového procesu může být tavenina zahřívána lampou spíše než RF zdrojem, čímž se zjednodušují požadavky na růstové zařízení. Přestože tvar a kvalita krystalů β-Ga2O3 pěstovaného metodou plovoucí zóny ještě nejsou optimální, otevírá tato metoda slibnou metodu pro pěstování vysoce čistého β-Ga2O3 do cenově výhodných monokrystalů.
Obrázek 5 Monokrystal β-Ga2O3 pěstovaný metodou plovoucí zóny.
Čas odeslání: 30. května 2024