Mae lled-ddargludyddion bandgap eang (WBG) a gynrychiolir gan garbid silicon (SiC) a gallium nitride (GaN) wedi cael sylw eang. Mae gan bobl ddisgwyliadau uchel ar gyfer rhagolygon cymhwyso carbid silicon mewn cerbydau trydan a gridiau pŵer, yn ogystal â rhagolygon cymhwyso gallium nitride wrth godi tâl cyflym. Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae ymchwil ar ddeunyddiau Ga2O3, AlN a diemwnt wedi gwneud cynnydd sylweddol, gan wneud deunyddiau lled-ddargludyddion bandgap ultra-eang yn ffocws sylw. Yn eu plith, mae gallium ocsid (Ga2O3) yn ddeunydd lled-ddargludydd bandgap tra-eang sy'n dod i'r amlwg gyda bwlch band o 4.8 eV, cryfder maes dadansoddi beirniadol damcaniaethol o tua 8 MV cm-1, cyflymder dirlawnder o tua 2E7cm s-1, a ffactor ansawdd Baliga uchel o 3000, sy'n cael sylw eang ym maes electroneg pŵer foltedd uchel ac amledd uchel.
1. Gallium ocsid nodweddion materol
Mae gan Ga2O3 fwlch band mawr (4.8 eV), disgwylir iddo gyflawni galluoedd foltedd gwrthsefyll uchel a phwer uchel, a gall fod â'r potensial ar gyfer addasrwydd foltedd uchel ar wrthwynebiad cymharol isel, gan eu gwneud yn ffocws ymchwil gyfredol. Yn ogystal, nid yn unig y mae gan Ga2O3 briodweddau deunydd rhagorol, ond mae hefyd yn darparu amrywiaeth o dechnolegau dopio n-math y gellir eu haddasu'n hawdd, yn ogystal â thechnolegau twf swbstrad cost isel a epitaxy. Hyd yn hyn, mae pum cyfnod crisial gwahanol wedi'u darganfod yn Ga2O3, gan gynnwys cyfnodau corundum (α), monoclinig (β), asgwrn cefn diffygiol (γ), ciwbig (δ) ac orthorhombig (ɛ). Sefydlogrwydd thermodynamig yw, mewn trefn, γ, δ, α, ɛ, a β. Mae'n werth nodi mai monoclinig β-Ga2O3 yw'r mwyaf sefydlog, yn enwedig ar dymheredd uchel, tra bod cyfnodau eraill yn fetastable yn uwch na thymheredd yr ystafell ac yn tueddu i drawsnewid i'r cyfnod β o dan amodau thermol penodol. Felly, mae datblygiad dyfeisiau sy'n seiliedig ar β-Ga2O3 wedi dod yn ffocws mawr ym maes electroneg pŵer yn ystod y blynyddoedd diwethaf.
Tabl 1 Cymhariaeth o rai paramedrau deunydd lled-ddargludyddion
Dangosir strwythur grisial monoclinicβ-Ga2O3 yn Nhabl 1. Mae ei baramedrau dellt yn cynnwys a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, a β = 103.8 °. Mae'r gell unedol yn cynnwys atomau Ga(I) gyda chydlyniad tetrahedrol troellog ac atomau Ga(II) gyda chydlyniad octahedrol. Mae tri threfniant gwahanol o atomau ocsigen yn yr arae “ciwbig troellog”, gan gynnwys dau atom O(I) ac O(II) wedi'u cydgysylltu'n drionglog ac un atom O(III) wedi'i gydgysylltu'n detrahedrol. Mae'r cyfuniad o'r ddau fath hyn o gydlyniad atomig yn arwain at anisotropi β-Ga2O3 gyda phriodweddau arbennig mewn ffiseg, cyrydiad cemegol, opteg ac electroneg.
Ffigur 1 Diagram strwythurol sgematig o grisial monoclinig β-Ga2O3
O safbwynt theori band ynni, mae gwerth lleiaf band dargludiad β-Ga2O3 yn deillio o'r cyflwr ynni sy'n cyfateb i orbit hybrid 4s0 yr atom Ga. Mae'r gwahaniaeth ynni rhwng isafswm gwerth y band dargludiad a'r lefel egni gwactod (ynni affinedd electronau) yn cael ei fesur. yn 4 eV. Mae màs electron effeithiol β-Ga2O3 yn cael ei fesur fel 0.28–0.33 me a'i ddargludedd electronig ffafriol. Fodd bynnag, mae uchafswm y band falens yn dangos cromlin Ek fas gyda chrymedd isel iawn ac orbitalau O2p lleoledig iawn, sy'n awgrymu bod y tyllau wedi'u lleoleiddio'n ddwfn. Mae'r nodweddion hyn yn her enfawr i gyflawni dopio math-p yn β-Ga2O3. Hyd yn oed os gellir cyflawni dopio math P, mae'r twll μ yn parhau i fod ar lefel isel iawn. 2. Twf swmp gallium ocsid grisial sengl Hyd yn hyn, mae'r dull twf o swbstrad grisial sengl swmp β-Ga2O3 yn ddull tynnu grisial yn bennaf, megis Czochralski (CZ), dull bwydo ffilm tenau wedi'i ddiffinio gan ymyl (Edge -Defined ffilm-bwydo , EFG), Bridgman (Bridgman rtical neu lorweddol, HB neu VB) a thechnoleg parth arnawf (parth arnofiol, FZ). Ymhlith yr holl ddulliau, disgwylir i ddulliau bwydo Czochralski a ffilm tenau wedi'u diffinio gan ymyl fod y llwybrau mwyaf addawol ar gyfer cynhyrchu màs o wafferi β-Ga 2O3 yn y dyfodol, oherwydd gallant gyflawni cyfeintiau mawr a dwyseddau diffygion isel ar yr un pryd. Hyd yn hyn, mae Technoleg Crystal Nofel Japan wedi gwireddu matrics masnachol ar gyfer twf toddi β-Ga2O3.
2.1 Dull Czochralski
Egwyddor dull Czochralski yw bod yr haen hadau yn cael ei orchuddio yn gyntaf, ac yna mae'r grisial sengl yn cael ei dynnu allan yn araf o'r toddi. Mae dull Czochralski yn gynyddol bwysig ar gyfer β-Ga2O3 oherwydd ei gost-effeithiolrwydd, galluoedd maint mawr, a thwf swbstrad ansawdd grisial uchel. Fodd bynnag, oherwydd straen thermol yn ystod twf tymheredd uchel Ga2O3, bydd anweddiad crisialau sengl, deunyddiau toddi, a difrod i'r crucible Ir yn digwydd. Mae hyn o ganlyniad i'r anhawster i gyflawni dopio math n isel yn Ga2O3. Mae cyflwyno swm priodol o ocsigen i'r atmosffer twf yn un ffordd o ddatrys y broblem hon. Trwy optimeiddio, mae β-Ga2O3 2-modfedd o ansawdd uchel gydag ystod crynodiad electron rhydd o 10 ^ 16 ~ 10 ^ 19 cm-3 ac uchafswm dwysedd electron o 160 cm2 / Vs wedi'i dyfu'n llwyddiannus gan y dull Czochralski.
Ffigur 2 Crisial sengl o β-Ga2O3 wedi'i dyfu gan ddull Czochralski
2.2 Dull bwydo ffilm wedi'i ddiffinio gan ymyl
Ystyrir mai'r dull bwydo ffilm tenau a ddiffinnir gan ymyl yw'r prif gystadleuydd ar gyfer cynhyrchu deunyddiau crisial sengl Ga2O3 ardal fawr yn fasnachol. Egwyddor y dull hwn yw gosod y toddi mewn mowld gyda hollt capilari, ac mae'r toddi yn codi i'r mowld trwy weithredu capilari. Ar y brig, mae ffilm denau yn ffurfio ac yn ymledu i bob cyfeiriad tra'n cael ei gymell i grisialu gan y grisial hadau. Yn ogystal, gellir rheoli ymylon top y mowld i gynhyrchu crisialau mewn naddion, tiwbiau, neu unrhyw geometreg a ddymunir. Mae dull bwydo ffilm tenau wedi'i ddiffinio gan ymyl o Ga2O3 yn darparu cyfraddau twf cyflym a diamedrau mawr. Mae Ffigur 3 yn dangos diagram o grisial sengl β-Ga2O3. Yn ogystal, o ran graddfa maint, mae swbstradau β-Ga2O3 2-modfedd a 4-modfedd gyda thryloywder ac unffurfiaeth rhagorol wedi'u masnacheiddio, tra bod y swbstrad 6-modfedd yn cael ei ddangos mewn ymchwil ar gyfer masnacheiddio yn y dyfodol. Yn ddiweddar, mae deunyddiau swmp sengl-grisial crwn mawr hefyd wedi dod ar gael gyda chyfeiriadedd (−201). Yn ogystal, mae dull bwydo ffilm diffiniedig ymyl β-Ga2O3 hefyd yn hyrwyddo dopio elfennau metel pontio, gan wneud ymchwil a pharatoi Ga2O3 yn bosibl.
Ffigur 3 β-Ga2O3 grisial sengl wedi'i dyfu gan ddull bwydo ffilm wedi'i ddiffinio gan ymyl
2.3 dull Bridgeman
Yn y dull Bridgeman, mae crisialau'n cael eu ffurfio mewn crucible sy'n cael ei symud yn raddol trwy raddiant tymheredd. Gellir perfformio'r broses mewn cyfeiriadedd llorweddol neu fertigol, fel arfer gan ddefnyddio crucible cylchdroi. Mae'n werth nodi y gall y dull hwn ddefnyddio hadau grisial neu beidio. Mae gan weithredwyr traddodiadol Bridgman ddiffyg delweddu uniongyrchol o'r prosesau toddi a thyfiant grisial a rhaid iddynt reoli tymereddau gyda manwl gywirdeb uchel. Defnyddir dull fertigol Bridgman yn bennaf ar gyfer twf β-Ga2O3 ac mae'n hysbys am ei allu i dyfu mewn amgylchedd awyr. Yn ystod proses twf dull fertigol Bridgman, cedwir cyfanswm colled màs y toddi a'r crucible o dan 1%, gan alluogi twf crisialau sengl mawr β-Ga2O3 heb fawr o golled.
Ffigur 4 Crisial sengl o β-Ga2O3 wedi'i dyfu gan ddull Bridgeman
2.4 Dull parth arnawf
Mae'r dull parth arnofio yn datrys y broblem o halogiad grisial gan ddeunyddiau crucible ac yn lleihau'r costau uchel sy'n gysylltiedig â crucibles isgoch sy'n gallu gwrthsefyll tymheredd uchel. Yn ystod y broses dwf hon, gall y toddi gael ei gynhesu gan lamp yn hytrach na ffynhonnell RF, a thrwy hynny symleiddio'r gofynion ar gyfer offer twf. Er nad yw siâp ac ansawdd grisial β-Ga2O3 a dyfir gan y dull parth arnofio yn optimaidd eto, mae'r dull hwn yn agor dull addawol ar gyfer tyfu β-Ga2O3 purdeb uchel yn grisialau sengl sy'n gyfeillgar i'r gyllideb.
Ffigur 5 β-Ga2O3 grisial sengl a dyfir gan y dull parth arnawf.
Amser postio: Mai-30-2024