Wide bandgap (WBG) halvledere repræsenteret af siliciumcarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN) har fået bred opmærksomhed. Folk har høje forventninger til anvendelsesmulighederne for siliciumcarbid i elektriske køretøjer og elnet, såvel som mulighederne for anvendelse af galliumnitrid i hurtig opladning. I de senere år har forskning i Ga2O3, AlN og diamantmaterialer gjort betydelige fremskridt, hvilket gør halvledermaterialer med ultrabrede båndgab til fokus for opmærksomhed. Blandt dem er galliumoxid (Ga2O3) et fremvoksende halvledermateriale med ultrabredt båndgab med et båndgab på 4,8 eV, en teoretisk kritisk nedbrydningsfeltstyrke på omkring 8 MV cm-1, en mætningshastighed på omkring 2E7cm s-1, og en høj Baliga kvalitetsfaktor på 3000, der får bred opmærksomhed inden for højspænding og højspænding frekvenseffektelektronik.
1. Materialeegenskaber for galliumoxid
Ga2O3 har et stort båndgab (4,8 eV), forventes at opnå både høj modstå spænding og høj effektkapacitet og kan have potentiale for højspændingstilpasning ved relativt lav modstand, hvilket gør dem til fokus for den nuværende forskning. Derudover har Ga2O3 ikke kun fremragende materialeegenskaber, men giver også en række let justerbare n-type dopingteknologier, såvel som billige substratvækst- og epitaksiteknologier. Indtil videre er fem forskellige krystalfaser blevet opdaget i Ga2O3, herunder korund (α), monoklinisk (β), defekt spinel (γ), kubisk (δ) og orthorhombisk (ɛ) faser. Termodynamiske stabiliteter er i rækkefølge γ, δ, α, ɛ og β. Det er værd at bemærke, at monoklin β-Ga2O3 er den mest stabile, især ved høje temperaturer, mens andre faser er metastabile over stuetemperatur og har en tendens til at transformere sig til β-fasen under specifikke termiske forhold. Derfor er udviklingen af β-Ga2O3-baserede enheder blevet et stort fokus inden for kraftelektronik i de senere år.
Tabel 1 Sammenligning af nogle halvledermaterialeparametre
Krystalstrukturen af monoklinisk β-Ga2O3 er vist i tabel 1. Dens gitterparametre omfatter a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å og β = 103,8°. Enhedscellen består af Ga(I)-atomer med snoet tetraedrisk koordination og Ga(II)-atomer med oktaedrisk koordination. Der er tre forskellige arrangementer af oxygenatomer i det "snoede kubiske" array, herunder to trekantet koordinerede O(I)- og O(II)-atomer og et tetraedrisk koordineret O(III)-atom. Kombinationen af disse to typer atomkoordination fører til anisotropien af β-Ga2O3 med særlige egenskaber inden for fysik, kemisk korrosion, optik og elektronik.
Figur 1 Skematisk strukturdiagram af monoklinisk β-Ga2O3 krystal
Fra energibåndsteoriens perspektiv er minimumværdien af ledningsbåndet for β-Ga2O3 afledt af energitilstanden svarende til Ga-atomets 4s0 hybride kredsløb. Energiforskellen mellem minimumsværdien af ledningsbåndet og vakuumenerginiveauet (elektronaffinitetsenergi) måles. er 4 eV. Den effektive elektronmasse af β-Ga2O3 måles til 0,28-0,33 me og dens gunstige elektroniske ledningsevne. Valensbåndets maksimum udviser imidlertid en lavvandet Ek-kurve med meget lav krumning og stærkt lokaliserede O2p-orbitaler, hvilket tyder på, at hullerne er dybt lokaliserede. Disse karakteristika udgør en stor udfordring for at opnå p-type doping i β-Ga2O3. Selvom P-type doping kan opnås, forbliver hullet μ på et meget lavt niveau. 2. Vækst af bulk galliumoxid-enkeltkrystal Hidtil er vækstmetoden for β-Ga2O3 bulk-enkeltkrystalsubstrat hovedsageligt krystaltrækmetoden, såsom Czochralski (CZ), kantdefineret tyndfilmtilførselsmetode (Edge-Defined film-fed) , EFG), Bridgman (rtisk eller vandret Bridgman, HB eller VB) og flydende zone (flydende zone, FZ) teknologi. Blandt alle metoder forventes Czochralski og kantdefinerede tyndfilmsfodringsmetoder at være de mest lovende veje til masseproduktion af β-Ga 2O3 wafere i fremtiden, da de samtidigt kan opnå store volumener og lave defekttætheder. Indtil nu har Japans nye krystalteknologi realiseret en kommerciel matrix for smeltevækst β-Ga2O3.
1.1 Czochralski-metoden
Princippet i Czochralski-metoden er, at frølaget først dækkes, og derefter trækkes enkeltkrystallen langsomt ud af smelten. Czochralski-metoden er stadig vigtigere for β-Ga2O3 på grund af dens omkostningseffektivitet, store størrelseskapaciteter og substratvækst af høj krystalkvalitet. På grund af termisk stress under højtemperaturvæksten af Ga2O3 vil der dog forekomme fordampning af enkeltkrystaller, smeltematerialer og beskadigelse af Ir-digelen. Dette er et resultat af vanskeligheden ved at opnå lav n-type doping i Ga2O3. At indføre en passende mængde ilt i vækstatmosfæren er en måde at løse dette problem på. Gennem optimering er højkvalitets 2-tommer β-Ga2O3 med et frit elektronkoncentrationsområde på 10^16~10^19 cm-3 og en maksimal elektrondensitet på 160 cm2/Vs blevet dyrket med succes ved Czochralski-metoden.
Figur 2 Enkeltkrystal af β-Ga2O3 dyrket ved Czochralski-metoden
1.2 Kantdefineret filmfremføringsmetode
Den kantdefinerede tyndfilmsfremføringsmetode anses for at være den førende konkurrent til kommerciel produktion af Ga2O3-enkeltkrystalmaterialer med stort areal. Princippet i denne metode er at placere smelten i en form med en kapillarspalte, og smelten stiger til formen gennem kapillarvirkning. Øverst dannes en tynd film, som spredes i alle retninger, mens den induceres til at krystallisere af frøkrystallen. Derudover kan kanterne på formtoppen styres til at producere krystaller i flager, rør eller enhver ønsket geometri. Den kantdefinerede tyndfilmsfremføringsmetode for Ga2O3 giver hurtige væksthastigheder og store diametre. Figur 3 viser et diagram af en β-Ga2O3-enkeltkrystal. Derudover er 2-tommer og 4-tommer β-Ga2O3-substrater med fremragende gennemsigtighed og ensartethed blevet kommercialiseret med hensyn til størrelsesskala, mens 6-tommer-substratet er demonstreret i forskning med henblik på fremtidig kommercialisering. For nylig er store cirkulære enkeltkrystal bulkmaterialer også blevet tilgængelige med (−201) orientering. Derudover fremmer den β-Ga2O3-kantdefinerede filmtilførselsmetode også dopingen af overgangsmetalelementer, hvilket gør forskning og fremstilling af Ga2O3 mulig.
Figur 3 β-Ga2O3-enkeltkrystal dyrket ved kantdefineret filmtilførselsmetode
1.3 Bridgeman-metoden
I Bridgeman-metoden dannes krystaller i en digel, der gradvist bevæges gennem en temperaturgradient. Processen kan udføres i en vandret eller lodret orientering, normalt ved hjælp af en roterende digel. Det er værd at bemærke, at denne metode muligvis bruger krystalfrø eller ikke. Traditionelle Bridgman-operatører mangler direkte visualisering af smeltnings- og krystalvækstprocesserne og skal kontrollere temperaturer med høj præcision. Den vertikale Bridgman-metode bruges hovedsageligt til vækst af β-Ga2O3 og er kendt for sin evne til at vokse i et luftmiljø. Under den vertikale Bridgman-metodes vækstproces holdes det samlede massetab af smelten og diglen under 1 %, hvilket muliggør vækst af store β-Ga2O3-enkeltkrystaller med minimalt tab.
Figur 4 Enkeltkrystal af β-Ga2O3 dyrket ved Bridgeman-metoden
1.4 Flydende zone metode
Den flydende zone-metode løser problemet med krystalforurening af digelmaterialer og reducerer de høje omkostninger forbundet med højtemperaturbestandige infrarøde digler. Under denne vækstproces kan smelten opvarmes af en lampe frem for en RF-kilde, hvilket forenkler kravene til vækstudstyr. Selvom formen og krystalkvaliteten af β-Ga2O3 dyrket ved flydende zonemetoden endnu ikke er optimal, åbner denne metode op for en lovende metode til at dyrke højrenhed β-Ga2O3 til budgetvenlige enkeltkrystaller.
Figur 5 β-Ga2O3 enkeltkrystal dyrket ved flydende zone-metoden.
Indlægstid: 30. maj 2024