Halbleiter mit großer Bandlücke (WBG), repräsentiert durch Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), haben große Aufmerksamkeit erregt. Die Menschen haben hohe Erwartungen an die Anwendungsaussichten von Siliziumkarbid in Elektrofahrzeugen und Stromnetzen sowie an die Anwendungsaussichten von Galliumnitrid beim Schnellladen. In den letzten Jahren hat die Forschung zu Ga2O3-, AlN- und Diamantmaterialien erhebliche Fortschritte gemacht und Halbleitermaterialien mit extrem großer Bandlücke in den Mittelpunkt gerückt. Unter ihnen ist Galliumoxid (Ga2O3) ein aufstrebendes Halbleitermaterial mit ultrabreiter Bandlücke mit einer Bandlücke von 4,8 eV, einer theoretischen kritischen Durchbruchsfeldstärke von etwa 8 MV cm-1 und einer Sättigungsgeschwindigkeit von etwa 2E7cm s-1. und einen hohen Baliga-Qualitätsfaktor von 3000, der im Bereich der Hochspannungs- und Hochfrequenz-Leistungselektronik große Beachtung findet.
1. Eigenschaften des Galliumoxidmaterials
Ga2O3 hat eine große Bandlücke (4,8 eV), soll sowohl eine hohe Spannungsfestigkeit als auch hohe Leistungsfähigkeiten erreichen und kann das Potenzial für eine hohe Spannungsanpassungsfähigkeit bei relativ niedrigem Widerstand haben, was sie zum Schwerpunkt der aktuellen Forschung macht. Darüber hinaus verfügt Ga2O3 nicht nur über hervorragende Materialeigenschaften, sondern bietet auch eine Vielzahl leicht einstellbarer n-Typ-Dotierungstechnologien sowie kostengünstige Substratwachstums- und Epitaxietechnologien. Bisher wurden fünf verschiedene Kristallphasen in Ga2O3 entdeckt, darunter Korund (α), monokline (β), defekte Spinell- (γ), kubische (δ) und orthorhombische (ɛ) Phasen. Thermodynamische Stabilitäten sind der Reihe nach γ, δ, α, ɛ und β. Es ist erwähnenswert, dass monoklines β-Ga2O3 am stabilsten ist, insbesondere bei hohen Temperaturen, während andere Phasen über Raumtemperatur metastabil sind und unter bestimmten thermischen Bedingungen dazu neigen, sich in die β-Phase umzuwandeln. Daher ist die Entwicklung von β-Ga2O3-basierten Geräten in den letzten Jahren zu einem Schwerpunkt im Bereich der Leistungselektronik geworden.
Tabelle 1 Vergleich einiger Halbleitermaterialparameter
Die Kristallstruktur von monoklinem β-Ga2O3 ist in Tabelle 1 dargestellt. Zu seinen Gitterparametern gehören a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å und β = 103,8°. Die Elementarzelle besteht aus Ga(I)-Atomen mit verdrehter tetraedrischer Koordination und Ga(II)-Atomen mit oktaedrischer Koordination. Es gibt drei verschiedene Anordnungen von Sauerstoffatomen in der „verdrillten kubischen“ Anordnung, darunter zwei dreieckig koordinierte O(I)- und O(II)-Atome und ein tetraedrisch koordiniertes O(III)-Atom. Die Kombination dieser beiden Arten der atomaren Koordination führt zur Anisotropie von β-Ga2O3 mit besonderen Eigenschaften in der Physik, der chemischen Korrosion, der Optik und der Elektronik.
Abbildung 1 Schematisches Strukturdiagramm eines monoklinen β-Ga2O3-Kristalls
Aus Sicht der Energiebandtheorie wird der Minimalwert des Leitungsbandes von β-Ga2O3 aus dem Energiezustand abgeleitet, der der 4s0-Hybridbahn des Ga-Atoms entspricht. Gemessen wird die Energiedifferenz zwischen dem Minimalwert des Leitungsbandes und dem Vakuumenergieniveau (Elektronenaffinitätsenergie). beträgt 4 eV. Die effektive Elektronenmasse von β-Ga2O3 wird mit 0,28–0,33 me gemessen und seine günstige elektronische Leitfähigkeit. Das Valenzbandmaximum weist jedoch eine flache Ek-Kurve mit sehr geringer Krümmung und stark lokalisierten O2p-Orbitalen auf, was darauf hindeutet, dass die Löcher tief lokalisiert sind. Diese Eigenschaften stellen eine große Herausforderung dar, um eine p-Typ-Dotierung in β-Ga2O3 zu erreichen. Selbst wenn eine Dotierung vom P-Typ erreicht werden kann, bleibt der Loch-μ auf einem sehr niedrigen Niveau. 2. Wachstum von Galliumoxid-Einkristallen in großen Mengen Bisher ist die Wachstumsmethode für β-Ga2O3-Einkristalle in großen Mengen hauptsächlich ein Kristallziehverfahren wie Czochralski (CZ), ein kantendefiniertes Dünnschichtzuführungsverfahren (Edge-Defined film-fed). , EFG), Bridgman (rtical oder horizontal Bridgman, HB oder VB) und Floating Zone (Floating Zone, FZ) Technologie. Von allen Methoden dürften Czochralski- und kantendefinierte Dünnschicht-Zuführungsverfahren in Zukunft die vielversprechendsten Möglichkeiten für die Massenproduktion von β-Ga 2O3-Wafern sein, da sie gleichzeitig große Volumina und niedrige Defektdichten erreichen können. Bisher hat Japans Novel Crystal Technology eine kommerzielle Matrix für das Schmelzwachstum von β-Ga2O3 realisiert.
2.1 Czochralski-Methode
Das Prinzip der Czochralski-Methode besteht darin, dass zunächst die Keimschicht bedeckt wird und dann der Einkristall langsam aus der Schmelze herausgezogen wird. Die Czochralski-Methode gewinnt für β-Ga2O3 aufgrund ihrer Kosteneffizienz, der großen Möglichkeiten und des Substratwachstums mit hoher Kristallqualität zunehmend an Bedeutung. Aufgrund der thermischen Belastung während des Hochtemperaturwachstums von Ga2O3 kommt es jedoch zur Verdampfung von Einkristallen und Schmelzmaterialien sowie zu Schäden am Ir-Tiegel. Dies ist auf die Schwierigkeit zurückzuführen, eine niedrige n-Dotierung in Ga2O3 zu erreichen. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht darin, der Wachstumsatmosphäre eine angemessene Menge Sauerstoff zuzuführen. Durch Optimierung wurde mit der Czochralski-Methode erfolgreich hochwertiges 2-Zoll-β-Ga2O3 mit einem freien Elektronenkonzentrationsbereich von 10^16~10^19 cm-3 und einer maximalen Elektronendichte von 160 cm2/Vs gezüchtet.
Abbildung 2 Einkristall aus β-Ga2O3, gezüchtet mit der Czochralski-Methode
2.2 Kantendefinierte Filmzuführungsmethode
Das kantendefinierte Dünnschicht-Zuführverfahren gilt als der führende Kandidat für die kommerzielle Produktion von großflächigen Ga2O3-Einkristallmaterialien. Das Prinzip dieser Methode besteht darin, dass die Schmelze in eine Form mit Kapillarschlitz gegeben wird und die Schmelze durch Kapillarwirkung in die Form aufsteigt. An der Oberseite bildet sich ein dünner Film, der sich in alle Richtungen ausbreitet und durch den Impfkristall zur Kristallisation gebracht wird. Darüber hinaus können die Kanten der Formoberseite gesteuert werden, um Kristalle in Flocken, Röhren oder jeder gewünschten Geometrie zu erzeugen. Die kantendefinierte Dünnschichtzuführungsmethode von Ga2O3 sorgt für schnelle Wachstumsraten und große Durchmesser. Abbildung 3 zeigt ein Diagramm eines β-Ga2O3-Einkristalls. Darüber hinaus wurden hinsichtlich der Größenskala 2-Zoll- und 4-Zoll-β-Ga2O3-Substrate mit ausgezeichneter Transparenz und Gleichmäßigkeit kommerzialisiert, während das 6-Zoll-Substrat in der Forschung für eine zukünftige Kommerzialisierung demonstriert wird. In letzter Zeit sind auch große kreisförmige einkristalline Massenmaterialien mit (−201)-Orientierung erhältlich. Darüber hinaus fördert die kantendefinierte Filmzuführungsmethode β-Ga2O3 auch die Dotierung von Übergangsmetallelementen und ermöglicht so die Erforschung und Herstellung von Ga2O3.
Abbildung 3 β-Ga2O3-Einkristall, gezüchtet durch kantendefiniertes Filmzufuhrverfahren
2.3 Bridgeman-Methode
Bei der Bridgeman-Methode werden Kristalle in einem Tiegel gebildet, der schrittweise durch einen Temperaturgradienten bewegt wird. Der Prozess kann in horizontaler oder vertikaler Ausrichtung durchgeführt werden, üblicherweise unter Verwendung eines rotierenden Tiegels. Es ist erwähnenswert, dass bei dieser Methode Kristallkeime verwendet werden können oder auch nicht. Herkömmlichen Bridgman-Bedienern fehlt die direkte Visualisierung der Schmelz- und Kristallwachstumsprozesse und sie müssen die Temperaturen mit hoher Präzision steuern. Die vertikale Bridgman-Methode wird hauptsächlich für das Wachstum von β-Ga2O3 verwendet und ist für ihre Fähigkeit bekannt, in einer Luftumgebung zu wachsen. Während des vertikalen Bridgman-Methode-Wachstumsprozesses wird der Gesamtmasseverlust der Schmelze und des Tiegels unter 1 % gehalten, was das Wachstum großer β-Ga2O3-Einkristalle mit minimalem Verlust ermöglicht.
Abbildung 4 Einkristall aus β-Ga2O3, gezüchtet nach der Bridgeman-Methode
2.4 Floating-Zone-Methode
Das Floating-Zone-Verfahren löst das Problem der Kristallverunreinigung durch Tiegelmaterialien und reduziert die hohen Kosten, die mit hochtemperaturbeständigen Infrarottiegeln verbunden sind. Während dieses Wachstumsprozesses kann die Schmelze durch eine Lampe statt durch eine HF-Quelle erhitzt werden, wodurch die Anforderungen an die Wachstumsausrüstung vereinfacht werden. Obwohl Form und Kristallqualität von β-Ga2O3, das mit der Floating-Zone-Methode gezüchtet wurde, noch nicht optimal sind, eröffnet diese Methode eine vielversprechende Methode für die Züchtung von hochreinem β-Ga2O3 zu budgetfreundlichen Einkristallen.
Abbildung 5 β-Ga2O3-Einkristall, gezüchtet mit der Floating-Zone-Methode.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 30. Mai 2024