Halbleiter mit großer Bandlücke (WBG), wie beispielsweise Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), haben in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erregt. Man hegt hohe Erwartungen an die Anwendungsmöglichkeiten von Siliziumkarbid in Elektrofahrzeugen und Stromnetzen sowie an die von Galliumnitrid im Schnellladen. Die Forschung an Ga₂O₃, AlN und Diamant hat in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte erzielt, wodurch Halbleitermaterialien mit ultrabreiter Bandlücke in den Fokus gerückt sind. Galliumoxid (Ga₂O₃) ist ein vielversprechendes Halbleitermaterial mit einer Bandlücke von 4,8 eV, einer theoretischen kritischen Feldstärke von etwa 8 MV cm⁻¹, einer Sättigungsgeschwindigkeit von etwa 2 × 10⁷ cm s⁻¹ und einem hohen Baliga-Gütefaktor von 3000. Es findet breite Beachtung im Bereich der Hochspannungs- und Hochfrequenz-Leistungselektronik.
1. Materialeigenschaften von Galliumoxid
Galliumoxid (Ga₂O₃) besitzt eine große Bandlücke (4,8 eV), verspricht hohe Spannungsfestigkeit und hohe Leistungsfähigkeit und bietet Potenzial für Hochspannungsanpassung bei relativ niedrigem Widerstand. Daher steht es im Fokus aktueller Forschung. Ga₂O₃ zeichnet sich nicht nur durch hervorragende Materialeigenschaften aus, sondern ermöglicht auch vielfältige, einfach einstellbare n-Dotierungstechnologien sowie kostengünstige Substratwachstums- und Epitaxieverfahren. Bislang wurden fünf verschiedene Kristallphasen in Ga₂O₃ entdeckt: Korund (α), monoklin (β), defekter Spinell (γ), kubisch (δ) und orthorhombisch (ε). Die thermodynamische Stabilität nimmt in folgender Reihenfolge ab: γ, δ, α, ε und β. Monoklines β-Ga₂O₃ ist besonders bei hohen Temperaturen am stabilsten, während die anderen Phasen oberhalb Raumtemperatur metastabil sind und unter bestimmten thermischen Bedingungen in die β-Phase übergehen. Daher hat sich die Entwicklung von Bauelementen auf β-Ga2O3-Basis in den letzten Jahren zu einem wichtigen Schwerpunkt im Bereich der Leistungselektronik entwickelt.
Tabelle 1 Vergleich einiger Halbleitermaterialparameter
Die Kristallstruktur von monoklinem β-Ga₂O₃ ist in Tabelle 1 dargestellt. Die Gitterparameter betragen a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å und β = 103,8°. Die Elementarzelle besteht aus Ga(I)-Atomen mit verdrillter tetraedrischer und Ga(II)-Atomen mit oktaedrischer Koordination. Sauerstoffatome können in der „verdrillten kubischen“ Anordnung drei verschiedene Anordnungen aufweisen: zwei dreieckig koordinierte O(I)- und O(II)-Atome sowie ein tetraedrisch koordiniertes O(III)-Atom. Die Kombination dieser beiden Arten der Atomkoordination führt zur Anisotropie von β-Ga₂O₃ mit besonderen Eigenschaften in Physik, chemischer Korrosion, Optik und Elektronik.
Abbildung 1 Schematisches Strukturdiagramm des monoklinen β-Ga₂O₃-Kristalls
Aus Sicht der Energiebandtheorie ergibt sich der minimale Wert des Leitungsbandes von β-Ga₂O₃ aus dem Energiezustand des 4s⁰-Hybridorbitals des Ga-Atoms. Die Energiedifferenz zwischen dem minimalen Wert des Leitungsbandes und dem Vakuumenergieniveau (Elektronenaffinitätsenergie) beträgt 4 eV. Die effektive Elektronenmasse von β-Ga₂O₃ liegt zwischen 0,28 und 0,33 me, was auf eine günstige elektronische Leitfähigkeit hinweist. Das Valenzbandmaximum zeigt jedoch eine flache Ek-Kurve mit sehr geringer Krümmung und stark lokalisierten O2p-Orbitalen, was auf eine starke Lokalisierung der Löcher schließen lässt. Diese Eigenschaften stellen eine große Herausforderung für die p-Dotierung von β-Ga₂O₃ dar. Selbst bei erfolgreicher p-Dotierung bleibt die Lochmobilität μ sehr gering. 2. Herstellung von Galliumoxid-Einkristallen. Bisher werden β-Ga₂O₃-Einkristallsubstrate hauptsächlich durch Kristallziehverfahren hergestellt, beispielsweise durch Czochralski (CZ), EFG (Edge-Defined Film-Fed), Bridgman (rechtwinklig oder horizontal, HB oder VB) und FZ (Floating Zone). Von allen Verfahren gelten Czochralski und EFG als die vielversprechendsten Ansätze für die Massenproduktion von β-Ga₂O₃-Wafern, da sie gleichzeitig große Volumina und geringe Defektdichten ermöglichen. Das japanische Unternehmen Novel Crystal Technology hat bereits eine kommerzielle Matrix für das Schmelzwachstum von β-Ga₂O₃ entwickelt.
1.1 Czochralski-Verfahren
Das Prinzip des Czochralski-Verfahrens besteht darin, zunächst eine Keimschicht aufzubringen und anschließend den Einkristall langsam aus der Schmelze zu ziehen. Aufgrund seiner Kosteneffizienz, der Möglichkeit, große Kristallgrößen zu erzeugen, und der hohen Kristallqualität des Substrats gewinnt das Czochralski-Verfahren zunehmend an Bedeutung für β-Ga₂O₃. Allerdings kommt es aufgrund der thermischen Belastung während des Hochtemperaturwachstums von Ga₂O₃ zur Verdampfung von Einkristallen und Schmelzmaterialien sowie zu Beschädigungen des Iridiumtiegels. Dies ist auf die Schwierigkeit zurückzuführen, eine geringe n-Dotierung in Ga₂O₃ zu erreichen. Die Zufuhr einer geeigneten Menge Sauerstoff in die Wachstumsatmosphäre ist eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen. Durch Optimierung konnte mit dem Czochralski-Verfahren erfolgreich hochwertiges 2-Zoll-β-Ga₂O₃ mit einer freien Elektronenkonzentration im Bereich von 10¹⁶ bis 10¹⁹ cm⁻³ und einer maximalen Elektronendichte von 160 cm²/Vs gezüchtet werden.
Abbildung 2: Einkristall von β-Ga₂O₃, gezüchtet nach dem Czochralski-Verfahren
1.2 Kantendefiniertes Filmzuführungsverfahren
Das Verfahren der randdefinierten Dünnschichtzuführung gilt als vielversprechendster Kandidat für die kommerzielle Herstellung großflächiger Ga₂O₃-Einkristalle. Das Prinzip dieses Verfahrens besteht darin, die Schmelze in eine Form mit Kapillarschlitz zu geben. Durch Kapillarwirkung steigt die Schmelze in die Form auf. An der Oberseite bildet sich ein dünner Film, der sich in alle Richtungen ausbreitet und durch den Impfkristall zur Kristallisation angeregt wird. Die Kanten der Formoberseite können gezielt gesteuert werden, um Kristalle in Form von Flocken, Röhren oder beliebiger Geometrie zu erzeugen. Das Verfahren der randdefinierten Dünnschichtzuführung von Ga₂O₃ ermöglicht hohe Wachstumsraten und große Durchmesser. Abbildung 3 zeigt ein Schema eines β-Ga₂O₃-Einkristalls. Darüber hinaus sind 2-Zoll- und 4-Zoll-β-Ga₂O₃-Substrate mit exzellenter Transparenz und Homogenität bereits kommerziell erhältlich, während ein 6-Zoll-Substrat für die zukünftige Kommerzialisierung erforscht wird. In jüngster Zeit sind auch große, kreisförmige Einkristall-Bulkmaterialien mit (−201)-Orientierung verfügbar geworden. Darüber hinaus ermöglicht die kantenbestimmte Filmzuführungsmethode von β-Ga₂O₃ die Dotierung mit Übergangsmetallelementen und eröffnet somit neue Forschungs- und Herstellungsmöglichkeiten für Ga₂O₃.
Abbildung 3: β-Ga₂O₃-Einkristall, gezüchtet mittels randdefinierter Filmzuführungsmethode
1.3 Bridgeman-Methode
Beim Bridgman-Verfahren werden Kristalle in einem Tiegel gebildet, der schrittweise durch einen Temperaturgradienten bewegt wird. Der Prozess kann horizontal oder vertikal durchgeführt werden, üblicherweise mit einem rotierenden Tiegel. Es ist zu beachten, dass bei diesem Verfahren Kristallkeime verwendet werden können, aber nicht müssen. Anwender des traditionellen Bridgman-Verfahrens haben keine direkte Sicht auf die Schmelz- und Kristallwachstumsprozesse und müssen die Temperaturen hochpräzise steuern. Das vertikale Bridgman-Verfahren wird hauptsächlich für das Wachstum von β-Ga₂O₃ eingesetzt und ist bekannt für seine Fähigkeit, Kristalle in Luft zu züchten. Während des Wachstumsprozesses beim vertikalen Bridgman-Verfahren wird der Gesamtmasseverlust der Schmelze und des Tiegels unter 1 % gehalten, wodurch das Wachstum großer β-Ga₂O₃-Einkristalle mit minimalem Verlust ermöglicht wird.
Abbildung 4: Einkristall von β-Ga₂O₃, gezüchtet nach dem Bridgman-Verfahren
1.4 Floating-Zone-Verfahren
Das Zonenschmelzverfahren löst das Problem der Kristallverunreinigung durch Tiegelmaterialien und reduziert die hohen Kosten für hochtemperaturbeständige Infrarottiegel. Während des Züchtungsprozesses kann die Schmelze mittels einer Lampe anstatt einer Hochfrequenzquelle erhitzt werden, wodurch die Anforderungen an die Züchtungsanlagen vereinfacht werden. Obwohl Form und Kristallqualität von β-Ga₂O₃, das mit dem Zonenschmelzverfahren gezüchtet wurde, noch nicht optimal sind, eröffnet diese Methode einen vielversprechenden Weg zur kostengünstigen Herstellung hochreiner β-Ga₂O₃-Einkristalle.
Abbildung 5: β-Ga2O3-Einkristall, gezüchtet mit der Zonenschmelzmethode.
Veröffentlichungsdatum: 30. Mai 2024