Οι ημιαγωγοί ευρείας ζώνης (WBG) που αντιπροσωπεύονται από καρβίδιο του πυριτίου (SiC) και νιτρίδιο του γαλλίου (GaN) έχουν λάβει ευρεία προσοχή. Οι άνθρωποι έχουν υψηλές προσδοκίες για τις προοπτικές εφαρμογής του καρβιδίου του πυριτίου σε ηλεκτρικά οχήματα και δίκτυα ισχύος, καθώς και τις προοπτικές εφαρμογής του νιτριδίου του γαλλίου στη γρήγορη φόρτιση. Τα τελευταία χρόνια, η έρευνα για τα υλικά Ga2O3, AlN και διαμαντιών έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο, καθιστώντας τα υλικά ημιαγωγών εξαιρετικά ευρείας ζώνης στο επίκεντρο της προσοχής. Μεταξύ αυτών, το οξείδιο του γαλλίου (Ga2O3) είναι ένα αναδυόμενο υλικό ημιαγωγών εξαιρετικά ευρείας ζώνης με διάκενο ζώνης 4,8 eV, θεωρητική κρίσιμη ένταση πεδίου διάσπασης περίπου 8 MV cm-1, ταχύτητα κορεσμού περίπου 2E7 cm s-1, και υψηλός συντελεστής ποιότητας Baliga 3000, που τυγχάνει ευρείας προσοχής στον τομέα της υψηλής ποιότητας ηλεκτρονικά ισχύος τάσης και υψηλής συχνότητας.
1. Χαρακτηριστικά υλικού οξειδίου του γαλλίου
Το Ga2O3 έχει μεγάλο διάκενο ζώνης (4,8 eV), αναμένεται να επιτύχει τόσο υψηλή τάση αντοχής όσο και δυνατότητες υψηλής ισχύος και μπορεί να έχει τη δυνατότητα προσαρμοστικότητας υψηλής τάσης σε σχετικά χαμηλή αντίσταση, γεγονός που τα καθιστά το επίκεντρο της τρέχουσας έρευνας. Επιπλέον, το Ga2O3 όχι μόνο έχει εξαιρετικές ιδιότητες υλικού, αλλά παρέχει επίσης μια ποικιλία από εύκολα ρυθμιζόμενες τεχνολογίες ντόπινγκ τύπου n, καθώς και τεχνολογίες ανάπτυξης υποστρώματος χαμηλού κόστους και επιταξίας. Μέχρι στιγμής, έχουν ανακαλυφθεί πέντε διαφορετικές κρυσταλλικές φάσεις στο Ga2O3, συμπεριλαμβανομένων των φάσεων κορούνδιου (α), μονοκλινικού (β), ελαττωματικού σπινελίου (γ), κυβικού (δ) και ορθορομβικού (ɛ). Οι θερμοδυναμικές σταθερότητες είναι κατά σειρά γ, δ, α, ɛ και β. Αξίζει να σημειωθεί ότι το μονοκλινικό β-Ga2O3 είναι το πιο σταθερό, ειδικά σε υψηλές θερμοκρασίες, ενώ άλλες φάσεις είναι μετασταθερές πάνω από τη θερμοκρασία δωματίου και τείνουν να μετατραπούν σε β φάση κάτω από συγκεκριμένες θερμικές συνθήκες. Ως εκ τούτου, η ανάπτυξη συσκευών που βασίζονται σε β-Ga2O3 έχει γίνει μια σημαντική εστίαση στον τομέα των ηλεκτρονικών ισχύος τα τελευταία χρόνια.
Πίνακας 1 Σύγκριση ορισμένων παραμέτρων υλικού ημιαγωγών
Η κρυσταλλική δομή του μονοκλινικού β-Ga2O3 φαίνεται στον Πίνακα 1. Οι παράμετροι του πλέγματος περιλαμβάνουν a = 12,21 Α, b = 3,04 Α, c = 5,8 Α και β = 103,8°. Το κύτταρο μονάδας αποτελείται από άτομα Ga(I) με συνεστραμμένο τετραεδρικό συντονισμό και άτομα Ga(II) με οκταεδρικό συντονισμό. Υπάρχουν τρεις διαφορετικές διευθετήσεις ατόμων οξυγόνου στη «συστραμμένη κυβική» διάταξη, συμπεριλαμβανομένων δύο τριγωνικά συντονισμένων ατόμων Ο(Ι) και Ο(ΙΙ) και ενός τετραεδρικά συντονισμένου ατόμου Ο(ΙΙΙ). Ο συνδυασμός αυτών των δύο τύπων ατομικού συντονισμού οδηγεί στην ανισοτροπία του β-Ga2O3 με ειδικές ιδιότητες στη φυσική, τη χημική διάβρωση, την οπτική και την ηλεκτρονική.
Σχήμα 1 Σχηματικό δομικό διάγραμμα μονοκλινικού κρυστάλλου β-Ga2O3
Από την άποψη της θεωρίας της ενεργειακής ζώνης, η ελάχιστη τιμή της ζώνης αγωγιμότητας του β-Ga2O3 προέρχεται από την ενεργειακή κατάσταση που αντιστοιχεί στην υβριδική τροχιά 4s0 του ατόμου Ga. Μετράται η διαφορά ενέργειας μεταξύ της ελάχιστης τιμής της ζώνης αγωγιμότητας και του επιπέδου ενέργειας κενού (ενέργεια συγγένειας ηλεκτρονίων). είναι 4 eV. Η αποτελεσματική μάζα ηλεκτρονίων του β-Ga2O3 μετριέται ως 0,28–0,33 me και η ευνοϊκή ηλεκτρονική αγωγιμότητά του. Ωστόσο, το μέγιστο της ζώνης σθένους εμφανίζει μια ρηχή καμπύλη Ek με πολύ χαμηλή καμπυλότητα και έντονα εντοπισμένα τροχιακά O2p, υποδηλώνοντας ότι οι οπές είναι βαθιά εντοπισμένες. Αυτά τα χαρακτηριστικά αποτελούν τεράστια πρόκληση για την επίτευξη ντόπινγκ τύπου p στο β-Ga2O3. Ακόμα κι αν μπορεί να επιτευχθεί ντόπινγκ τύπου P, η τρύπα μ παραμένει σε πολύ χαμηλό επίπεδο. 2. Ανάπτυξη χύδην μονοκρυστάλλου οξειδίου του γαλλίου Μέχρι στιγμής, η μέθοδος ανάπτυξης του υποστρώματος β-Ga2O3 χύδην μονοκρυστάλλου είναι κυρίως μέθοδος έλξης κρυστάλλων, όπως η μέθοδος τροφοδοσίας με λεπτή μεμβράνη Czochralski (CZ), καθορισμένη από άκρη σε άκρη (Edge -Defined film-fed , EFG), Bridgman (ττικό ή οριζόντιο Bridgman, HB ή VB) και πλωτή ζώνη τεχνολογία (πλωτή ζώνη, FZ). Μεταξύ όλων των μεθόδων, οι μέθοδοι τροφοδοσίας λεπτής μεμβράνης Czochralski και καθορισμένων άκρων αναμένεται να είναι οι πιο ελπιδοφόρες οδοί για τη μαζική παραγωγή βαφών β-Ga 2O3 στο μέλλον, καθώς μπορούν ταυτόχρονα να επιτύχουν μεγάλους όγκους και χαμηλές πυκνότητες ελαττωμάτων. Μέχρι τώρα, η ιαπωνική Novel Crystal Technology έχει υλοποιήσει μια εμπορική μήτρα για ανάπτυξη τήγματος β-Ga2O3.
1.1 Μέθοδος Czochralski
Η αρχή της μεθόδου Czochralski είναι ότι η στρώση του σπόρου πρώτα καλύπτεται και στη συνέχεια ο μονοκρύσταλλος αφαιρείται αργά από το τήγμα. Η μέθοδος Czochralski είναι ολοένα και πιο σημαντική για το β-Ga2O3 λόγω της οικονομικής αποδοτικότητάς της, των δυνατοτήτων μεγάλου μεγέθους και της ανάπτυξης υποστρώματος υψηλής ποιότητας κρυστάλλου. Ωστόσο, λόγω της θερμικής καταπόνησης κατά την ανάπτυξη του Ga2O3 σε υψηλή θερμοκρασία, θα προκύψει εξάτμιση μονοκρυστάλλων, λιωμένων υλικών και ζημιά στο χωνευτήριο Ir. Αυτό είναι αποτέλεσμα της δυσκολίας επίτευξης ντόπινγκ χαμηλού τύπου n στο Ga2O3. Η εισαγωγή κατάλληλης ποσότητας οξυγόνου στην ατμόσφαιρα ανάπτυξης είναι ένας τρόπος για να λυθεί αυτό το πρόβλημα. Μέσω της βελτιστοποίησης, το β-Ga2O3 2 ιντσών υψηλής ποιότητας με εύρος συγκέντρωσης ελεύθερων ηλεκτρονίων 10^16~10^19 cm-3 και μέγιστη πυκνότητα ηλεκτρονίων 160 cm2/Vs έχει αναπτυχθεί επιτυχώς με τη μέθοδο Czochralski.
Σχήμα 2 Ενιαίος κρύσταλλος β-Ga2O3 που αναπτύχθηκε με τη μέθοδο Czochralski
1.2 Μέθοδος τροφοδοσίας μεμβράνης καθορισμένη από την άκρη
Η μέθοδος τροφοδοσίας λεπτής μεμβράνης που ορίζεται στην άκρη θεωρείται ότι είναι ο κύριος υποψήφιος για την εμπορική παραγωγή μονοκρυσταλλικών υλικών Ga2O3 μεγάλης περιοχής. Η αρχή αυτής της μεθόδου είναι η τοποθέτηση του τήγματος σε ένα καλούπι με τριχοειδή σχισμή και το τήγμα ανεβαίνει στο καλούπι μέσω τριχοειδούς δράσης. Στην κορυφή, σχηματίζεται μια λεπτή μεμβράνη και απλώνεται προς όλες τις κατευθύνσεις ενώ προκαλείται να κρυσταλλωθεί από τον κρύσταλλο των σπόρων. Επιπλέον, οι άκρες της κορυφής του καλουπιού μπορούν να ελεγχθούν ώστε να παράγουν κρυστάλλους σε νιφάδες, σωλήνες ή οποιαδήποτε επιθυμητή γεωμετρία. Η καθορισμένη από τις άκρες μέθοδος τροφοδοσίας λεπτής μεμβράνης του Ga2O3 παρέχει γρήγορους ρυθμούς ανάπτυξης και μεγάλες διαμέτρους. Το σχήμα 3 δείχνει ένα διάγραμμα ενός β-Ga2O3 μονού κρυστάλλου. Επιπλέον, όσον αφορά την κλίμακα μεγέθους, έχουν εμπορευματοποιηθεί υποστρώματα β-Ga2O3 2 ιντσών και 4 ιντσών με εξαιρετική διαφάνεια και ομοιομορφία, ενώ το υπόστρωμα των 6 ιντσών επιδεικνύεται σε έρευνες για μελλοντική εμπορευματοποίηση. Πρόσφατα, μεγάλα κυκλικά μονοκρυσταλλικά χύδην υλικά έχουν επίσης γίνει διαθέσιμα με (−201) προσανατολισμό. Επιπλέον, η μέθοδος τροφοδοσίας μεμβράνης που ορίζεται από τα άκρα β-Ga2O3 προάγει επίσης το ντόπινγκ μεταλλικών στοιχείων μετάπτωσης, καθιστώντας δυνατή την έρευνα και την προετοιμασία του Ga2O3.
Σχήμα 3 β-Ga2O3 μονοκρύσταλλος που αναπτύσσεται με μέθοδο τροφοδοσίας μεμβράνης καθορισμένης άκρης
1.3 Μέθοδος Bridgeman
Στη μέθοδο Bridgeman, οι κρύσταλλοι σχηματίζονται σε ένα χωνευτήριο που μετακινείται σταδιακά μέσω μιας βαθμίδας θερμοκρασίας. Η διαδικασία μπορεί να εκτελεστεί σε οριζόντιο ή κατακόρυφο προσανατολισμό, συνήθως χρησιμοποιώντας ένα περιστρεφόμενο χωνευτήριο. Αξίζει να σημειωθεί ότι αυτή η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιεί κρυσταλλικούς σπόρους ή όχι. Οι παραδοσιακοί χειριστές Bridgman δεν έχουν άμεση οπτικοποίηση των διαδικασιών τήξης και ανάπτυξης κρυστάλλων και πρέπει να ελέγχουν τις θερμοκρασίες με υψηλή ακρίβεια. Η κάθετη μέθοδος Bridgman χρησιμοποιείται κυρίως για την ανάπτυξη του β-Ga2O3 και είναι γνωστή για την ικανότητά της να αναπτύσσεται σε ατμοσφαιρικό περιβάλλον. Κατά τη διαδικασία ανάπτυξης της κάθετης μεθόδου Bridgman, η συνολική απώλεια μάζας του τήγματος και του χωνευτηρίου διατηρείται κάτω από 1%, επιτρέποντας την ανάπτυξη μεγάλων μονοκρυστάλλων β-Ga2O3 με ελάχιστη απώλεια.
Σχήμα 4 Ενιαίος κρύσταλλος β-Ga2O3 που αναπτύχθηκε με τη μέθοδο Bridgeman
1.4 Μέθοδος αιωρούμενης ζώνης
Η μέθοδος της αιωρούμενης ζώνης επιλύει το πρόβλημα της μόλυνσης των κρυστάλλων από υλικά χωνευτηρίου και μειώνει το υψηλό κόστος που σχετίζεται με τα ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες υπέρυθρες χωνευτήρια. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας ανάπτυξης, το τήγμα μπορεί να θερμανθεί από μια λάμπα αντί για μια πηγή RF, απλοποιώντας έτσι τις απαιτήσεις για εξοπλισμό ανάπτυξης. Αν και το σχήμα και η ποιότητα των κρυστάλλων του β-Ga2O3 που αναπτύσσεται με τη μέθοδο της αιωρούμενης ζώνης δεν είναι ακόμη βέλτιστα, αυτή η μέθοδος ανοίγει μια πολλά υποσχόμενη μέθοδο για την ανάπτυξη του β-Ga2O3 υψηλής καθαρότητας σε μονοκρυστάλλους φιλικούς προς τον προϋπολογισμό.
Σχήμα 5 β-Ga2O3 μονοκρύσταλλος που αναπτύσσεται με τη μέθοδο της αιωρούμενης ζώνης.
Ώρα δημοσίευσης: 30 Μαΐου 2024