Larĝa bendinterspaco (WBG) duonkonduktaĵoj reprezentitaj per siliciokarbido (SiC) kaj galiumnitruro (GaN) ricevis ĝeneraligitan atenton. Homoj havas altajn atendojn pri la aplikaj perspektivoj de siliciokarbido en elektraj veturiloj kaj elektraj retoj, same kiel la aplikaj perspektivoj de galiumnitruro en rapida ŝargado. En la lastaj jaroj, esplorado pri Ga2O3, AlN kaj diamantaj materialoj faris signifan progreson, igante ultra-larĝajn bendajn duonkonduktajn materialojn la fokuso de atento. Inter ili, galiumoksido (Ga2O3) estas emerĝanta ultra-larĝ-bendinterspaca duonkondukta materialo kun bendinterspaco de 4.8 eV, teoria kritika kolapso-kampa forto de proksimume 8 MV cm-1, saturiĝa rapideco de proksimume 2E7cm s-1, kaj alta kvalita faktoro de Baliga de 3000, ricevante vastan atenton en la kampo de alta tensio kaj altfrekvenca potenco. elektroniko.
1. Karakterizaĵoj de materialo de Galio-oksido
Ga2O3 havas grandan bendinterspacon (4.8 eV), estas atendita atingi kaj altan eltenan tension kaj altan potencokapablojn, kaj povas havi la potencialon por alttensia adaptebleco ĉe relative malalta rezisto, igante ilin la fokuso de nuna esplorado. Krome, Ga2O3 ne nur havas bonegajn materialajn proprietojn, sed ankaŭ provizas diversajn facile alĝustigeblajn n-tipajn dopaj teknologiojn, kaj ankaŭ malmultekostajn substratajn kreskojn kaj epitaksiajn teknologiojn. Ĝis nun, kvin malsamaj kristalaj fazoj estis malkovritaj en Ga2O3, inkluzive de korundo (α), monokliniko (β), difekta spinelo (γ), kuba (δ) kaj ortorrombaj (ɛ) fazoj. Termodinamikaj stabilecoj estas, en ordo, γ, δ, α, ɛ, kaj β. Indas noti, ke monoklina β-Ga2O3 estas la plej stabila, precipe ĉe altaj temperaturoj, dum aliaj fazoj estas metastabilaj super ĉambra temperaturo kaj tendencas transformi en la β-fazon sub specifaj termikaj kondiĉoj. Tial, la evoluo de β-Ga2O3-bazitaj aparatoj fariĝis grava fokuso en la kampo de potenca elektroniko en la lastaj jaroj.
Tabelo 1 Komparo de kelkaj semikonduktaĵmaterialaj parametroj
La kristala strukturo de monoclinicβ-Ga2O3 estas montrita en Tabelo 1. Ĝiaj kradaj parametroj inkluzivas a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, kaj β = 103.8°. La unuoĉelo konsistas el Ga (I) atomoj kun tordita kvaredra kunordigo kaj Ga (II) atomoj kun okedra kunordigo. Ekzistas tri malsamaj aranĝoj de oksigenatomoj en la "tordita kuba" aro, inkluzive de du triangula kunordigitaj O (I) kaj O (II) atomoj kaj unu kvaredre kunordigita O (III) atomo. La kombinaĵo de ĉi tiuj du specoj de atomkunordigo kondukas al la anizotropeco de β-Ga2O3 kun specialaj trajtoj en fiziko, kemia korodo, optiko kaj elektroniko.
Figuro 1 Skema struktura diagramo de monoklinika β-Ga2O3-kristalo
De la perspektivo de energibanda teorio, la minimuma valoro de la kondukta bendo de β-Ga2O3 estas derivita de la energistato egalrilatanta al la 4s0 hibrida orbito de la Ga-atomo. La energidiferenco inter la minimuma valoro de la kondukta bendo kaj la vakua energinivelo (elektrona afineca energio) estas mezurita. estas 4 eV. La efika elektrona maso de β-Ga2O3 estas mezurita kiel 0,28–0,33 me kaj ĝia favora elektronika kondukteco. Tamen, la valentbendo maksimumo elmontras malprofundan Ek-kurbon kun tre malalta kurbeco kaj forte lokalizitaj O2p-orbitaloj, sugestante ke la truoj estas profunde lokalizitaj. Ĉi tiuj karakterizaĵoj prezentas grandegan defion atingi p-tipan dopadon en β-Ga2O3. Eĉ se P-speca dopado povas esti atingita, la truo μ restas sur tre malalta nivelo. 2. Kresko de pogranda galiumoksido unukristala Ĝis nun, la kreskmetodo de β-Ga2O3 pogranda ununura kristala substrato estas ĉefe kristala tira metodo, kiel ekzemple Czochralski (CZ), rand-difinita maldika filmo nutra metodo (Edge -Defined filmo-fed). , EFG), Bridgman (rtical aŭ horizontala Bridgman, HB aŭ VB) kaj flosanta zono (floating zone, FZ) teknologio. Inter ĉiuj metodoj, Czochralski kaj rand-difinitaj maldikfilmaj nutraj metodoj estas atenditaj esti la plej esperigaj vojoj por amasproduktado de β-Ga 2O3-oblatoj en la estonteco, ĉar ili povas samtempe atingi grandajn volumojn kaj malaltajn difektajn densecojn. Ĝis nun, la Nova Kristala Teknologio de Japanio realigis komercan matricon por degelkresko β-Ga2O3.
1.1 Czochralski-metodo
La principo de Czochralski-metodo estas, ke la semtavolo unue estas kovrita, kaj tiam la ununura kristalo estas malrapide eltirita el la fandado. La Czochralski-metodo estas ĉiam pli grava por β-Ga2O3 pro sia kostefikeco, grandgrandaj kapabloj kaj alta kristalkvalita substratkresko. Tamen, pro termika streso dum la alt-temperatura kresko de Ga2O3, okazos vaporiĝo de unukristaloj, degelmaterialoj, kaj damaĝo al la Ir-krindulo. Ĉi tio estas rezulto de la malfacileco atingi malaltan n-tipan dopadon en Ga2O3. Enkonduki taŭgan kvanton da oksigeno en la kreskatmosferon estas unu maniero solvi ĉi tiun problemon. Per optimumigo, altkvalita 2-cola β-Ga2O3 kun libera elektrona koncentriĝintervalo de 10^16~10^19 cm-3 kaj maksimuma elektrona denseco de 160 cm2/Vs estis sukcese kreskigita per la Czochralski-metodo.
Figuro 2 Ununura kristalo de β-Ga2O3 kreskigita per Czochralski-metodo
1.2 Rando-difinita filmo nutra metodo
La rand-difinita maldika filmo nutra metodo estas konsiderata kiel la ĉefa defianto por la komerca produktado de granda areo Ga2O3 unukristalaj materialoj. La principo de ĉi tiu metodo estas meti la fandadon en ŝimon kun kapilara fendo, kaj la fandado altiĝas al la ŝimo per kapilara ago. Ĉe la supro, maldika filmo formiĝas kaj disvastiĝas en ĉiuj direktoj estante persvadita kristaliĝi per la semkristalo. Plie, la randoj de la ŝimo-supro povas esti kontrolitaj por produkti kristalojn en flokoj, tuboj aŭ ajna dezirata geometrio. La rand-difinita maldika filmo nutra metodo de Ga2O3 provizas rapidajn kreskorapidecojn kaj grandajn diametrojn. Figuro 3 montras diagramon de β-Ga2O3 ununura kristalo. Krome, laŭ grandecskalo, 2-cola kaj 4-cola β-Ga2O3-substratoj kun bonega travidebleco kaj unuformeco estis komercigitaj, dum la 6-cola substrato estas pruvita en esplorado por estonta komercigo. Lastatempe, grandaj cirklaj unu-kristalaj grocaj materialoj ankaŭ fariĝis haveblaj kun (−201) orientiĝo. Krome, la β-Ga2O3 rand-difinita filmo nutra metodo ankaŭ antaŭenigas la dopadon de transirmetalaj elementoj, ebligante la esploradon kaj preparadon de Ga2O3.
Figuro 3 β-Ga2O3 ununura kristalo kreskigita per rand-difinita filma nutra metodo
1.3 Bridgeman-metodo
En la Bridgeman-metodo, kristaloj estas formitaj en fandujo kiu estas iom post iom movita tra temperaturgradiento. La procezo povas esti farita en horizontala aŭ vertikala orientiĝo, kutime uzante rotacian fandujon. Indas noti, ke ĉi tiu metodo povas aŭ ne uzi kristalajn semojn. Al Tradiciaj Bridgman-funkciigistoj mankas rekta bildigo de la fandantaj kaj kristalaj kreskoprocezoj kaj devas kontroli temperaturojn kun alta precizeco. La vertikala Bridgman-metodo estas plejparte uzita por la kresko de β-Ga2O3 kaj estas konata pro sia kapablo kreski en aermedio. Dum la vertikala Bridgman-metoda kreskoprocezo, la totala masperdo de la fandado kaj fandujo estas konservita sub 1%, ebligante la kreskon de grandaj β-Ga2O3 ununuraj kristaloj kun minimuma perdo.
Figuro 4 Ununura kristalo de β-Ga2O3 kreskigita per Bridgeman-metodo
1.4 Metodo de flosanta zono
La metodo de flosanta zono solvas la problemon de kristala poluado per fandujmaterialoj kaj reduktas la altajn kostojn asociitajn kun alttemperaturaj rezistemaj transruĝaj fanduloj. Dum tiu kreskoprocezo, la fandado povas esti varmigita per lampo prefere ol RF-fonto, tiel simpligante la postulojn por kreskekipaĵo. Kvankam la formo kaj kristala kvalito de β-Ga2O3 kreskigita per la ŝveba zonmetodo ankoraŭ ne estas optimumaj, ĉi tiu metodo malfermas esperigan metodon por kreskigi altpuran β-Ga2O3 en buĝetajn unukristalojn.
Figuro 5 β-Ga2O3 ununura kristalo kreskigita per la flosanta zonmetodo.
Afiŝtempo: majo-30-2024