Los semiconductores de banda ancha (WBG) representados por carburo de silicio (SiC) y nitruro de galio (GaN) han recibido amplia atención. La gente tiene grandes expectativas sobre las perspectivas de aplicación del carburo de silicio en vehículos eléctricos y redes eléctricas, así como sobre las perspectivas de aplicación del nitruro de galio en la carga rápida. En los últimos años, la investigación sobre Ga2O3, AlN y materiales de diamante ha logrado avances significativos, lo que ha convertido a los materiales semiconductores de banda prohibida ultra ancha en el centro de atención. Entre ellos, el óxido de galio (Ga2O3) es un material semiconductor emergente de banda prohibida ultra ancha con una banda prohibida de 4,8 eV, una intensidad de campo de ruptura crítica teórica de aproximadamente 8 MV cm-1, una velocidad de saturación de aproximadamente 2E7 cm s-1, y un alto factor de calidad Baliga de 3000, recibiendo amplia atención en el campo de la electrónica de potencia de alto voltaje y alta frecuencia.
1. Características del material de óxido de galio.
Ga2O3 tiene una banda prohibida grande (4,8 eV), se espera que alcance un alto voltaje soportado y capacidades de alta potencia, y puede tener el potencial de adaptabilidad de alto voltaje con una resistencia relativamente baja, lo que los convierte en el foco de la investigación actual. Además, Ga2O3 no solo tiene excelentes propiedades materiales, sino que también proporciona una variedad de tecnologías de dopaje de tipo n fácilmente ajustables, así como tecnologías de epitaxia y crecimiento de sustratos de bajo costo. Hasta ahora, se han descubierto cinco fases cristalinas diferentes en Ga2O3, incluidas las fases de corindón (α), monoclínica (β), espinela defectuosa (γ), cúbica (δ) y ortorrómbica (ɛ). Las estabilidades termodinámicas son, en orden, γ, δ, α, ɛ y β. Vale la pena señalar que el β-Ga2O3 monoclínico es el más estable, especialmente a altas temperaturas, mientras que otras fases son metaestables por encima de la temperatura ambiente y tienden a transformarse en la fase β en condiciones térmicas específicas. Por lo tanto, el desarrollo de dispositivos basados en β-Ga2O3 se ha convertido en un foco importante en el campo de la electrónica de potencia en los últimos años.
Tabla 1 Comparación de algunos parámetros de materiales semiconductores
La estructura cristalina del β-Ga2O3 monoclínico se muestra en la Tabla 1. Sus parámetros de red incluyen a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å y β = 103,8 °. La celda unitaria consta de átomos de Ga (I) con coordinación tetraédrica retorcida y átomos de Ga (II) con coordinación octaédrica. Hay tres disposiciones diferentes de átomos de oxígeno en la matriz "cúbica retorcida", incluidos dos átomos de O (I) y O (II) coordinados triangularmente y un átomo de O (III) coordinado tetraédricamente. La combinación de estos dos tipos de coordinación atómica conduce a la anisotropía del β-Ga2O3 con propiedades especiales en física, corrosión química, óptica y electrónica.
Figura 1 Diagrama estructural esquemático del cristal monoclínico de β-Ga2O3.
Desde la perspectiva de la teoría de bandas de energía, el valor mínimo de la banda de conducción de β-Ga2O3 se deriva del estado de energía correspondiente a la órbita híbrida 4s0 del átomo de Ga. Se mide la diferencia de energía entre el valor mínimo de la banda de conducción y el nivel de energía del vacío (energía de afinidad electrónica). es de 4 eV. La masa electrónica efectiva del β-Ga2O3 se mide entre 0,28 y 0,33 me y su conductividad electrónica favorable. Sin embargo, el máximo de la banda de valencia exhibe una curva Ek poco profunda con una curvatura muy baja y orbitales O2p fuertemente localizados, lo que sugiere que los agujeros están profundamente localizados. Estas características plantean un gran desafío para lograr el dopaje tipo p en β-Ga2O3. Incluso si se puede lograr un dopaje de tipo P, el agujero μ permanece en un nivel muy bajo. 2. Crecimiento de monocristal a granel de óxido de galio Hasta ahora, el método de crecimiento del sustrato monocristalino a granel de β-Ga2O3 es principalmente el método de extracción de cristales, como Czochralski (CZ), método de alimentación de película delgada con bordes definidos (alimentado con película definida por bordes). , EFG), tecnología Bridgman (Bridgman vertical u horizontal, HB o VB) y zona flotante (zona flotante, FZ). Entre todos los métodos, se espera que Czochralski y los métodos de alimentación de película delgada con bordes definidos sean las vías más prometedoras para la producción en masa de obleas de β-Ga 2O3 en el futuro, ya que pueden lograr simultáneamente grandes volúmenes y bajas densidades de defectos. Hasta ahora, Novel Crystal Technology de Japón ha creado una matriz comercial para el crecimiento de la masa fundida β-Ga2O3.
1.1 Método Czochralski
El principio del método Czochralski es que primero se cubre la capa de semilla y luego se extrae lentamente el monocristal de la masa fundida. El método Czochralski es cada vez más importante para el β-Ga2O3 debido a su rentabilidad, capacidades de gran tamaño y crecimiento de sustrato de alta calidad cristalina. Sin embargo, debido al estrés térmico durante el crecimiento a alta temperatura de Ga2O3, se producirá la evaporación de monocristales, materiales fundidos y daños al crisol de Ir. Esto es el resultado de la dificultad para lograr un bajo dopaje de tipo n en Ga2O3. Introducir una cantidad adecuada de oxígeno en la atmósfera de crecimiento es una forma de resolver este problema. Mediante la optimización, mediante el método Czochralski se ha cultivado con éxito β-Ga2O3 de 2 pulgadas de alta calidad con un rango de concentración de electrones libres de 10^16~10^19 cm-3 y una densidad electrónica máxima de 160 cm2/Vs.
Figura 2 Monocristal de β-Ga2O3 cultivado mediante el método Czochralski
1.2 Método de alimentación de película con bordes definidos
El método de alimentación de película delgada de borde definido se considera el principal candidato para la producción comercial de materiales monocristalinos de Ga2O3 de gran superficie. El principio de este método es colocar la masa fundida en un molde con una hendidura capilar y la masa fundida sube al molde mediante acción capilar. En la parte superior, se forma una película delgada que se extiende en todas direcciones mientras el cristal semilla la induce a cristalizar. Además, los bordes de la parte superior del molde se pueden controlar para producir cristales en escamas, tubos o cualquier geometría deseada. El método de alimentación de película delgada de borde definido de Ga2O3 proporciona tasas de crecimiento rápidas y diámetros grandes. La Figura 3 muestra un diagrama de un monocristal de β-Ga2O3. Además, en términos de escala de tamaño, se han comercializado sustratos de β-Ga2O3 de 2 y 4 pulgadas con excelente transparencia y uniformidad, mientras que el sustrato de 6 pulgadas se demuestra en investigaciones para su futura comercialización. Recientemente, también están disponibles grandes materiales circulares monocristalinos a granel con orientación (-201). Además, el método de alimentación de película de borde definido de β-Ga2O3 también promueve el dopaje de elementos de metales de transición, lo que hace posible la investigación y preparación de Ga2O3.
Figura 3 Monocristal de β-Ga2O3 cultivado mediante el método de alimentación de película de borde definido
1.3 Método Bridgeman
En el método Bridgeman, los cristales se forman en un crisol que se mueve gradualmente a través de un gradiente de temperatura. El proceso se puede realizar en orientación horizontal o vertical, normalmente utilizando un crisol giratorio. Vale la pena señalar que este método puede utilizar o no semillas de cristal. Los operadores tradicionales de Bridgman carecen de visualización directa de los procesos de fusión y crecimiento de cristales y deben controlar las temperaturas con alta precisión. El método Bridgman vertical se utiliza principalmente para el crecimiento de β-Ga2O3 y es conocido por su capacidad para crecer en un ambiente aéreo. Durante el proceso de crecimiento vertical del método Bridgman, la pérdida de masa total de la masa fundida y el crisol se mantiene por debajo del 1 %, lo que permite el crecimiento de monocristales grandes de β-Ga2O3 con una pérdida mínima.
Figura 4 Monocristal de β-Ga2O3 cultivado mediante el método Bridgeman
1.4 Método de zona flotante
El método de zona flotante resuelve el problema de la contaminación de cristales por materiales de crisol y reduce los altos costos asociados con los crisoles infrarrojos resistentes a altas temperaturas. Durante este proceso de crecimiento, la masa fundida se puede calentar mediante una lámpara en lugar de una fuente de RF, simplificando así los requisitos de los equipos de crecimiento. Aunque la forma y la calidad del cristal del β-Ga2O3 cultivado mediante el método de zona flotante aún no son óptimas, este método abre un método prometedor para cultivar β-Ga2O3 de alta pureza en monocristales económicos.
Figura 5 Monocristal de β-Ga2O3 cultivado mediante el método de zona flotante.
Hora de publicación: 30 de mayo de 2024