Laialdast tähelepanu on pälvinud laia ribalaiusega (WBG) pooljuhid, mida esindavad ränikarbiid (SiC) ja galliumnitriid (GaN). Inimestel on suured ootused ränikarbiidi kasutusvõimaluste suhtes elektrisõidukites ja elektrivõrkudes, samuti galliumnitriidi kasutusvõimaluste suhtes kiirlaadimisel. Viimastel aastatel on Ga2O3, AlN ja teemantmaterjalide uurimine teinud märkimisväärseid edusamme, muutes tähelepanu keskpunktiks ülilaia ribalaiusega pooljuhtmaterjalid. Nende hulgas on galliumoksiid (Ga2O3) tekkiv ülilaia ribalaiusega pooljuhtmaterjal, mille ribavahemik on 4,8 eV, teoreetiline kriitiline läbilöögiväljatugevus umbes 8 MV cm-1, küllastuskiirus umbes 2E7 cm s-1, ja kõrge Baliga kvaliteeditegur 3000, pälvides laialdast tähelepanu kõrgepinge ja kõrgsagedusliku jõuelektroonika valdkonnas.
1. Galliumoksiidi materjali omadused
Ga2O3-l on suur ribalaius (4,8 eV), eeldatakse, et see saavutab nii kõrge vastupidavuse pinge kui ka suure võimsuse ning sellel võib olla potentsiaali kõrge pingega kohanemisvõimeks suhteliselt madala takistusega, muutes need praeguste uuringute keskmeks. Lisaks pole Ga2O3-l mitte ainult suurepärased materjaliomadused, vaid see pakub ka mitmesuguseid kergesti reguleeritavaid n-tüüpi dopingutehnoloogiaid, aga ka odavaid substraadi kasvatamise ja epitakseerimise tehnoloogiaid. Siiani on Ga2O3-s avastatud viis erinevat kristallifaasi, sealhulgas korund (α), monokliiniline (β), defektne spinell (γ), kuup (δ) ja ortorombiline (ɛ) faas. Termodünaamilised stabiilsused on järjekorras γ, δ, α, ɛ ja β. Väärib märkimist, et monokliiniline β-Ga2O3 on kõige stabiilsem, eriti kõrgetel temperatuuridel, samas kui teised faasid on toatemperatuurist kõrgemal metastabiilsed ja kalduvad teatud termilistes tingimustes muutuma β-faasiks. Seetõttu on β-Ga2O3-põhiste seadmete arendamine viimastel aastatel muutunud jõuelektroonika valdkonna põhifookuseks.
Tabel 1 Mõnede pooljuhtmaterjalide parameetrite võrdlus
Monokliinilise β-Ga2O3 kristallstruktuur on näidatud tabelis 1. Selle võre parameetrite hulka kuuluvad a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å ja β = 103,8°. Ühikrakk koosneb keerdunud tetraeedrilise koordinatsiooniga Ga(I) aatomitest ja oktaeedrilise koordinatsiooniga Ga(II) aatomitest. Keerutatud kuubikujulises massiivis on kolm erinevat hapnikuaatomite paigutust, sealhulgas kaks kolmnurkselt koordineeritud O(I) ja O(II) aatomit ning üks tetraeedriliselt koordineeritud O(III) aatom. Nende kahe aatomikoordinatsiooni tüübi kombinatsioon viib β-Ga2O3 anisotroopiani, millel on füüsikas, keemilises korrosioonis, optikas ja elektroonikas eriomadused.
Joonis 1 Monokliinilise β-Ga2O3 kristalli skemaatiline struktuurskeem
Energiaribade teooria seisukohalt tuletatakse β-Ga2O3 juhtivusriba minimaalne väärtus Ga aatomi 4s0 hübriidorbiidile vastavast energiaolekust. Mõõdetakse energiaerinevust juhtivusriba minimaalse väärtuse ja vaakumi energiataseme (elektronide afiinsusenergia) vahel. on 4 eV. β-Ga2O3 efektiivseks elektronimassiks on mõõdetud 0,28–0,33 me ja selle soodsat elektroonilist juhtivust. Valentsiriba maksimumil on aga madal Ek-kõver, millel on väga madal kõverus ja tugevalt lokaliseeritud O2p orbitaalid, mis viitab sellele, et augud on sügavalt lokaliseeritud. Need omadused kujutavad endast suurt väljakutset p-tüüpi dopingu saavutamiseks β-Ga2O3-s. Isegi kui P-tüüpi doping on saavutatav, jääb auk μ väga madalale tasemele. 2. Galliumoksiidi monokristallide massiline kasvatamine Siiani on β-Ga2O3 massiliste monokristallide substraadi kasvumeetodiks peamiselt kristallide tõmbamise meetod, näiteks Czochralski (CZ), servamääratletud õhukese kile söötmismeetod (Edge-Defined film-feed). , EFG), Bridgmani (rtical või horisontaalne Bridgman, HB või VB) ja ujuvtsooni (ujuv tsoon, FZ) tehnoloogia. Kõigist meetoditest eeldatakse, et Czochralski ja servaga määratletud õhukese kilega söötmismeetodid on tulevikus β-Ga 2O3 vahvlite masstootmise kõige lootustandvamad võimalused, kuna need võivad samaaegselt saavutada suuri mahtusid ja madalat defektide tihedust. Siiani on Jaapani uudne kristallitehnoloogia loonud kaubandusliku maatriksi β-Ga2O3 sulamise kasvatamiseks.
2.1 Czochralski meetod
Czochralski meetodi põhimõte seisneb selles, et esmalt kaetakse seemnekiht ja seejärel tõmmatakse monokristall aeglaselt sulatisest välja. Czochralski meetod on β-Ga2O3 jaoks üha olulisem tänu selle kulutõhususele, suurele suurusele ja kvaliteetsele substraadi kasvule. Kuid Ga2O3 kõrgel temperatuuril kasvamise ajal tekkiva termilise stressi tõttu tekivad üksikute kristallide, sulamismaterjalide aurustumine ja Ir-tiigli kahjustus. Selle põhjuseks on raskused Ga2O3 madala n-tüüpi dopingu saavutamisel. Sobiva koguse hapniku viimine kasvuatmosfääri on üks viis selle probleemi lahendamiseks. Optimeerimise kaudu on Czochralski meetodil edukalt kasvatatud kvaliteetset 2-tollist β-Ga2O3 vabade elektronide kontsentratsioonivahemikuga 10^16~10^19 cm-3 ja maksimaalse elektrontihedusega 160 cm2/Vs.
Joonis 2 Czochralski meetodil kasvatatud β-Ga2O3 monokristall
2.2 Servaga määratletud kile söötmismeetod
Servaga määratletud õhukese kile söötmismeetodit peetakse juhtivaks kandidaadiks suure pindalaga Ga2O3 monokristallmaterjalide kaubanduslikul tootmisel. Selle meetodi põhimõte seisneb selles, et sulatis asetatakse kapillaarpiluga vormi ja sulatis tõuseb kapillaartegevuse kaudu vormi. Ülaosas moodustub õhuke kile, mis levib kõikides suundades, samal ajal kui seemnekristall paneb selle kristalliseeruma. Lisaks saab vormi ülaosa servi reguleerida, et tekitada helveste, torude või mis tahes soovitud geomeetriaga kristalle. Ga2O3 servadega õhukese kile söötmismeetod tagab kiire kasvukiiruse ja suure läbimõõdu. Joonisel 3 on kujutatud β-Ga2O3 monokristalli diagramm. Lisaks on suuruse skaala osas turustatud suurepärase läbipaistvuse ja ühtlusega 2-tollised ja 4-tollised β-Ga2O3 substraate, samas kui 6-tollist substraati demonstreeritakse tulevase turustamise uuringutes. Hiljuti on saadaval ka suured ümmargused ühekristallilised puistematerjalid (-201) orientatsiooniga. Lisaks soodustab β-Ga2O3 servadega kile söötmismeetod ka siirdemetallide elementide dopingut, mis teeb võimalikuks Ga2O3 uurimise ja valmistamise.
Joonis 3 β-Ga2O3 monokristall, mis on kasvatatud servaga määratud kile söötmismeetodil
2.3 Bridgemani meetod
Bridgemani meetodi puhul moodustuvad kristallid tiiglis, mida liigutatakse järk-järgult läbi temperatuurigradiendi. Protsessi saab läbi viia horisontaalselt või vertikaalselt, kasutades tavaliselt pöörlevat tiigli. Väärib märkimist, et see meetod võib kasutada või mitte kasutada kristallide seemneid. Traditsioonilistel Bridgmani operaatoritel puudub sulamis- ja kristallide kasvuprotsesside otsene visualiseerimine ning nad peavad temperatuure suure täpsusega kontrollima. Vertikaalset Bridgmani meetodit kasutatakse peamiselt β-Ga2O3 kasvatamiseks ja see on tuntud oma võime poolest kasvada õhukeskkonnas. Vertikaalse Bridgmani meetodi kasvuprotsessi ajal hoitakse sulatise ja tiigli kogumassikadu alla 1%, võimaldades väikeste β-Ga2O3 monokristallide kasvu minimaalse kaoga.
Joonis 4 β-Ga2O3 üksikkristall, mis on kasvatatud Bridgemani meetodil
2.4 Ujuvtsooni meetod
Ujuvtsooni meetod lahendab kristallide saastumise probleemi tiigli materjalidega ja vähendab kõrgele temperatuurile vastupidavate infrapunatiiglitega seotud suuri kulusid. Selle kasvuprotsessi ajal saab sulandit kuumutada pigem lambi kui raadiosagedusliku allikaga, mis lihtsustab kasvuseadmetele esitatavaid nõudeid. Kuigi ujuvtsooni meetodil kasvatatud β-Ga2O3 kuju ja kristallide kvaliteet ei ole veel optimaalsed, avab see meetod paljulubava meetodi kõrge puhtusastmega β-Ga2O3 kasvatamiseks eelarvesõbralikeks üksikkristallideks.
Joonis 5 β-Ga2O3 monokristall, mis on kasvatatud ujuvtsooni meetodil.
Postitusaeg: 30. mai-2024