Silizio karburoak (SiC) eta galio nitruroak (GaN) irudikatzen diren banda zabaleko (WBG) erdieroaleek arreta zabala jaso dute. Jendeak itxaropen handiak ditu ibilgailu elektrikoetan eta sare elektrikoetan silizio karburoa aplikatzeko aukerak, baita galio nitruroa karga azkarrean aplikatzeko aukerak ere. Azken urteotan, Ga2O3, AlN eta diamante materialei buruzko ikerketek aurrerapen garrantzitsuak egin dituzte, banda ultra-zabaleko material erdieroaleak arretaren ardatz bihurtuz. Horien artean, galio oxidoa (Ga2O3) sortzen ari den banda ultra-zabaleko material erdieroalea da, 4,8 eV-ko banda-hutsunea duena, 8 MV cm-1 inguruko matxura-eremu kritiko teorikoa, 2E7cm s-1 inguruko saturazio-abiadura duena, eta Baliga kalitate-faktore altua 3000, arreta zabala jasoz tentsio handiko eta maiztasun handiko potentziaren arloan elektronika.
1. Galio oxidoaren materialaren ezaugarriak
Ga2O3-k banda-hutsune handia du (4,8 eV), erresistentzia-tentsio handia eta potentzia handiko gaitasunak lortzea espero da, eta tentsio handiko moldagarritasun potentziala izan dezake erresistentzia baxu samarrean, egungo ikerketaren ardatz bihurtuz. Gainera, Ga2O3-k materialaren propietate bikainak izateaz gain, erraz doi daitezkeen n motako doping-teknologiak ere eskaintzen ditu, baita kostu baxuko substratuaren hazkuntza eta epitaxia teknologiak ere. Orain arte, bost kristal fase ezberdin aurkitu dira Ga2O3-n, korindoa (α), monoklinikoa (β), espinela akastuna (γ), kubikoa (δ) eta ortorrombikoa (ɛ) faseak barne. Egonkortasun termodinamikoak, hurrenez hurren, γ, δ, α, ɛ eta β dira. Azpimarratzekoa da β-Ga2O3 monoklinikoa egonkorrena dela, batez ere tenperatura altuetan, eta beste fase batzuk giro-tenperaturatik gora metaegonkorrak diren bitartean eta baldintza termiko zehatzetan β fasera eraldatzeko joera dute. Hori dela eta, β-Ga2O3-n oinarritutako gailuen garapena ardatz nagusi bihurtu da potentzia-elektronikaren alorrean azken urteotan.
1. taula Material erdieroale batzuen parametroen konparazioa
Monoklinikakoβ-Ga2O3-ren kristal-egitura 1. taulan ageri da. Bere sare-parametroen artean a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å eta β = 103,8° daude. Zelula unitatea koordinazio tetraedriko bihurritua duten Ga(I) atomoek eta koordinazio oktaedrikoa duten Ga(II) atomoek osatzen dute. Oxigeno-atomoen hiru antolamendu desberdin daude "bihurritutako kubiko" multzoan, triangeluarki koordinatutako O (I) eta O (II) atomo eta tetraedrikoki koordinatutako O (III) atomo bat barne. Bi koordinazio atomiko mota hauen konbinazioak β-Ga2O3ren anisotropia dakar fisikan, korrosio kimikoan, optikan eta elektronikan propietate bereziak dituena.
1. Irudia β-Ga2O3 kristal monoklinikoaren egitura-diagrama eskematikoa
Energia-banden teoriaren ikuspegitik, β-Ga2O3-ren eroankortasun-bandaren balio minimoa Ga atomoaren 4s0 orbita hibridoari dagokion energia-egoeratik ateratzen da. Eroapen-bandaren balio minimoaren eta hutsaren energia-mailaren (elektronien afinitate-energia) arteko energia-diferentzia neurtzen da. 4 eV da. β-Ga2O3-ren elektroi-masa eraginkorra 0,28-0,33 me neurtzen da eta bere eroankortasun elektroniko egokia. Hala ere, balentzia-banda maximoak sakonera txikiko Ek kurba bat erakusten du, oso kurbadura baxuarekin eta O2p orbital oso lokalizatuekin, zuloak sakonki lokalizatuta daudela iradokitzen duena. Ezaugarri hauek erronka handia dakar β-Ga2O3-n p motako dopina lortzeko. P motako dopina lor daitekeen arren, zuloa μ maila oso baxuan geratzen da. 2. Galio oxido soltearen kristal bakarreko hazkuntza Orain arte, β-Ga2O3 kristal bakarreko substratu soltearen hazkuntza metodoa batez ere kristalezko tiraketa metodoa da, hala nola Czochralski (CZ), ertzean definitutako film mehe elikatzeko metodoa (Edge -Defined film-fed , EFG), Bridgman (Bridgman rtical edo horizontala, HB edo VB) eta zona flotante (zona flotagarria, FZ) teknologia. Metodo guztien artean, Czochralski eta ertz-definitutako film meheko elikadura-metodoak etorkizunean β-Ga 2O3 obleen masa ekoizteko biderik itxaropentsuenak izatea espero da, aldi berean bolumen handiak eta akats-dentsitate baxuak lor ditzaketelako. Orain arte, Japoniako Kristal Teknologia Berriak β-Ga2O3 urtzeko hazkuntzarako matrize komertziala gauzatu du.
1.1 Czochralski metodoa
Czochralski metodoaren printzipioa da hazi-geruza lehenik estaltzen dela, eta gero kristal bakarra urtzetik poliki-poliki ateratzen dela. Czochralski metodoa gero eta garrantzitsuagoa da β-Ga2O3rentzat, bere kostu-eraginkortasunagatik, tamaina handiko gaitasunengatik eta kristal kalitate handiko substratuaren hazkundeagatik. Hala ere, Ga2O3-ren tenperatura altuko hazkuntzan dagoen estres termikoaren ondorioz, kristal bakarren, urtutako materialen lurrunketa eta Ir arragoa kaltetu egingo da. Ga2O3n n motako dopin baxua lortzeko zailtasunaren ondorioa da. Hazkuntza-atmosferan oxigeno kopuru egokia sartzea arazo hau konpontzeko modu bat da. Optimizazioaren bidez, Czochralski metodoaren bidez arrakastaz hazi da kalitate handiko 2 hazbeteko β-Ga2O3 10^16~10^19 cm-3-ko elektroi askeko kontzentrazio tartearekin eta 160 cm2/Vs-eko elektroi-dentsitate maximoarekin.
2. Irudia Czochralski metodoaren bidez hazitako β-Ga2O3-ren kristal bakarra
1.2 Ertz-definitutako pelikula elikatzeko metodoa
Ertz definitutako film mehe elikatzeko metodoa azalera handiko Ga2O3 kristal bakarreko materialak ekoizteko lehiakide nagusitzat hartzen da. Metodo honen printzipioa urtua kapilar zirrikitu bat duen molde batean jartzea da, eta urtua moldera igotzen da ekintza kapilarren bidez. Goialdean, film mehe bat eratzen da eta norabide guztietan hedatzen da haziaren kristalak kristalizatzen duen bitartean. Gainera, moldearen goiko ertzak kontrola daitezke kristalak malutetan, hodietan edo nahi den geometrian ekoizteko. Ga2O3-ren ertz-definitutako film mehe elikatzeko metodoak hazkunde-tasa azkarrak eta diametro handiak eskaintzen ditu. 3. irudiak β-Ga2O3 kristal bakar baten diagrama erakusten du. Horrez gain, tamaina-eskalari dagokionez, gardentasun eta uniformetasun bikaina duten 2 hazbeteko eta 4 hazbeteko β-Ga2O3 substratuak merkaturatu dira, eta 6 hazbeteko substratua etorkizunean merkaturatzeko ikerketetan frogatzen den bitartean. Berriki, kristal bakarreko material zirkular handiak ere eskuragarri egon dira (-201) orientazioarekin. Horrez gain, β-Ga2O3 ertzean definitutako pelikula elikatzeko metodoak trantsizio metalezko elementuen dopatzea ere sustatzen du, Ga2O3 ikerketa eta prestaketa posible eginez.
3. Irudia β-Ga2O3 kristal bakarreko ertz-definitutako film elikadura metodoaren bidez hazitakoa
1.3 Bridgeman metodoa
Bridgeman metodoan kristalak tenperatura-gradiente batean pixkanaka mugitzen den arrago batean sortzen dira. Prozesua orientazio horizontalean edo bertikalean egin daiteke, normalean biratzen den arragoa erabiliz. Azpimarratzekoa da metodo honek kristal haziak erabil ditzakeela edo ez. Bridgman-eko operadore tradizionalek ez dute urtze- eta kristal-hazkuntza-prozesuen bistaratzea zuzena eta zehaztasun handiz kontrolatu behar dituzte tenperaturak. Bridgman metodo bertikala batez ere β-Ga2O3 hazteko erabiltzen da eta ezaguna da aire-ingurunean hazteko duen gaitasunagatik. Bridgman metodoaren hazkuntza prozesu bertikalean, urtuaren eta arragoaren masa-galera osoa % 1etik behera mantentzen da, β-Ga2O3 kristal bakar handien hazkuntza ahalbidetuz, galera minimoarekin.
4. Irudia Bridgeman metodoaren bidez hazitako β-Ga2O3-ren kristal bakarra
1.4 Zona flotantearen metodoa
Zona flotantearen metodoak arragoa materialen kristalen kutsaduraren arazoa konpontzen du eta tenperatura altuko erresistentzia infragorrien arragoekin lotutako kostu handiak murrizten ditu. Hazkuntza-prozesu honetan, urtua lanpara baten bidez berotu daiteke, RF iturri bat baino, eta, horrela, hazkuntza-ekipoen baldintzak sinplifikatzen dira. Zona flotantearen metodoaren bidez hazitako β-Ga2O3-ren forma eta kristal-kalitatea oraindik optimoak ez diren arren, metodo honek purutasun handiko β-Ga2O3 kristal bakarrean hazteko metodo itxaropentsu bat irekitzen du.
5. Irudia β-Ga2O3 kristal bakarreko zona flotagarrien metodoaren bidez hazitakoa.
Argitalpenaren ordua: 2024-05-30