Wide bandgap (WBG) puolijohteet, joita edustavat piikarbidi (SiC) ja galliumnitridi (GaN), ovat saaneet laajaa huomiota. Ihmisillä on korkeat odotukset piikarbidin käyttömahdollisuuksista sähköajoneuvoissa ja sähköverkoissa sekä galliumnitridin käyttömahdollisuuksista pikalatauksessa. Viime vuosina Ga2O3-, AlN- ja timanttimateriaalien tutkimus on edistynyt merkittävästi, ja erittäin laajakaistaiset puolijohdemateriaalit ovat huomion kohteena. Niiden joukossa galliumoksidi (Ga2O3) on esiin nouseva erittäin laajakaistainen puolijohdemateriaali, jonka kaistaväli on 4,8 eV, teoreettinen kriittinen läpilyöntikentän voimakkuus noin 8 MV cm-1, kyllästysnopeus noin 2E7 cm s-1, ja korkea Baligan laatukerroin 3000, joka saa laajaa huomiota korkean jännitteen ja korkean taajuustehoelektroniikka.
1. Galliumoksidimateriaalin ominaisuudet
Ga2O3:lla on suuri kaistaväli (4,8 eV), sen odotetaan saavuttavan sekä korkean jännitteenkeston että suuren tehon, ja sillä voi olla potentiaalia korkeaan jännitteeseen sopeutumiseen suhteellisen pienellä resistanssilla, mikä tekee niistä nykyisen tutkimuksen painopisteen. Lisäksi Ga2O3:lla ei ole vain erinomaisia materiaaliominaisuuksia, vaan se tarjoaa myös erilaisia helposti säädettäviä n-tyypin seostustekniikoita sekä edullisia substraatin kasvu- ja epitaksitekniikoita. Tähän mennessä Ga2O3:sta on löydetty viisi erilaista kidefaasia, mukaan lukien korundi (α), monokliininen (β), viallinen spinelli (γ), kuutio (δ) ja ortorombinen (ɛ) faasi. Termodynaamiset stabiilisuudet ovat järjestyksessä γ, δ, α, ɛ ja β. On syytä huomata, että monokliininen β-Ga2O3 on stabiilin, erityisesti korkeissa lämpötiloissa, kun taas muut faasit ovat metastabiileja huoneenlämpötilan yläpuolella ja niillä on taipumus muuttua β-faasiksi tietyissä lämpöolosuhteissa. Siksi β-Ga2O3-pohjaisten laitteiden kehittämisestä on tullut viime vuosina pääpaino tehoelektroniikan alalla.
Taulukko 1 Joidenkin puolijohdemateriaaliparametrien vertailu
Monokliinisen β-Ga203:n kiderakenne on esitetty taulukossa 1. Sen hilaparametreja ovat a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å ja β = 103,8°. Yksikkösolu koostuu Ga(I)-atomeista, joissa on kierretty tetraedrikoordinaatio, ja Ga(II)-atomeista, joilla on oktaedrikoordinaatio. "Twisted cubic" -ryhmässä on kolme erilaista happiatomien järjestelyä, mukaan lukien kaksi kolmiomaisesti koordinoitua O(I)- ja O(II)-atomia ja yksi tetraedrisesti koordinoitu O(III)-atomi. Näiden kahden atomikoordinoinnin yhdistelmä johtaa β-Ga2O3:n anisotropiaan, jolla on erityisiä ominaisuuksia fysiikassa, kemiallisessa korroosiossa, optiikassa ja elektroniikassa.
Kuva 1 Monokliinisen β-Ga2O3-kiteen kaavamainen rakennekaavio
Energiakaistateorian näkökulmasta β-Ga2O3:n johtavuuskaistan minimiarvo johdetaan Ga-atomin 4s0 hybridirataa vastaavasta energiatilasta. Johtavuuskaistan minimiarvon ja tyhjiön energiatason (elektroniaffiniteettienergia) välinen energiaero mitataan. on 4 eV. β-Ga2O3:n tehollinen elektronimassa on 0,28–0,33 me ja sen suotuisa elektronijohtavuus. Valenssikaistan maksimi osoittaa kuitenkin matalan Ek-käyrän, jolla on erittäin pieni kaarevuus ja vahvasti lokalisoidut O2p-orbitaalit, mikä viittaa siihen, että reiät ovat syvästi paikallisia. Nämä ominaisuudet asettavat valtavan haasteen p-tyypin dopingin saavuttamiseksi β-Ga2O3:ssa. Vaikka P-tyyppinen doping voidaan saavuttaa, reikä μ pysyy erittäin alhaisella tasolla. 2. Galliumoksidin bulkkikiteen kasvu Toistaiseksi β-Ga2O3-bulkkikidesubstraatin kasvatusmenetelmä on pääasiassa kidevetomenetelmä, kuten Czochralski (CZ), reunamääritelty ohutkalvosyöttömenetelmä (Edge-Defined kalvosyötetty). , EFG), Bridgman (rtical tai vaaka Bridgman, HB tai VB) ja kelluva vyöhyke (kelluva vyöhyke, FZ) teknologiaa. Kaikista menetelmistä Czochralskin ja reunamääriteltyjen ohutkalvosyöttömenetelmien odotetaan olevan lupaavimmat mahdollisuudet β-Ga 2O3 -kiekkojen massatuotantoon tulevaisuudessa, koska niillä voidaan saavuttaa samanaikaisesti suuria määriä ja alhainen vikatiheys. Tähän asti Japanin uusi kristalliteknologia on toteuttanut kaupallisen matriisin sulan kasvulle β-Ga2O3.
1.1 Czochralskin menetelmä
Czochralskin menetelmän periaate on, että ensin peitetään siemenkerros, jonka jälkeen yksikide vedetään hitaasti ulos sulatuksesta. Czochralskin menetelmä on yhä tärkeämpi β-Ga2O3:lle sen kustannustehokkuuden, suurikokoisten ominaisuuksien ja korkealaatuisen substraatin kasvun vuoksi. Kuitenkin Ga2O3:n korkean lämpötilan kasvun aikana aiheutuvan lämpöjännityksen vuoksi yksittäiset kiteet, sulat materiaalit haihtuvat ja Ir-upokas vaurioituu. Tämä johtuu vaikeuksista saavuttaa alhaisen n-tyypin seostus Ga2O3:ssa. Sopivan määrän happea lisääminen kasvuilmakehään on yksi tapa ratkaista tämä ongelma. Optimoinnin avulla Czochralskin menetelmällä on onnistuttu kasvattamaan korkealaatuista 2 tuuman β-Ga2O3:a, jonka vapaiden elektronien pitoisuusalue on 10^16-10^19 cm-3 ja maksimielektronitiheys 160 cm2/Vs.
Kuva 2 Czochralskin menetelmällä kasvatettu β-Ga2O3:n yksikidekide
1.2 Reunamääritelty kalvonsyöttömenetelmä
Reunamääriteltyä ohutkalvosyöttömenetelmää pidetään johtavana kilpailijana laajan alueen Ga2O3-yksikidemateriaalien kaupallisessa tuotannossa. Tämän menetelmän periaate on, että sulate asetetaan muottiin, jossa on kapillaarirako, ja sula nousee muottiin kapillaaritoiminnan kautta. Yläosassa muodostuu ohut kalvo, joka leviää kaikkiin suuntiin samalla kun siemenkide saa sen kiteytymään. Lisäksi muotin yläosan reunoja voidaan ohjata kiteiden tuottamiseksi hiutaleiksi, putkiksi tai mihin tahansa haluttuun geometriaan. Ga2O3:n reunan määritelty ohutkalvosyöttömenetelmä tarjoaa nopeat kasvunopeudet ja suuret halkaisijat. Kuvio 3 esittää kaavion p-Ga203-yksikiteestä. Lisäksi koon mittakaavassa on kaupallistettu 2 tuuman ja 4 tuuman β-Ga2O3-substraatteja, joilla on erinomainen läpinäkyvyys ja tasaisuus, kun taas 6 tuuman substraattia on esitelty tutkimuksessa tulevaa kaupallistamista varten. Viime aikoina suuria pyöreitä yksikiteisiä bulkkimateriaaleja on tullut saataville myös (−201) -suuntauksella. Lisäksi β-Ga2O3 reunamääritelty kalvonsyöttömenetelmä edistää myös siirtymämetallielementtien seostusta, mikä mahdollistaa Ga2O3:n tutkimuksen ja valmistuksen.
Kuva 3 β-Ga2O3-yksikide, joka on kasvatettu reunamääritellyllä kalvonsyöttömenetelmällä
1.3 Bridgeman-menetelmä
Bridgeman-menetelmässä kiteet muodostuvat upokkaassa, jota siirretään asteittain lämpötilagradientin läpi. Prosessi voidaan suorittaa vaaka- tai pystysuunnassa, yleensä käyttämällä pyörivää upokasta. On syytä huomata, että tämä menetelmä voi käyttää tai ei saa käyttää kristallisiemeniä. Perinteisiltä Bridgman-operaattoreilta puuttuu suora visualisointi sulamis- ja kiteiden kasvuprosesseista, ja heidän on säädettävä lämpötiloja erittäin tarkasti. Vertikaalista Bridgman-menetelmää käytetään pääasiassa β-Ga2O3:n kasvattamiseen ja se tunnetaan kyvystään kasvaa ilmaympäristössä. Vertikaalisen Bridgman-menetelmän kasvuprosessin aikana sulatteen ja upokkaan kokonaismassahäviö pidetään alle 1 %:ssa, mikä mahdollistaa suurten β-Ga2O3-yksikiteiden kasvun minimaalisella häviöllä.
Kuva 4 Bridgeman-menetelmällä kasvatettu β-Ga2O3:n yksikidekide
1.4 Kelluva vyöhykemenetelmä
Kelluva vyöhykemenetelmä ratkaisee upokasmateriaalien aiheuttaman kidekontaminaation ongelman ja vähentää korkeita lämpötiloja kestäviin infrapunaupokkaisiin liittyviä korkeita kustannuksia. Tämän kasvuprosessin aikana sulatetta voidaan lämmittää lampulla RF-lähteen sijaan, mikä yksinkertaistaa kasvatuslaitteiden vaatimuksia. Vaikka kelluvan vyöhykkeen menetelmällä kasvatetun β-Ga2O3:n muoto ja kidelaatu eivät ole vielä optimaalisia, tämä menetelmä avaa lupaavan menetelmän erittäin puhtaan β-Ga2O3:n kasvattamiseen budjettiystävällisiksi yksittäiskiteiksi.
Kuva 5 β-Ga2O3 yksikide, joka on kasvatettu kelluva vyöhykemenetelmällä.
Postitusaika: 30.5.2024