Wide bandgap (WBG) semiconductors fertsjintwurdige troch silisiumkarbid (SiC) en galliumnitride (GaN) hawwe wiidferspraat omtinken krigen. Minsken hawwe hege ferwachtingen foar de tapassingsperspektyf fan silisiumkarbid yn elektryske auto's en stroomnetten, lykas ek de tapassingsperspektyf fan galliumnitride yn snelle opladen. Yn 'e ôfrûne jierren hat ûndersyk nei Ga2O3, AlN en diamantmaterialen wichtige foarútgong makke, wêrtroch ultra-brede bandgap-halfgeleidermaterialen it fokus fan oandacht binne. Under harren, gallium okside (Ga2O3) is in opkommende ultra-wide-bandgap semiconductor materiaal mei in band gap fan 4.8 eV, in teoretyske krityske ôfbraak fjild sterkte fan likernôch 8 MV cm-1, in sêding snelheid fan likernôch 2E7cm s-1, en in hege Baliga kwaliteit faktor fan 3000, ûntfangt wiidferspraat omtinken op it mêd fan hege spanning en hege frekwinsje macht elektroanika.
1. Gallium okside materiaal skaaimerken
Ga2O3 hat in grutte band gap (4,8 eV), wurdt ferwachte te berikken sawol hege wjerstean spanning en hege macht mooglikheden, en kin hawwe it potinsjeel foar hege spanning oanpassingsfermogen by relatyf lege wjerstân, wêrtroch't se de fokus fan hjoeddeiske ûndersyk. Derneist hat Ga2O3 net allinich poerbêste materiaaleigenskippen, mar leveret ek in ferskaat oan maklik ferstelbere n-type dopingtechnologyen, lykas lege kosten substraatgroei en epitaksytechnologyen. Oant no binne fiif ferskillende kristalfazen ûntdutsen yn Ga2O3, wêrûnder korund (α), monoklinyske (β), defekte spinel (γ), kubyske (δ) en orthorhombyske (ɛ) fazen. Termodynamyske stabiliteiten binne, yn folchoarder, γ, δ, α, ɛ, en β. It is de muoite wurdich opskriuwen dat monoclinic β-Ga2O3 is de meast stabile, benammen by hege temperatueren, wylst oare fazen binne metastable boppe keamertemperatuer en tend to transformearje yn de β faze ûnder spesifike termyske omstannichheden. Dêrom is de ûntwikkeling fan β-Ga2O3-basearre apparaten de lêste jierren in grutte fokus wurden op it mêd fan machtelektronika.
Tabel 1 Ferliking fan guon semiconductor materiaal parameters
De kristalstruktuer fan monoklinyske β-Ga2O3 wurdt werjûn yn Tabel 1. Syn lattice parameters befetsje a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å, en β = 103,8 °. De ienheidsel bestiet út Ga(I)-atomen mei ferdraaide tetraëdryske koördinaasje en Ga(II)-atomen mei octaëdryske koördinaasje. D'r binne trije ferskillende arranzjeminten fan soerstofatomen yn 'e "twisted kubike" array, ynklusyf twa trijehoekich koördinearre O (I) en O (II) atomen en ien tetrahedrally koördinearre O (III) atoom. De kombinaasje fan dizze twa soarten atomêre koördinaasje liedt ta de anisotropy fan β-Ga2O3 mei spesjale eigenskippen yn natuerkunde, gemyske korrosysje, optyk en elektroanika.
Ofbylding 1 Skematysk struktureel diagram fan monoklinysk β-Ga2O3 kristal
Fanút it perspektyf fan enerzjybânteory is de minimale wearde fan 'e konduksjebân fan β-Ga2O3 ôflaat fan 'e enerzjystatus dy't oerienkomt mei de 4s0 hybride baan fan it Ga-atoom. It enerzjyferskil tusken de minimale wearde fan 'e konduksjebân en it fakuüm-enerzjynivo (elektronaffiniteitenerzjy) wurdt mjitten. is 4ev. De effektive elektroanenmassa fan β-Ga2O3 wurdt metten as 0,28–0,33 me en syn geunstige elektroanyske konduktiviteit. Lykwols, de valence band maksimum fertoant in ûndjippe Ek curve mei hiel lege curvature en sterk lokale O2p orbitalen, wat suggerearret dat de gatten binne djip lokalisearre. Dizze skaaimerken foarmje in enoarme útdaging om p-type doping te berikken yn β-Ga2O3. Sels as P-type doping kin wurde berikt, bliuwt it gat μ op in heul leech nivo. 2. Groei fan bulk gallium okside single crystal Oant no ta is de groei metoade fan β-Ga2O3 bulk single crystal substraat benammen kristal pulling metoade, lykas Czochralski (CZ), edge-definiearre tinne film feeding metoade (Edge -Defined film-fed) , EFG), Bridgman (rtical of horizontale Bridgman, HB of VB) en driuwende sône (driuwende sône, FZ) technology. Under alle metoaden wurde ferwachte dat Czochralski en râne-definieare tinne-film-fiedingmetoaden de meast kânsrike wegen wêze foar massaproduksje fan β-Ga 2O3-wafers yn 'e takomst, om't se tagelyk grutte folumes en lege defektdichtheden kinne berikke. Oant no ta hat Japan's Novel Crystal Technology in kommersjele matrix realisearre foar smeltgroei β-Ga2O3.
2.1 Czochralski metoade
It prinsipe fan Czochralski-metoade is dat de siedlaach earst bedekt wurdt, en dan wurdt it ienkristal stadichoan út 'e smelt lutsen. De Czochralski-metoade is hieltyd wichtiger foar β-Ga2O3 troch syn kosten-effektiviteit, grutte kapasiteiten, en substraatgroei fan hege kristalkwaliteit. Troch termyske stress tidens de hege temperatuergroei fan Ga2O3 sil lykwols ferdamping fan inkele kristallen, smeltmaterialen en skea oan 'e Ir-kroes foarkomme. Dit is in gefolch fan de muoite by it berikken fan lege n-type doping yn Ga2O3. It yntrodusearjen fan in passende hoemannichte soerstof yn 'e groeisfear is ien manier om dit probleem op te lossen. Troch optimisaasje is heechweardige 2-inch β-Ga2O3 mei in frije elektroanenkonsintraasjeberik fan 10 ^ 16 ~ 10 ^ 19 cm-3 en in maksimale elektroanentichtens fan 160 cm2 / Vs mei súkses groeid troch de Czochralski-metoade.
Figure 2 Single crystal fan β-Ga2O3 groeid troch Czochralski metoade
2.2 Edge-definiearre film feeding metoade
De râne-definiearre tinne film feeding metoade wurdt beskôge as de liedende konkurrint foar de kommersjele produksje fan grut-gebiet Ga2O3 single crystal materialen. It prinsipe fan dizze metoade is om de melt te pleatsen yn in skimmel mei in kapillêre slit, en de melt komt nei de skimmel troch kapillêre aksje. Oan 'e boppekant foarmje in tinne film en ferspriedt yn alle rjochtingen, wylst se troch it siedkristal oanwiisd wurde om te kristallisearjen. Derneist kinne de rânen fan 'e skimmeltop wurde regele om kristallen te produsearjen yn flakken, buizen, as elke winske mjitkunde. De râne-definiearre tinne film feeding metoade fan Ga2O3 soarget foar snelle groei tariven en grutte diameters. Figuer 3 toant in diagram fan in β-Ga2O3 single crystal. Derneist, yn termen fan grutte skaal, binne 2-inch en 4-inch β-Ga2O3-substraten mei poerbêste transparânsje en uniformiteit kommersjalisearre, wylst it 6-inch substraat wurdt oantoand yn ûndersyk foar takomstige kommersjalisaasje. Koartlyn binne grutte sirkulêre ienkristal bulkmaterialen ek beskikber wurden mei (-201) oriïntaasje. Dêrnjonken befoarderet de β-Ga2O3 râne-definieare filmfiedingmetoade ek de doping fan oergongsmetalen eleminten, wêrtroch it ûndersyk en tarieding fan Ga2O3 mooglik is.
Figuer 3 β-Ga2O3 single crystal groeid troch râne-definiearre film feeding metoade
2.3 Bridgeman metoade
Yn 'e Bridgeman-metoade wurde kristallen foarme yn in kroes dy't stadichoan troch in temperatuergradient ferpleatst wurdt. It proses kin wurde útfierd yn in horizontale of fertikale oriïntaasje, meastal mei help fan in draaiende kroes. It is de muoite wurdich op te merken dat dizze metoade kin of net brûke kristal sieden. Tradysjonele Bridgman-operators misse direkte fisualisaasje fan 'e smelt- en kristalgroeiprosessen en moatte temperatueren mei hege presyzje kontrolearje. De fertikale Bridgman-metoade wurdt benammen brûkt foar de groei fan β-Ga2O3 en is bekend om syn fermogen om te groeien yn in loftomjouwing. Tidens it fertikale groeiproses fan Bridgman-metoade wurdt it totale massaferlies fan 'e melt en kroes ûnder 1% hâlden, wat de groei fan grutte β-Ga2O3-ienkristallen mooglik makket mei minimaal ferlies.
Figure 4 Single crystal fan β-Ga2O3 groeid troch Bridgeman metoade
2.4 Floating sône metoade
De metoade foar driuwende sône lost it probleem op fan kristalfersmoarging troch kroesmaterialen en ferleget de hege kosten ferbûn mei hege temperatuerbestindige ynfraread kroesen. Tidens dit groeiproses kin de melt wurde ferwaarme troch in lampe ynstee fan in RF-boarne, wêrtroch de easken foar groeiapparatuer ferienfâldigje. Hoewol de foarm en kristalkwaliteit fan β-Ga2O3 groeid troch de metoade fan driuwende sône noch net optimaal binne, iepenet dizze metoade in kânsrike metoade foar it groeien fan hege suverens β-Ga2O3 yn budzjetfreonlike single kristallen.
Figuer 5 β-Ga2O3 single crystal groeid troch de driuwende sône metoade.
Post tiid: mei-30-2024