Os semicondutores de banda ampla (WBG) representados por carburo de silicio (SiC) e nitruro de galio (GaN) recibiron unha ampla atención. A xente ten grandes expectativas sobre as perspectivas de aplicación do carburo de silicio en vehículos eléctricos e redes eléctricas, así como as perspectivas de aplicación de nitruro de galio na carga rápida. Nos últimos anos, a investigación sobre materiais de Ga2O3, AlN e diamante fixo un progreso significativo, facendo que os materiais semicondutores de banda prohibida ultra-ancha sexan o foco de atención. Entre eles, o óxido de galio (Ga2O3) é un material semicondutor de banda ultra-ancha emerxente cun intervalo de banda de 4,8 eV, unha intensidade de campo de ruptura crítica teórica duns 8 MV cm-1, unha velocidade de saturación duns 2E7 cm s-1, e un alto factor de calidade Baliga de 3000, recibindo unha ampla atención no campo da potencia de alta tensión e alta frecuencia. electrónica.
1. Características do material de óxido de galio
O Ga2O3 ten un gran intervalo de banda (4,8 eV), espérase que alcance tanto unha tensión de soportación elevada como capacidades de alta potencia, e pode ter o potencial de adaptarse a altas tensións a unha resistencia relativamente baixa, o que o converte no foco da investigación actual. Ademais, o Ga2O3 non só ten excelentes propiedades do material, senón que tamén ofrece unha variedade de tecnoloxías de dopaxe de tipo n facilmente axustables, así como tecnoloxías de epitaxia e crecemento do substrato de baixo custo. Ata o momento, descubríronse cinco fases cristalinas diferentes en Ga2O3, incluíndo corindón (α), monoclínica (β), espinela defectuosa (γ), cúbica (δ) e ortorrómbica (ɛ). As estabilidades termodinámicas son, por orde, γ, δ, α, ɛ e β. Cabe sinalar que o β-Ga2O3 monoclínico é o máis estable, especialmente a altas temperaturas, mentres que outras fases son metaestables por riba da temperatura ambiente e tenden a transformarse na fase β en condicións térmicas específicas. Polo tanto, o desenvolvemento de dispositivos baseados en β-Ga2O3 converteuse nun foco importante no campo da electrónica de potencia nos últimos anos.
Táboa 1 Comparación dalgúns parámetros do material semicondutor
A estrutura cristalina do monoclinicβ-Ga2O3 móstrase na táboa 1. Os seus parámetros de rede inclúen a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å e β = 103,8 °. A célula unitaria está formada por átomos de Ga(I) con coordinación tetraédrica retorcida e átomos de Ga(II) con coordinación octaédrica. Existen tres disposicións diferentes de átomos de osíxeno na matriz "cúbica retorcida", incluíndo dous átomos de O(I) e O(II) coordinados triangularmente e un átomo de O(III) coordinado tetraédricamente. A combinación destes dous tipos de coordinación atómica conduce á anisotropía do β-Ga2O3 con propiedades especiais en física, corrosión química, óptica e electrónica.
Figura 1 Diagrama estrutural esquemático do cristal monoclínico β-Ga2O3
Desde a perspectiva da teoría da banda de enerxía, o valor mínimo da banda de condución de β-Ga2O3 derívase do estado enerxético correspondente á órbita híbrida 4s0 do átomo de Ga. Mídese a diferenza de enerxía entre o valor mínimo da banda de condución e o nivel de enerxía do baleiro (enerxía de afinidade electrónica). é de 4 eV. A masa electrónica efectiva do β-Ga2O3 mídese como 0,28–0,33 me e a súa condutividade electrónica favorable. Non obstante, a banda de valencia máxima presenta unha curva Ek pouco profunda cunha curvatura moi baixa e orbitais O2p fortemente localizados, o que suxire que os buracos están profundamente localizados. Estas características supoñen un enorme desafío para conseguir dopaxe de tipo p en β-Ga2O3. Aínda que se poida conseguir dopaxe tipo P, o burato μ permanece nun nivel moi baixo. 2. Crecemento de cristal único de óxido de galio a granel Ata agora, o método de crecemento do substrato de cristal único a granel β-Ga2O3 é principalmente un método de extracción de cristal, como Czochralski (CZ), método de alimentación de película fina definido por bordos (Edge -Defined film-fed). , EFG), Bridgman (Bridgman rtical ou horizontal, HB ou VB) e tecnoloxía de zona flotante (zona flotante, FZ). Entre todos os métodos, espérase que os métodos de alimentación de película fina Czochralski e definidos por bordo sexan os camiños máis prometedores para a produción en masa de obleas de β-Ga 2O3 no futuro, xa que poden acadar simultaneamente grandes volumes e baixas densidades de defectos. Ata agora, a Novel Crystal Technology de Xapón realizou unha matriz comercial para o crecemento do fundido β-Ga2O3.
2.1 Método de Czochralski
O principio do método Czochralski é que a capa de sementes é primeiro cuberta, e despois o cristal único é retirado lentamente do fundido. O método Czochralski é cada vez máis importante para o β-Ga2O3 debido á súa rendibilidade, as súas capacidades de gran tamaño e o crecemento do substrato de alta calidade cristalina. Non obstante, debido ao estrés térmico durante o crecemento a alta temperatura do Ga2O3, producirase a evaporación de monocristais, materiais de fusión e danos no crisol de Ir. Isto é o resultado da dificultade para conseguir unha baixa dopaxe de tipo n en Ga2O3. Introducir unha cantidade adecuada de osíxeno na atmosfera de crecemento é unha forma de resolver este problema. A través da optimización, β-Ga2O3 de 2 polgadas de alta calidade cun rango de concentración de electróns libres de 10^16~10^19 cm-3 e unha densidade electrónica máxima de 160 cm2/Vs foi cultivada con éxito polo método Czochralski.
Figura 2 Monocristal de β-Ga2O3 cultivado polo método Czochralski
2.2 Método de alimentación de película definido por bordos
O método de alimentación de película fina definido por bordos considérase o principal candidato para a produción comercial de materiais monocristais Ga2O3 de gran superficie. O principio deste método é colocar a masa fundida nun molde cunha fenda capilar, e a masa fundida ascende ao molde mediante acción capilar. Na parte superior, fórmase unha fina película e esténdese en todas as direccións mentres é inducida a cristalizar polo cristal da semente. Ademais, os bordos da parte superior do molde pódense controlar para producir cristais en escamas, tubos ou calquera xeometría desexada. O método de alimentación de película fina definido por bordos de Ga2O3 proporciona taxas de crecemento rápidas e grandes diámetros. A figura 3 mostra un diagrama dun monocristal β-Ga2O3. Ademais, en termos de escala de tamaño, comercializáronse substratos β-Ga2O3 de 2 polgadas e 4 polgadas cunha excelente transparencia e uniformidade, mentres que o substrato de 6 polgadas está demostrado na investigación para a súa comercialización futura. Recentemente, tamén se dispoñían de grandes materiais circulares monocristais con orientación (−201). Ademais, o método de alimentación de película definida por bordos β-Ga2O3 tamén promove a dopaxe dos elementos de metais de transición, facendo posible a investigación e preparación de Ga2O3.
Figura 3 β-Ga2O3 monocristal cultivado mediante un método de alimentación de película definido por bordos
2.3 Método Bridgeman
No método Bridgeman, os cristais fórmanse nun crisol que se move gradualmente a través dun gradiente de temperatura. O proceso pódese realizar nunha orientación horizontal ou vertical, normalmente utilizando un crisol rotativo. Paga a pena notar que este método pode ou non usar sementes de cristal. Os operadores tradicionais de Bridgman carecen de visualización directa dos procesos de fusión e crecemento dos cristais e deben controlar as temperaturas con alta precisión. O método Bridgman vertical úsase principalmente para o crecemento de β-Ga2O3 e é coñecido pola súa capacidade para crecer nun ambiente aéreo. Durante o proceso de crecemento vertical do método Bridgman, a perda de masa total da masa fundida e do crisol mantense por debaixo do 1%, o que permite o crecemento de grandes cristais simples de β-Ga2O3 cunha perda mínima.
Figura 4 Monocristal de β-Ga2O3 cultivado polo método Bridgeman
2.4 Método da zona flotante
O método da zona flotante resolve o problema da contaminación de cristal por materiais de crisol e reduce os altos custos asociados aos crisoles infravermellos resistentes a altas temperaturas. Durante este proceso de crecemento, o fundido pode ser quentado por unha lámpada en lugar dunha fonte de RF, simplificando así os requisitos dos equipos de crecemento. Aínda que a forma e a calidade do cristal do β-Ga2O3 cultivado polo método da zona flotante aínda non son óptimas, este método abre un método prometedor para cultivar β-Ga2O3 de alta pureza en cristais sinxelos económicos.
Figura 5 β-Ga2O3 monocristal cultivado polo método da zona flotante.
Hora de publicación: 30-maio-2024