Širokopojasni poluvodiči (WBG) predstavljeni silicijevim karbidom (SiC) i galijevim nitridom (GaN) dobili su široku pozornost. Ljudi imaju velika očekivanja u pogledu mogućnosti primjene silicij karbida u električnim vozilima i električnim mrežama, kao i mogućnosti primjene galij nitrida u brzom punjenju. Posljednjih godina, istraživanje Ga2O3, AlN i dijamantnih materijala značajno je napredovalo, čime su poluvodički materijali s ultraširokim pojasnim razmakom postali središte pažnje. Među njima, galijev oksid (Ga2O3) je poluvodički materijal ultraširokog pojasa u nastajanju s propusnim pojasom od 4,8 eV, teoretskom kritičnom jakošću probojnog polja od oko 8 MV cm-1, brzinom zasićenja od oko 2E7cm s-1, i visok faktor kvalitete Baliga od 3000, privlačeći široku pozornost u području visokog napona i visoke frekvencije energetska elektronika.
1. Karakteristike materijala galijevog oksida
Ga2O3 ima veliki razmak pojasa (4,8 eV), očekuje se da će postići i visoku otpornost na napon i veliku snagu, i može imati potencijal za visokonaponsku prilagodljivost pri relativno niskom otporu, što ih čini fokusom trenutnih istraživanja. Osim toga, Ga2O3 ne samo da ima izvrsna svojstva materijala, već također pruža niz lako podesivih tehnologija dopiranja n-tipa, kao i jeftine tehnologije rasta supstrata i epitaksije. Do sada je u Ga2O3 otkriveno pet različitih kristalnih faza, uključujući korund (α), monoklinsku (β), defektnu spinelu (γ), kubičnu (δ) i ortorombsku (ɛ) fazu. Termodinamičke stabilnosti su redom γ, δ, α, ɛ i β. Vrijedno je napomenuti da je monoklinski β-Ga2O3 najstabilniji, posebno pri visokim temperaturama, dok su ostale faze metastabilne iznad sobne temperature i imaju tendenciju transformacije u β fazu pod određenim toplinskim uvjetima. Stoga je razvoj uređaja temeljenih na β-Ga2O3 postao glavni fokus u području energetske elektronike posljednjih godina.
Tablica 1. Usporedba nekih parametara poluvodičkog materijala
Kristalna struktura monoklinskog β-Ga2O3 prikazana je u tablici 1. Njegovi parametri rešetke uključuju a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å i β = 103,8°. Jedinična ćelija sastoji se od atoma Ga(I) s upletenom tetraedarskom koordinacijom i atoma Ga(II) s oktaedarskom koordinacijom. Postoje tri različita rasporeda atoma kisika u "uvijenom kubičnom" nizu, uključujući dva trokutasto koordinirana O(I) i O(II) atoma i jedan tetraedarski koordinirani O(III) atom. Kombinacija ove dvije vrste atomske koordinacije dovodi do anizotropije β-Ga2O3 s posebnim svojstvima u fizici, kemijskoj koroziji, optici i elektronici.
Slika 1. Shematski strukturni dijagram monoklinskog kristala β-Ga2O3
Iz perspektive teorije energetskog pojasa, minimalna vrijednost vodljivog pojasa β-Ga2O3 izvedena je iz energetskog stanja koje odgovara 4s0 hibridnoj orbiti atoma Ga. Mjeri se energetska razlika između minimalne vrijednosti vodljivog pojasa i razine energije vakuuma (energija afiniteta prema elektronu). je 4 eV. Efektivna elektronska masa β-Ga2O3 izmjerena je kao 0,28–0,33 me i njegova povoljna elektronska vodljivost. Međutim, maksimum valentnog pojasa pokazuje plitku Ek krivulju s vrlo niskom zakrivljenošću i snažno lokaliziranim O2p orbitalama, što sugerira da su rupe duboko lokalizirane. Ove karakteristike predstavljaju veliki izazov za postizanje p-tipa dopiranja u β-Ga2O3. Čak i ako se može postići dopiranje tipa P, otvor μ ostaje na vrlo niskoj razini. 2. Rast masovnog monokristala galij oksida Dosadašnja metoda rasta masovnog monokristalnog supstrata β-Ga2O3 je uglavnom metoda izvlačenja kristala, kao što je Czochralski (CZ), rubno definirana metoda dodavanja tankog filma (Edge -Defined film-fed , EFG), Bridgman (rtikalni ili horizontalni Bridgman, HB ili VB) i plutajuća zona (floating zone, FZ) tehnologija. Među svim metodama, očekuje se da će Czochralski i metode dodavanja tankog filma s definiranim rubom biti putevi koji najviše obećavaju za masovnu proizvodnju pločica β-Ga 2O3 u budućnosti, jer mogu istovremeno postići velike količine i niske gustoće defekata. Do sada je japanska Nova Crystal Technology realizirala komercijalnu matricu za rast taline β-Ga2O3.
2.1 Metoda Czochralskog
Princip Czochralski metode je da se prvo pokrije sloj klice, a zatim se monokristal polako izvlači iz taline. Metoda Czochralski sve je važnija za β-Ga2O3 zbog svoje isplativosti, mogućnosti velike veličine i rasta supstrata visoke kvalitete kristala. Međutim, zbog toplinskog stresa tijekom visokotemperaturnog rasta Ga2O3, doći će do isparavanja pojedinačnih kristala, materijala taline i oštećenja Ir lončića. To je rezultat poteškoća u postizanju niskog dopiranja n-tipa u Ga2O3. Uvođenje odgovarajuće količine kisika u atmosferu rasta jedan je od načina rješavanja ovog problema. Putem optimizacije, visokokvalitetni 2-inčni β-Ga2O3 s rasponom koncentracije slobodnih elektrona od 10^16~10^19 cm-3 i maksimalnom gustoćom elektrona od 160 cm2/Vs uspješno je uzgojen metodom Czochralski.
Slika 2. Monokristal β-Ga2O3 uzgojen Czochralski metodom
2.2 Metoda uvlačenja filma definirana rubom
Metoda dodavanja tankog filma definiranog rubom smatra se vodećim kandidatom za komercijalnu proizvodnju Ga2O3 monokristalnih materijala velike površine. Princip ove metode je da se talina stavi u kalup s kapilarnim prorezom, a talina se kapilarnim djelovanjem diže u kalup. Na vrhu se formira tanki film koji se širi u svim smjerovima dok ga klica kristala potiče na kristalizaciju. Osim toga, rubovi vrha kalupa mogu se kontrolirati kako bi se proizveli kristali u ljuskicama, cijevima ili bilo kojoj željenoj geometriji. Rubno definirana metoda dodavanja tankog filma Ga2O3 omogućuje brze stope rasta i velike promjere. Slika 3 prikazuje dijagram monokristala β-Ga2O3. Osim toga, u smislu veličine, 2-inčni i 4-inčni β-Ga2O3 supstrati s izvrsnom transparentnošću i ujednačenošću su komercijalizirani, dok je 6-inčni supstrat prikazan u istraživanju za buduću komercijalizaciju. Nedavno su veliki kružni monokristalni skupni materijali također postali dostupni s (-201) orijentacijom. Osim toga, metoda dodavanja filma s definiranim rubom β-Ga2O3 također potiče dopiranje elemenata prijelaznih metala, čineći istraživanje i pripremu Ga2O3 mogućim.
Slika 3 Monokristal β-Ga2O3 uzgojen metodom dodavanja filma s definiranim rubom
2.3 Bridgemanova metoda
U Bridgemanovoj metodi, kristali se formiraju u lončiću koji se postupno pomiče kroz temperaturni gradijent. Proces se može izvesti u vodoravnoj ili okomitoj orijentaciji, obično upotrebom rotirajućeg lončića. Vrijedno je napomenuti da ova metoda može, ali i ne mora koristiti kristalno sjeme. Tradicionalnim Bridgmanovim operaterima nedostaje izravna vizualizacija procesa taljenja i rasta kristala i moraju kontrolirati temperature s visokom preciznošću. Vertikalna Bridgmanova metoda uglavnom se koristi za rast β-Ga2O3 i poznata je po svojoj sposobnosti rasta u zračnom okruženju. Tijekom procesa rasta vertikalnom Bridgmanovom metodom, ukupni gubitak mase taline i lončića održava se ispod 1%, što omogućuje rast velikih monokristala β-Ga2O3 s minimalnim gubitkom.
Slika 4. Monokristal β-Ga2O3 uzgojen Bridgemanovom metodom
2.4 Metoda plutajuće zone
Metoda plutajuće zone rješava problem kontaminacije kristala materijalima iz lončića i smanjuje visoke troškove povezane s infracrvenim loncima otpornim na visoke temperature. Tijekom ovog procesa rasta, talina se može grijati pomoću lampe umjesto RF izvora, čime se pojednostavljuju zahtjevi za opremu za rast. Iako oblik i kvaliteta kristala β-Ga2O3 uzgojenog metodom plutajuće zone još nisu optimalni, ova metoda otvara obećavajuću metodu za uzgoj β-Ga2O3 visoke čistoće u jeftine monokristale.
Slika 5 Monokristal β-Ga2O3 uzgojen metodom plutajuće zone.
Vrijeme objave: 30. svibnja 2024