Széles sávszélességű (WBG) félvezetők, amelyeket szilícium-karbid (SiC) és gallium-nitrid (GaN) képviselnek, széleskörű figyelmet kaptak. Az emberek nagy elvárásokat támasztanak a szilícium-karbid elektromos járművekben és elektromos hálózatokban való felhasználásával, valamint a gallium-nitrid gyorstöltésben való alkalmazási lehetőségeivel kapcsolatban. Az elmúlt években a Ga2O3, AlN és gyémánt anyagokkal kapcsolatos kutatások jelentős előrehaladást értek el, így az ultraszéles sávszélességű félvezető anyagok a figyelem középpontjába kerültek. Közülük a gallium-oxid (Ga2O3) egy feltörekvő ultraszéles sávú félvezető anyag, amelynek sávszélessége 4,8 eV, elméleti kritikus áttörési térerőssége körülbelül 8 MV cm-1, telítési sebessége körülbelül 2E7 cm s-1, és egy magas, 3000-es baligai minőségi tényező, amely széles körű figyelmet kap a nagyfeszültség és a magas frekvencia teljesítmény elektronika.
1. A gallium-oxid anyag jellemzői
A Ga2O3 nagy sávrésszel (4,8 eV) rendelkezik, várhatóan nagy feszültség- és nagy teljesítményű, és viszonylag alacsony ellenállás mellett is nagy feszültség-alkalmazkodóképességre képes, így a jelenlegi kutatás középpontjába kerül. Ezenkívül a Ga2O3 nemcsak kiváló anyagtulajdonságokkal rendelkezik, hanem számos könnyen állítható n-típusú adalékolási technológiát, valamint olcsó szubsztrát-növekedési és epitaxiás technológiákat is kínál. Eddig öt különböző kristályfázist fedeztek fel a Ga2O3-ban, köztük a korund (α), monoklin (β), hibás spinell (γ), köbös (δ) és ortoromb (ɛ) fázist. A termodinamikai stabilitások sorrendben γ, δ, α, ɛ és β. Érdemes megjegyezni, hogy a monoklin β-Ga2O3 a legstabilabb, különösen magas hőmérsékleten, míg más fázisok szobahőmérséklet felett metastabilak, és hajlamosak β-fázissá átalakulni adott termikus körülmények között. Ezért az elmúlt években a β-Ga2O3 alapú eszközök fejlesztése a teljesítményelektronika egyik fő fókuszpontja lett.
1. táblázat Néhány félvezető anyag paraméterének összehasonlítása
A monoklin β-Ga2O3 kristályszerkezetét az 1. táblázat mutatja be. Rácsparaméterei a következők: a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å és β = 103,8°. Az egységcella csavart tetraéder koordinációjú Ga(I) atomokból és oktaéder koordinációjú Ga(II) atomokból áll. Az oxigénatomok három különböző elrendezése található a „csavart köbös” tömbben, köztük két háromszögben koordinált O(I) és O(II) atom, valamint egy tetraéderes koordinációjú O(III) atom. E kétféle atomi koordináció kombinációja a β-Ga2O3 anizotrópiájához vezet, amely különleges tulajdonságokkal rendelkezik a fizika, a kémiai korrózió, az optika és az elektronika területén.
1. ábra A monoklin β-Ga2O3 kristály sematikus szerkezeti diagramja
Az energiasávelmélet szempontjából a β-Ga2O3 vezetési sávjának minimális értéke a Ga atom 4s0 hibrid pályájának megfelelő energiaállapotból adódik. A vezetési sáv minimális értéke és a vákuum energiaszintje (elektron affinitási energia) közötti energiakülönbséget mérjük. 4 eV. A β-Ga2O3 effektív elektrontömege 0,28-0,33 me, és kedvező elektronvezetőképessége. A vegyértéksáv maximuma azonban sekély Ek-görbét mutat nagyon alacsony görbülettel és erősen lokalizált O2p-pályákkal, ami arra utal, hogy a lyukak mélyen lokalizáltak. Ezek a jellemzők óriási kihívást jelentenek a β-Ga2O3 p-típusú adalékolásának elérésében. Még ha P-típusú adalékolás is elérhető, a μ lyuk nagyon alacsony szinten marad. 2. Tömeges gallium-oxid egykristály növesztése Eddig a β-Ga2O3 ömlesztett egykristály szubsztrát növesztési módszere főleg kristályhúzó módszer volt, mint például Czochralski (CZ), élen meghatározott vékonyréteg-adagoló módszer (Edge-Defined film-feed , EFG), Bridgman (rtical vagy vízszintes Bridgman, HB vagy VB) és lebegő zóna (úszó zóna, FZ) technológia. Az összes módszer közül a Czochralski és az élen meghatározott vékonyréteg-adagolási módszerek a jövőben várhatóan a legígéretesebb pályák a β-Ga 2O3 ostyák tömeggyártására, mivel egyszerre tudnak nagy mennyiséget és alacsony hibasűrűséget elérni. A japán Novel Crystal Technology eddig egy kereskedelmi mátrixot valósított meg a β-Ga2O3 olvadéknövekedésére.
1.1 Czochralski módszer
A Czochralski-módszer elve az, hogy először a magréteget lefedjük, majd az egykristályt lassan kihúzzuk az olvadékból. A Czochralski-módszer egyre fontosabb a β-Ga2O3 számára költséghatékonysága, nagy méretű képességei és kiváló kristályminőségű szubsztrátnövekedése miatt. Azonban a Ga2O3 magas hőmérsékletű növekedése során fellépő termikus feszültség következtében az egykristályok, az olvadékanyagok elpárolognak, és az Ir tégely károsodik. Ez annak az eredménye, hogy nehéz elérni az alacsony n-típusú adalékolást Ga2O3-ban. A probléma megoldásának egyik módja, ha megfelelő mennyiségű oxigént juttatunk a növekedési légkörbe. Optimalizálás révén a Czochralski-módszerrel sikeresen termesztettek kiváló minőségű, 2 hüvelykes β-Ga2O3-at, 10^16-10^19 cm-3 szabad elektronkoncentráció-tartománnyal és 160 cm2/Vs maximális elektronsűrűséggel.
2. ábra Czochralski módszerrel növesztett β-Ga2O3 egykristálya
1.2 Élen meghatározott filmadagolási mód
Az élen meghatározott vékonyréteg-adagolási módszert tekintik vezető esélyesnek a nagy felületű Ga2O3 egykristályos anyagok kereskedelmi gyártásában. Ennek a módszernek az az elve, hogy az olvadékot egy kapillárisrésszel ellátott formába helyezzük, és az olvadék kapilláris hatására felemelkedik a formába. A tetején vékony film képződik, és minden irányba szétterül, miközben a magkristály kristályosodásra készteti. Ezenkívül az öntőforma tetejének szélei szabályozhatók, hogy kristályok képződjenek pelyhekben, csövekben vagy bármilyen kívánt geometriában. A Ga2O3 élen meghatározott vékonyréteg adagolási módszere gyors növekedési sebességet és nagy átmérőt biztosít. A 3. ábra egy β-Ga2O3 egykristály diagramját mutatja. Ezenkívül a méretskálát tekintve 2 hüvelykes és 4 hüvelykes β-Ga2O3 hordozók kerültek kereskedelmi forgalomba, amelyek kiváló átlátszósággal és egyenletességgel rendelkeznek, míg a 6 hüvelykes szubsztrátot a jövőbeni kereskedelmi forgalomba hozatal céljából végzett kutatások demonstrálják. A közelmúltban nagy, kör alakú egykristályos ömlesztett anyagok is elérhetővé váltak (-201) orientációval. Emellett a β-Ga2O3 élhatározott filmadagolási módszer az átmenetifém elemek adalékolását is elősegíti, lehetővé téve a Ga2O3 kutatását és előállítását.
3. ábra β-Ga2O3 egykristály, amelyet élhatározott filmadagoló módszerrel növesztettek
1.3 Bridgeman módszer
A Bridgeman-módszerben kristályok képződnek egy tégelyben, amelyet fokozatosan mozgatnak egy hőmérsékleti gradiensen. Az eljárást vízszintes vagy függőleges irányban is végrehajthatjuk, általában forgó tégely használatával. Érdemes megjegyezni, hogy ez a módszer használhat kristálymagokat, vagy nem. A hagyományos Bridgman-kezelők nem látják közvetlenül az olvadási és kristálynövekedési folyamatokat, és nagy pontossággal kell szabályozniuk a hőmérsékletet. A vertikális Bridgman-módszert főként a β-Ga2O3 növekedésére használják, és arról ismert, hogy levegőben is képes növekedni. A vertikális Bridgman módszerrel végzett növekedési folyamat során az olvadék és a tégely teljes tömegveszteségét 1% alatt tartják, ami lehetővé teszi nagyméretű β-Ga2O3 egykristályok növekedését minimális veszteséggel.
4. ábra Bridgeman módszerrel növesztett β-Ga2O3 egykristálya
1.4 Lebegőzóna módszer
A lebegőzóna módszer megoldja a tégely anyagok általi kristályszennyeződés problémáját, és csökkenti a magas hőmérsékletnek ellenálló infravörös tégelyekkel kapcsolatos magas költségeket. A növekedési folyamat során az olvadék melegíthető lámpával, nem pedig rádiófrekvenciás forrással, így leegyszerűsítve a növesztőberendezésekkel szemben támasztott követelményeket. Bár a lebegőzóna módszerrel termesztett β-Ga2O3 alakja és kristályminősége még nem optimális, ez a módszer ígéretes módszert nyit a nagy tisztaságú β-Ga2O3 pénztárcabarát egykristályokká történő termesztésére.
5. ábra Lebegőzóna módszerrel növesztett β-Ga2O3 egykristály.
Feladás időpontja: 2024. május 30