Wide bandgap (WBG) hálfleiðarar táknaðir með kísilkarbíði (SiC) og gallíumnítríði (GaN) hafa fengið mikla athygli. Fólk hefur miklar væntingar til notkunarhorfa kísilkarbíðs í rafknúnum ökutækjum og raforkunetum, sem og notkunarhorfum gallíumnítríðs í hraðhleðslu. Á undanförnum árum hafa rannsóknir á Ga2O3, AlN og demantaefnum náð umtalsverðum framförum, sem gerir ofurbreitt bandgap hálfleiðara efni í brennidepli. Meðal þeirra er gallíumoxíð (Ga2O3) hálfleiðaraefni sem er að koma fram með ofurbreitt bandbil með 4,8 eV bandbili, fræðilegan mikilvægan sundurliðunarsviðsstyrk um það bil 8 MV cm-1, mettunarhraða um 2E7cm s-1, og hár Baliga gæðastuðull upp á 3000, sem fær víðtæka athygli á sviði háspennu og háspennu tíðni rafeindatækni.
1. Eiginleikar gallíumoxíðs efnis
Ga2O3 hefur stórt bandbil (4,8 eV), búist er við að hann nái bæði háspennu og mikilli aflgetu og getur haft möguleika á háspennuaðlögunarhæfni við tiltölulega lága viðnám, sem gerir þá að brennidepli núverandi rannsókna. Að auki hefur Ga2O3 ekki aðeins framúrskarandi efniseiginleika, heldur býður hún einnig upp á margs konar auðstillanleg n-gerð lyfjamisnotkunartækni, svo og ódýra undirlagsvöxt og epitaxy tækni. Hingað til hafa fimm mismunandi kristalfasar fundist í Ga2O3, þar á meðal korund (α), einklínísk (β), gölluð spinel (γ), tenings (δ) og orthorhombic (ɛ) fasa. Hitaaflfræðilegur stöðugleiki er, í röð, γ, δ, α, ɛ og β. Rétt er að taka fram að einklínísk β-Ga2O3 er stöðugust, sérstaklega við háan hita, á meðan aðrir fasar eru metstöðugir fyrir ofan stofuhita og hafa tilhneigingu til að breytast í β fasa við sérstakar hitaupplýsingar. Þess vegna hefur þróun búnaðar sem byggir á β-Ga2O3 orðið mikil áhersla á sviði rafeindatækni á undanförnum árum.
Tafla 1 Samanburður á sumum færibreytum hálfleiðara efnis
Kristalbygging einoklínísks β-Ga2O3 er sýnd í töflu 1. Grindabreytur þess innihalda a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å og β = 103,8°. Einingafruman samanstendur af Ga(I) atómum með snúna fjórþunga samhæfingu og Ga(II) atómum með átthyrningasamhæfingu. Það eru þrjár mismunandi fyrirkomulag súrefnisatóma í „snúinni kúbika“ fylkinu, þar á meðal tvö þríhyrningssamræmd O(I) og O(II) atóm og eitt tetrahedrally samræmt O(III) atóm. Samsetning þessara tveggja tegunda atómsamhæfingar leiðir til anisotropy β-Ga2O3 með sérstaka eiginleika í eðlisfræði, efnatæringu, ljósfræði og rafeindatækni.
Mynd 1 Skýringarmynd af einklínískum β-Ga2O3 kristal
Frá sjónarhóli orkubandafræðinnar er lágmarksgildi leiðnisviðs β-Ga2O3 dregið af orkuástandi sem samsvarar 4s0 blendingsbraut Ga atómsins. Mældur er orkumunurinn á milli lágmarksgildis leiðnisviðsins og lofttæmisorkustigsins (rafeindasækniorka). er 4 eV. Virkur rafeindamassi β-Ga2O3 er mældur sem 0,28–0,33 me og hagstæð rafleiðni hans. Hins vegar sýnir gildisbandshámarkið grunnan Ek-feril með mjög lágri sveigju og mjög staðbundnum O2p svigrúmum, sem bendir til þess að götin séu djúpt staðbundin. Þessir eiginleikar fela í sér mikla áskorun til að ná fram p-gerð lyfjanotkun í β-Ga2O3. Jafnvel þó að hægt sé að ná fram lyfjanotkun af P-gerð, er gatið μ áfram á mjög lágu stigi. 2. Vöxtur magns gallíumoxíðs einskristals Hingað til hefur vaxtaraðferðin fyrir β-Ga2O3 magn eins kristal hvarfefnis aðallega kristaltogunaraðferð, svo sem Czochralski (CZ), brúnskilgreind þunnfilmufóðrunaraðferð (Edge -Defined film-fed) , EFG), Bridgman (rtical eða lárétt Bridgman, HB eða VB) og fljótandi svæði (fljótandi svæði, FZ) tækni. Meðal allra aðferða er búist við að Czochralski og brúnskilgreindar þunnfilmufóðrunaraðferðir verði vænlegustu leiðin til fjöldaframleiðslu á β-Ga 2O3 oblátum í framtíðinni, þar sem þær geta samtímis náð miklu magni og lágum gallaþéttleika. Hingað til hefur Japans skáldsaga kristaltækni komið á viðskiptalegu fylki fyrir bræðsluvöxt β-Ga2O3.
2.1 Czochralski aðferð
Meginreglan í Czochralski aðferðinni er sú að frælagið er fyrst hulið og síðan er einkristallinn dreginn hægt út úr bræðslunni. Czochralski aðferðin er sífellt mikilvægari fyrir β-Ga2O3 vegna kostnaðarhagkvæmni, stórrar stærðargetu og hágæða undirlagsvaxtar. Hins vegar, vegna hitaálags við háhitavöxt Ga2O3, mun uppgufun einkristalla, bræðsluefna og skemmdir á Ir deiglunni eiga sér stað. Þetta er afleiðing af erfiðleikum við að ná litlum n-gerð lyfjanotkun í Ga2O3. Að koma hæfilegu magni af súrefni inn í vaxtarloftið er ein leið til að leysa þetta vandamál. Með hagræðingu hefur tekist að rækta hágæða 2-tommu β-Ga2O3 með lausu rafeindastyrksviðinu 10^16~10^19 cm-3 og hámarks rafeindaþéttleika 160 cm2/Vs með Czochralski aðferðinni.
Mynd 2 Einkristall af β-Ga2O3 ræktaður með Czochralski aðferð
2.2 Kantskilgreind filmufóðrunaraðferð
Brúnskilgreinda þunnfilmufóðrunaraðferðin er talin vera leiðandi keppinautur fyrir framleiðslu á stóru Ga2O3 einskristal efni. Meginreglan í þessari aðferð er að setja bræðsluna í mót með háræðarifu og bræðslan rís upp í mótið með háræðsaðgerð. Efst myndast þunn filma sem dreifist í allar áttir á meðan frækristallinn fær hana til að kristalla. Að auki er hægt að stjórna brúnum mótatoppsins til að framleiða kristalla í flögum, rörum eða hvaða rúmfræði sem þú vilt. Brúnskilgreinda þunnfilmufóðrunaraðferð Ga2O3 veitir hraðan vaxtarhraða og stórt þvermál. Mynd 3 sýnir skýringarmynd af β-Ga2O3 einkristalli. Að auki, hvað varðar stærðarskala, hafa 2-tommu og 4-tommu β-Ga2O3 hvarfefni með framúrskarandi gagnsæi og einsleitni verið markaðssett, en 6-tommu undirlagið er sýnt fram á í rannsóknum fyrir framtíðarmarkaðssetningu. Nýlega hafa stór hringlaga einkristal magnefni einnig orðið fáanleg með (-201) stefnu. Að auki stuðlar β-Ga2O3 brúnskilgreind filmufóðrunaraðferð einnig að lyfjanotkun á umbreytingarmálmþáttum, sem gerir rannsóknir og undirbúning Ga2O3 mögulega.
Mynd 3 β-Ga2O3 einn kristal ræktaður með brún-skilgreindri filmu fóðrun aðferð
2.3 Bridgeman aðferð
Í Bridgeman aðferðinni myndast kristallar í deiglu sem færist smám saman í gegnum hitastig. Ferlið er hægt að framkvæma í láréttri eða lóðréttri stefnu, venjulega með því að nota snúningsdeiglu. Það er athyglisvert að þessi aðferð kann að nota kristalfræ eða ekki. Hefðbundna Bridgman rekstraraðila skortir beina mynd af bráðnunar- og kristalvaxtarferlum og verða að stjórna hitastigi með mikilli nákvæmni. Lóðrétta Bridgman aðferðin er aðallega notuð við vöxt β-Ga2O3 og er þekkt fyrir getu sína til að vaxa í lofti. Meðan á lóðréttu Bridgman-aðferðinni stendur vaxtarferlinu er heildarmassatapi bræðslunnar og deiglunnar haldið undir 1%, sem gerir vöxt stórra β-Ga2O3 einkristalla kleift með lágmarks tapi.
Mynd 4 Einkristall af β-Ga2O3 ræktaður með Bridgeman aðferð
2.4 Flotsvæðisaðferð
Fljótandi svæðisaðferðin leysir vandamálið við kristalmengun af efnum í deiglunni og dregur úr háum kostnaði við háhitaþolnar innrauðar deiglur. Í þessu vaxtarferli er hægt að hita bræðsluna með lampa frekar en RF uppsprettu og einfaldar þannig kröfurnar til vaxtarbúnaðar. Þrátt fyrir að lögun og kristalgæði β-Ga2O3 sem ræktað er með fljótandi svæðisaðferðinni séu ekki enn ákjósanleg, opnar þessi aðferð efnilega aðferð til að rækta háhreinleika β-Ga2O3 í fjárhagslegan staka kristalla.
Mynd 5 β-Ga2O3 einkristall ræktaður með fljótandi svæðisaðferð.
Birtingartími: maí-30-2024