I semiconduttori a banda larga (WBG) rappresentati dal carburo di silicio (SiC) e dal nitruro di gallio (GaN) hanno ricevuto ampia attenzione. Le persone hanno grandi aspettative per le prospettive di applicazione del carburo di silicio nei veicoli elettrici e nelle reti elettriche, nonché per le prospettive di applicazione del nitruro di gallio nella ricarica rapida. Negli ultimi anni, la ricerca su Ga2O3, AlN e materiali diamantati ha fatto progressi significativi, ponendo al centro dell'attenzione i materiali semiconduttori con bandgap ultra ampio. Tra questi, l'ossido di gallio (Ga2O3) è un materiale semiconduttore emergente con banda proibita ultra ampia con una banda proibita di 4,8 eV, un'intensità teorica del campo di rottura critica di circa 8 MV cm-1, una velocità di saturazione di circa 2E7 cm s-1, e un elevato fattore di qualità Baliga pari a 3000, ricevendo ampia attenzione nel campo dell'elettronica di potenza ad alta tensione e alta frequenza.
1. Caratteristiche del materiale in ossido di gallio
Ga2O3 ha un ampio gap di banda (4,8 eV), si prevede che raggiunga elevata tensione di resistenza e capacità di elevata potenza e possa avere il potenziale per l'adattabilità all'alta tensione con una resistenza relativamente bassa, rendendolo il fulcro della ricerca attuale. Inoltre, Ga2O3 non solo ha eccellenti proprietà del materiale, ma fornisce anche una varietà di tecnologie di drogaggio di tipo n facilmente regolabili, nonché tecnologie di crescita del substrato ed epitassia a basso costo. Finora sono state scoperte cinque diverse fasi cristalline nel Ga2O3, tra cui le fasi corindone (α), monoclina (β), spinello difettoso (γ), cubica (δ) e ortorombica (ɛ). Le stabilità termodinamiche sono, nell'ordine, γ, δ, α, ɛ e β. Vale la pena notare che il β-Ga2O3 monoclino è il più stabile, soprattutto alle alte temperature, mentre altre fasi sono metastabili al di sopra della temperatura ambiente e tendono a trasformarsi nella fase β in specifiche condizioni termiche. Pertanto, negli ultimi anni lo sviluppo di dispositivi basati su β-Ga2O3 è diventato un obiettivo importante nel campo dell’elettronica di potenza.
Tabella 1 Confronto di alcuni parametri dei materiali semiconduttori
La struttura cristallina del monoclinoβ-Ga2O3 è mostrata nella Tabella 1. I suoi parametri reticolari includono a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å e β = 103,8°. La cella unitaria è costituita da atomi di Ga(I) con coordinazione tetraedrica contorta e atomi di Ga(II) con coordinazione ottaedrica. Ci sono tre diverse disposizioni di atomi di ossigeno nella matrice “twisted cubic”, inclusi due atomi di O(I) e O(II) coordinati triangolarmente e un atomo di O(III) coordinato tetraedralmente. La combinazione di questi due tipi di coordinazione atomica porta all'anisotropia del β-Ga2O3 con proprietà speciali in fisica, corrosione chimica, ottica ed elettronica.
Figura 1 Diagramma strutturale schematico del cristallo monoclino β-Ga2O3
Dal punto di vista della teoria delle bande energetiche, il valore minimo della banda di conduzione di β-Ga2O3 deriva dallo stato energetico corrispondente all'orbita ibrida 4s0 dell'atomo di Ga. Viene misurata la differenza di energia tra il valore minimo della banda di conduzione e il livello di energia del vuoto (energia di affinità elettronica). è 4 eV. La massa elettronica effettiva di β-Ga2O3 è misurata come 0,28–0,33 me e la sua conduttività elettronica favorevole. Tuttavia, il massimo della banda di valenza mostra una curva Ek poco profonda con curvatura molto bassa e orbitali O2p fortemente localizzati, suggerendo che i buchi sono profondamente localizzati. Queste caratteristiche rappresentano una sfida enorme per ottenere il drogaggio di tipo p in β-Ga2O3. Anche se si può ottenere un drogaggio di tipo P, il buco μ rimane a un livello molto basso. 2. Crescita del cristallo singolo di ossido di gallio sfuso Finora, il metodo di crescita del substrato monocristallino sfuso di β-Ga2O3 è principalmente il metodo di estrazione dei cristalli, come Czochralski (CZ), il metodo di alimentazione di film sottile definito dal bordo (Edge -Defined film-fed , EFG), Bridgman (Bridgman verticale o orizzontale, HB o VB) e la tecnologia della zona mobile (floating zone, FZ). Tra tutti i metodi, si prevede che Czochralski e i metodi di alimentazione a film sottile con bordi definiti siano le strade più promettenti per la produzione di massa di wafer β-Ga 2O3 in futuro, poiché possono ottenere contemporaneamente grandi volumi e basse densità di difetti. Fino ad ora, la Novel Crystal Technology giapponese ha realizzato una matrice commerciale per la crescita del β-Ga2O3.
1.1 Metodo Czochralski
Il principio del metodo Czochralski è che lo strato seme viene prima coperto e poi il singolo cristallo viene lentamente estratto dalla massa fusa. Il metodo Czochralski è sempre più importante per β-Ga2O3 grazie al suo rapporto costo-efficacia, alle capacità di grandi dimensioni e alla crescita del substrato di elevata qualità cristallina. Tuttavia, a causa dello stress termico durante la crescita ad alta temperatura di Ga2O3, si verificherà l'evaporazione dei singoli cristalli, dei materiali fusi e il danneggiamento del crogiolo Ir. Ciò è il risultato della difficoltà nel raggiungere un basso drogaggio di tipo n nel Ga2O3. L'introduzione di una quantità adeguata di ossigeno nell'atmosfera di crescita è un modo per risolvere questo problema. Attraverso l'ottimizzazione, il β-Ga2O3 da 2 pollici di alta qualità con un intervallo di concentrazione di elettroni liberi di 10^16~10^19 cm-3 e una densità elettronica massima di 160 cm2/Vs è stato coltivato con successo con il metodo Czochralski.
Figura 2 Cristallo singolo di β-Ga2O3 cresciuto con il metodo Czochralski
1.2 Metodo di alimentazione della pellicola definito dal bordo
Il metodo di alimentazione del film sottile con bordi definiti è considerato il principale contendente per la produzione commerciale di materiali monocristallini Ga2O3 di grandi dimensioni. Il principio di questo metodo è quello di posizionare la massa fusa in uno stampo con una fessura capillare e la massa fusa sale allo stampo attraverso l'azione capillare. Nella parte superiore si forma una pellicola sottile che si diffonde in tutte le direzioni mentre viene indotta a cristallizzare dal cristallo seme. Inoltre, i bordi della parte superiore dello stampo possono essere controllati per produrre cristalli in scaglie, tubi o qualsiasi geometria desiderata. Il metodo di alimentazione a film sottile definito dai bordi di Ga2O3 fornisce tassi di crescita rapidi e diametri di grandi dimensioni. La Figura 3 mostra uno schema di un singolo cristallo β-Ga2O3. Inoltre, in termini di scala dimensionale, sono stati commercializzati substrati β-Ga2O3 da 2 pollici e 4 pollici con eccellente trasparenza e uniformità, mentre il substrato da 6 pollici è dimostrato nella ricerca per la futura commercializzazione. Recentemente, sono diventati disponibili anche materiali sfusi monocristallini circolari di grandi dimensioni con orientamento (−201). Inoltre, il metodo di alimentazione della pellicola con bordo definito β-Ga2O3 promuove anche il drogaggio degli elementi metallici di transizione, rendendo possibile la ricerca e la preparazione di Ga2O3.
Figura 3 Singolo cristallo β-Ga2O3 cresciuto con il metodo di alimentazione della pellicola definita dai bordi
1.3 Metodo Bridgeman
Nel metodo Bridgeman, i cristalli si formano in un crogiolo che viene gradualmente spostato attraverso un gradiente di temperatura. Il processo può essere eseguito con orientamento orizzontale o verticale, solitamente utilizzando un crogiolo rotante. Vale la pena notare che questo metodo può utilizzare o meno semi di cristallo. Gli operatori Bridgman tradizionali non hanno la visualizzazione diretta dei processi di fusione e crescita dei cristalli e devono controllare le temperature con elevata precisione. Il metodo Bridgman verticale viene utilizzato principalmente per la crescita di β-Ga2O3 ed è noto per la sua capacità di crescere in un ambiente aereo. Durante il processo di crescita verticale del metodo Bridgman, la perdita di massa totale della massa fusa e del crogiolo viene mantenuta al di sotto dell'1%, consentendo la crescita di grandi cristalli singoli β-Ga2O3 con una perdita minima.
Figura 4 Singolo cristallo di β-Ga2O3 cresciuto con il metodo Bridgeman
1.4 Metodo della zona mobile
Il metodo della zona flottante risolve il problema della contaminazione dei cristalli da parte dei materiali del crogiolo e riduce i costi elevati associati ai crogioli a infrarossi resistenti alle alte temperature. Durante questo processo di crescita, la massa fusa può essere riscaldata da una lampada anziché da una sorgente RF, semplificando così i requisiti per le apparecchiature di crescita. Sebbene la forma e la qualità dei cristalli del β-Ga2O3 cresciuto con il metodo della zona flottante non siano ancora ottimali, questo metodo apre un metodo promettente per coltivare β-Ga2O3 di elevata purezza in cristalli singoli economici.
Figura 5 Singolo cristallo β-Ga2O3 cresciuto con il metodo della zona flottante.
Orario di pubblicazione: 30 maggio 2024