Wide bandgap (WBG) semikonduktor sing diwakili dening silikon karbida (SiC) lan gallium nitride (GaN) wis entuk perhatian sing akeh. Wong duwe pangarepan dhuwur kanggo prospek aplikasi silikon karbida ing kendaraan listrik lan jaringan listrik, uga prospek aplikasi gallium nitride ing ngisi daya cepet. Ing taun-taun pungkasan, riset babagan bahan Ga2O3, AlN lan berlian wis nggawe kemajuan sing signifikan, nggawe bahan semikonduktor celah pita ultra lebar dadi fokus perhatian. Antarane wong-wong mau, galium oksida (Ga2O3) minangka bahan semikonduktor ultra-wide-bandgap sing muncul kanthi celah pita 4,8 eV, kekuatan medan breakdown kritis teoritis watara 8 MV cm-1, kecepatan saturasi sekitar 2E7cm s-1, lan faktor kualitas Baliga dhuwur 3000, nampa manungsa waé nyebar ing lapangan voltase dhuwur lan elektronik daya frekuensi dhuwur.
1. Karakteristik materi galium oksida
Ga2O3 nduweni celah pita gedhe (4.8 eV), dijangkepi bisa entuk voltase tahan dhuwur lan kemampuan daya dhuwur, lan bisa duwe potensial adaptasi voltase dhuwur kanthi resistensi sing rada sithik, dadi fokus riset saiki. Kajaba iku, Ga2O3 ora mung nduweni sifat materi sing apik, nanging uga nyedhiyakake macem-macem teknologi doping n-jinis sing gampang diatur, uga teknologi pertumbuhan substrat lan epitaksi sing murah. Nganti saiki, limang fase kristal sing beda wis ditemokake ing Ga2O3, kalebu fase korundum (α), monoklinik (β), spinel cacat (γ), kubik (δ) lan fase ortorombik (ɛ). Kestabilan termodinamika yaiku, kanthi urutan, γ, δ, α, ɛ, lan β. Wigati dicathet yen monoklinik β-Ga2O3 paling stabil, utamane ing suhu dhuwur, dene fase liyane metastabil ing ndhuwur suhu kamar lan cenderung ngowahi dadi fase β ing kondisi termal tartamtu. Mula, pangembangan piranti berbasis β-Ga2O3 wis dadi fokus utama ing bidang elektronika daya ing taun-taun pungkasan.
Tabel 1 Perbandingan sawetara paramèter bahan semikonduktor
Struktur kristal monoklinikβ-Ga2O3 ditampilake ing Tabel 1. Paramèter kisi kasebut kalebu a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å, lan β = 103,8 °. Sèl satuan kasusun saka atom Ga(I) kanthi koordinasi tetrahedral bengkok lan atom Ga(II) kanthi koordinasi oktahedral. Ana telung susunan atom oksigen sing beda ing susunan "kubik bengkong", kalebu loro atom O(I) lan O(II) sing terkoordinasi segitiga lan siji atom O(III) sing terkoordinasi tetrahedral. Kombinasi saka rong jinis koordinasi atom iki nyebabake anisotropi β-Ga2O3 kanthi sifat khusus ing fisika, korosi kimia, optik lan elektronik.
Gambar 1 Diagram struktur skematis kristal β-Ga2O3 monoklinik
Saka perspektif teori pita energi, nilai minimal pita konduksi β-Ga2O3 diturunake saka negara energi sing cocog karo orbit hibrida 4s0 saka atom Ga. Bentenane energi antarane nilai minimal pita konduksi lan tingkat energi vakum (energi afinitas elektron) diukur. iku 4ev. Massa elektron efektif β-Ga2O3 diukur minangka 0,28-0,33 me lan konduktivitas elektronik sing apik. Nanging, pita valensi maksimum nuduhake kurva Ek sing cethek kanthi kelengkungan sing sithik banget lan orbital O2p sing dilokalisasi banget, nuduhake yen bolongan kasebut dilokalisasi kanthi jero. Karakteristik kasebut ndadekake tantangan gedhe kanggo entuk doping tipe-p ing β-Ga2O3. Sanajan doping P-jinis bisa digayuh, bolongan μ tetep ing tingkat sing sithik banget. 2. Wutah saka akeh gallium oxide kristal tunggal Supaya adoh, cara wutah saka β-Ga2O3 akeh substrat kristal tunggal utamané kristal cara narik, kayata Czochralski (CZ), pinggiran ditetepake film tipis cara dipakani (Edge -Defined film-panganan). , EFG), Bridgman (Rtical utawa horizontal Bridgman, HB utawa VB) lan teknologi zona ngambang (zona ngambang, FZ). Antarane kabeh cara, Czochralski lan cara dipakani film tipis pinggiran-ditetepake samesthine dalan paling janjeni kanggo produksi massa wafer β-Ga 2O3 ing mangsa, amarga padha bisa bebarengan entuk volume gedhe lan Kapadhetan kurang cacat. Nganti saiki, Teknologi Kristal Novel Jepang wis nyadari matriks komersial kanggo pertumbuhan leleh β-Ga2O3.
1.1 Metode Czochralski
Prinsip metode Czochralski yaiku lapisan wiji pisanan ditutupi, banjur kristal siji alon-alon ditarik metu saka leleh. Cara Czochralski tambah penting kanggo β-Ga2O3 amarga efektifitas biaya, kemampuan ukuran gedhe, lan pertumbuhan substrat kualitas kristal sing dhuwur. Nanging, amarga kaku termal sak wutah-suhu dhuwur saka Ga2O3, penguapan saka kristal tunggal, bahan leleh, lan karusakan kanggo ir crucible bakal kelakon. Iki minangka asil saka kangelan kanggo entuk doping n-jinis kurang ing Ga2O3. Ngenalake jumlah oksigen sing cocog menyang atmosfer wutah minangka salah sawijining cara kanggo ngatasi masalah iki. Liwat optimasi, β-Ga2O3 2-inci kanthi kualitas dhuwur kanthi kisaran konsentrasi elektron bebas 10^16~10^19 cm-3 lan kapadhetan elektron maksimal 160 cm2/Vs wis kasil dikembangake kanthi metode Czochralski.
Gambar 2 Kristal tunggal β-Ga2O3 thukul kanthi metode Czochralski
1.2 Edge-ditetepake film cara dipakani
Cara pakan film tipis sing ditetepake pinggiran dianggep minangka pesaing utama kanggo produksi komersial bahan kristal tunggal Ga2O3 area gedhe. Prinsip metode iki yaiku kanggo nyelehake leleh ing cetakan kanthi irisan kapiler, lan leleh munggah menyang cetakan liwat aksi kapiler. Ing sisih ndhuwur, film tipis dibentuk lan nyebar ing kabeh arah nalika diakibatake kristal wiji. Kajaba iku, pinggiran ndhuwur cetakan bisa dikontrol kanggo ngasilake kristal ing serpihan, tabung, utawa geometri sing dikarepake. Cara pakan film tipis sing ditetepake pinggiran saka Ga2O3 nyedhiyakake tingkat pertumbuhan sing cepet lan diameter gedhe. Gambar 3 nuduhake diagram kristal tunggal β-Ga2O3. Kajaba iku, babagan ukuran ukuran, substrat β-Ga2O3 2-inci lan 4-inci kanthi transparansi lan keseragaman sing apik wis dikomersialake, dene substrat 6-inci dituduhake ing riset kanggo komersialisasi mangsa ngarep. Bubar, materi akeh kristal tunggal bunder gedhe uga kasedhiya kanthi orientasi (-201). Kajaba iku, metode pakan film sing ditetepake pinggiran β-Ga2O3 uga ningkatake doping unsur logam transisi, nggawe riset lan persiapan Ga2O3 bisa ditindakake.
Gambar 3 β-Ga2O3 kristal tunggal thukul dening metode pakan film pinggiran ditetepake
1.3 Metode Bridgeman
Ing metode Bridgeman, kristal dibentuk ing crucible sing mboko sithik dipindhah liwat gradien suhu. Proses kasebut bisa ditindakake kanthi orientasi horisontal utawa vertikal, biasane nggunakake crucible puteran. Wigati dicathet yen cara iki bisa uga nggunakake wiji kristal utawa ora. Operator Bridgman tradisional ora duwe visualisasi langsung babagan proses leleh lan pertumbuhan kristal lan kudu ngontrol suhu kanthi presisi sing dhuwur. Metode Bridgman vertikal utamane digunakake kanggo pertumbuhan β-Ga2O3 lan dikenal kanthi kemampuan kanggo tuwuh ing lingkungan udara. Sajrone proses wutah metode Bridgman vertikal, total mundhut massa saka leleh lan crucible katahan ngisor 1%, mbisakake wutah saka gedhe β-Ga2O3 kristal tunggal karo mundhut minimal.
Gambar 4 Kristal tunggal β-Ga2O3 ditumbuhake kanthi metode Bridgeman
1.4 Metode zona terapung
Cara zona ngambang ngatasi masalah kontaminasi kristal dening bahan crucible lan nyuda biaya dhuwur sing ana gandhengane karo crucible infra merah tahan suhu dhuwur. Sajrone proses wutah iki, leleh bisa digawe panas dening lampu tinimbang sumber RF, saéngga nyederhanakake syarat kanggo peralatan wutah. Sanajan wujud lan kualitas kristal β-Ga2O3 sing ditanem kanthi metode zona ngambang durung optimal, metode iki mbukak cara sing apik kanggo ngembangake β-Ga2O3 kanthi kemurnian dhuwur dadi kristal tunggal sing ramah anggaran.
Gambar 5 β-Ga2O3 kristal tunggal sing dituwuhake kanthi metode zona ngambang.
Wektu kirim: Mei-30-2024