Plataus dažnio juostos (WBG) puslaidininkiai, atstovaujami silicio karbido (SiC) ir galio nitrido (GaN), sulaukė didelio dėmesio. Žmonės labai tikisi dėl silicio karbido panaudojimo elektrinėse transporto priemonėse ir elektros tinkluose, taip pat dėl galio nitrido taikymo greitojo įkrovimo srityje. Pastaraisiais metais Ga2O3, AlN ir deimantinių medžiagų tyrimai padarė didelę pažangą, todėl itin plačios juostos puslaidininkinės medžiagos tapo dėmesio centre. Tarp jų galio oksidas (Ga2O3) yra besiformuojanti itin plataus diapazono puslaidininkinė medžiaga, kurios juostos tarpas yra 4,8 eV, teorinis kritinis skilimo lauko stiprumas yra apie 8 MV cm-1, soties greitis apie 2E7 cm s-1, ir aukštas Baliga kokybės koeficientas 3000, sulaukiantis didelio dėmesio aukštos įtampos ir aukštos dažnio galios elektronika.
1. Galio oksido medžiagos charakteristikos
Ga2O3 turi didelį dažnių juostos tarpą (4,8 eV), tikimasi, kad jis pasieks ir didelę atsparumo įtampą, ir didelę galią, ir gali turėti galimybę pritaikyti aukštą įtampą esant santykinai mažai varžai, todėl dabartiniai tyrimai yra skirti jiems. Be to, Ga2O3 pasižymi ne tik puikiomis medžiagų savybėmis, bet ir suteikia įvairias lengvai reguliuojamas n tipo dopingo technologijas, taip pat nebrangias substrato auginimo ir epitaksijos technologijas. Iki šiol Ga2O3 buvo aptiktos penkios skirtingos kristalinės fazės, įskaitant korundo (α), monoklininės (β), defektinės špinelio (γ), kubinės (δ) ir ortorombinės (ɛ) fazes. Termodinaminis stabilumas yra γ, δ, α, ɛ ir β. Verta paminėti, kad monoklininis β-Ga2O3 yra stabiliausias, ypač esant aukštai temperatūrai, o kitos fazės yra metastabilios aukštesnėje nei kambario temperatūroje ir tam tikromis šiluminėmis sąlygomis linkusios transformuotis į β fazę. Todėl pastaraisiais metais β-Ga2O3 pagrindu veikiančių prietaisų kūrimas tapo vienu didžiausiu akcentu galios elektronikos srityje.
1 lentelė Kai kurių puslaidininkinių medžiagų parametrų palyginimas
Monoklininio β-Ga2O3 kristalinė struktūra parodyta 1 lentelėje. Jo gardelės parametrai yra a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å ir β = 103,8°. Vienetinė ląstelė susideda iš Ga(I) atomų su suktu tetraedrine koordinacija ir Ga(II) atomų su oktaedrine koordinacija. „Susuktoje kubinėje“ matricoje yra trys skirtingi deguonies atomų išsidėstymai, įskaitant du trikampiu koordinuotus O (I) ir O (II) atomus ir vieną tetraedriškai koordinuotą O (III) atomą. Šių dviejų atomų koordinavimo tipų derinys lemia β-Ga2O3 anizotropiją, pasižyminčią ypatingomis fizikos, cheminės korozijos, optikos ir elektronikos savybėmis.
1 pav. Monoklininio β-Ga2O3 kristalo schema
Energijos juostos teorijos požiūriu minimali β-Ga2O3 laidumo juostos vertė yra išvedama iš energijos būsenos, atitinkančios Ga atomo 4s0 hibridinę orbitą. Matuojamas energijos skirtumas tarp minimalios laidumo juostos reikšmės ir vakuumo energijos lygio (elektronų afiniteto energijos). yra 4 eV. Efektyvioji β-Ga2O3 elektronų masė yra 0,28–0,33 me ir jos palankus elektroninis laidumas. Tačiau valentinės juostos maksimumas rodo seklią Ek kreivę su labai mažu kreivumu ir stipriai lokalizuotomis O2p orbitomis, o tai rodo, kad skylės yra giliai lokalizuotos. Šios savybės kelia didžiulį iššūkį norint pasiekti p tipo dopingą β-Ga2O3. Net jei galima pasiekti P tipo dopingą, skylė μ išlieka labai žemo lygio. 2. Tūrinio galio oksido monokristalų auginimas Iki šiol β-Ga2O3 masinio monokristalinio substrato auginimo metodas daugiausia yra kristalų traukimo metodas, pvz., Czochralski (CZ), kraštų apibrėžtos plonos plėvelės padavimo metodas (kraštinė apibrėžta plėvele). , EFG), Bridgmanas (rical arba horizontalus Bridgman, HB arba VB) ir plūduriuojanti zona (plaukiojanti zona, FZ) technologija. Tikimasi, kad tarp visų metodų Czochralski ir kraštų apibrėžti plonasluoksnės plėvelės padavimo metodai ateityje bus perspektyviausi masinės β-Ga 2O3 plokštelių gamybos būdai, nes jie vienu metu gali pasiekti didelius kiekius ir mažą defektų tankį. Iki šiol Japonijos naujoji kristalų technologija sukūrė komercinę β-Ga2O3 lydalo augimo matricą.
1.1 Czochralskio metodas
Czochralski metodo principas yra tas, kad pirmiausia uždengiamas sėklų sluoksnis, o tada monokristalas lėtai ištraukiamas iš lydalo. Czochralski metodas tampa vis svarbesnis β-Ga2O3 dėl jo ekonomiškumo, didelio dydžio galimybių ir aukštos kristalų kokybės substrato augimo. Tačiau dėl šiluminio streso augant Ga2O3 aukštai temperatūrai išgaruos pavieniai kristalai, išsilydys medžiagos ir bus pažeistas Ir tiglis. Taip yra dėl to, kad sunku pasiekti mažą n tipo dopingą Ga2O3. Tinkamo deguonies kiekio patekimas į augimo atmosferą yra vienas iš būdų išspręsti šią problemą. Optimizuojant Czochralski metodu sėkmingai išaugintas aukštos kokybės 2 colių β-Ga2O3, kurio laisvųjų elektronų koncentracijos diapazonas yra 10^16~10^19 cm-3, o maksimalus elektronų tankis yra 160 cm2/Vs.
2 pav. Pavieniai β-Ga2O3 kristalai, išauginti Czochralski metodu
1.2 Kraštu apibrėžtas plėvelės padavimo būdas
Kraštu apibrėžtas plonos plėvelės padavimo metodas laikomas pagrindiniu pretendentu į komercinę didelio ploto Ga2O3 monokristalinių medžiagų gamybą. Šio metodo principas – lydalas dedamas į formą su kapiliariniu plyšiu, o lydalas kapiliariniu būdu pakyla į formą. Viršuje susidaro plona plėvelė, kuri plinta visomis kryptimis, o sėklų kristalas skatinamas kristalizuotis. Be to, formos viršaus kraštus galima valdyti, kad susidarytų kristalai dribsniuose, vamzdeliuose ar bet kokios norimos geometrijos pavidalu. Ga2O3 plonos plėvelės padavimo iš kraštų metodas užtikrina greitą augimo greitį ir didelį skersmenį. 3 paveiksle parodyta β-Ga2O3 monokristalo diagrama. Be to, kalbant apie dydžio skalę, buvo komercializuoti 2 colių ir 4 colių β-Ga2O3 substratai, pasižymintys puikiu skaidrumu ir vienodumu, o 6 colių substratas demonstruojamas atliekant būsimus komercializavimo tyrimus. Neseniai taip pat tapo prieinamos didelės apskritos vieno kristalo birios medžiagos su (-201) orientacija. Be to, β-Ga2O3 briaunomis apibrėžtas plėvelės padavimo metodas taip pat skatina pereinamųjų metalų elementų dopingą, todėl galima atlikti Ga2O3 tyrimus ir paruošimą.
3 pav. β-Ga2O3 monokristalas, išaugintas briaunos plėvelės padavimo metodu
1.3 Bridžmeno metodas
Bridžmeno metodu kristalai susidaro tiglyje, kuris palaipsniui judinamas temperatūros gradientu. Procesas gali būti atliekamas horizontaliai arba vertikaliai, dažniausiai naudojant sukamąjį tiglį. Verta paminėti, kad šiuo metodu gali būti naudojamos arba nenaudojamos kristalų sėklos. Tradiciniai Bridžmano operatoriai neturi tiesioginio lydymosi ir kristalų augimo procesų vizualizavimo ir turi labai tiksliai kontroliuoti temperatūrą. Vertikalus Bridgmano metodas daugiausia naudojamas β-Ga2O3 augimui ir yra žinomas dėl savo gebėjimo augti oro aplinkoje. Vertikalaus Bridgmano metodo augimo proceso metu bendras lydalo ir tiglio masės praradimas yra mažesnis nei 1%, leidžiantis augti dideliems β-Ga2O3 pavieniams kristalams su minimaliais nuostoliais.
4 pav. β-Ga2O3 pavieniai kristalai, išauginti Bridžmano metodu
1.4 Plaukiojančios zonos metodas
Plūduriuojančios zonos metodas išsprendžia kristalų užteršimo tiglio medžiagomis problemą ir sumažina dideles išlaidas, susijusias su aukštai temperatūrai atspariais infraraudonųjų spindulių tigliais. Šio augimo proceso metu lydalas gali būti šildomas lempa, o ne RF šaltiniu, taip supaprastinant auginimo įrangai keliamus reikalavimus. Nors plūduriuojančios zonos metodu išauginto β-Ga2O3 forma ir kristalų kokybė dar nėra optimali, šis metodas atveria perspektyvų metodą, kaip išauginti didelio grynumo β-Ga2O3 į biudžetą palankius pavienius kristalus.
5 pav. β-Ga2O3 monokristalas, išaugintas plūduriuojančios zonos metodu.
Paskelbimo laikas: 2024-05-30