Plašas joslas (WBG) pusvadītāji, ko pārstāv silīcija karbīds (SiC) un gallija nitrīds (GaN), ir saņēmuši plašu uzmanību. Cilvēkiem ir lielas cerības uz silīcija karbīda izmantošanas iespējām elektriskajos transportlīdzekļos un elektrotīklos, kā arī uz gallija nitrīda izmantošanas iespējām ātrajā uzlādē. Pēdējos gados pētījumi par Ga2O3, AlN un dimanta materiāliem ir guvuši ievērojamu progresu, padarot īpaši platas joslas pusvadītāju materiālus uzmanības centrā. Tostarp gallija oksīds (Ga2O3) ir jauns īpaši platas joslas pusvadītāju materiāls ar joslas atstarpi 4,8 eV, teorētisko kritisko sadalījuma lauka intensitāti aptuveni 8 MV cm-1, piesātinājuma ātrumu aptuveni 2E7 cm s-1, un augsts Baligas kvalitātes koeficients 3000, kas pievērš plašu uzmanību augstsprieguma un augstsprieguma jomā frekvences jaudas elektronika.
1. Gallija oksīda materiāla raksturojums
Ga2O3 ir liela frekvenču joslas sprauga (4,8 eV), sagaidāms, ka tas sasniegs gan augstu noturības spriegumu, gan lielas jaudas iespējas, un tam var būt augsta sprieguma pielāgošanās potenciāls pie relatīvi zemas pretestības, padarot tos par pašreizējo pētījumu galveno uzmanību. Turklāt Ga2O3 ir ne tikai izcilas materiāla īpašības, bet arī nodrošina dažādas viegli regulējamas n-veida dopinga tehnoloģijas, kā arī zemu izmaksu substrāta audzēšanas un epitaksijas tehnoloģijas. Līdz šim Ga2O3 ir atklātas piecas dažādas kristāla fāzes, tostarp korunda (α), monoklīniskā (β), bojātā spinela (γ), kubiskā (δ) un ortorombiskā (ɛ) fāzes. Termodinamiskās stabilitātes secībā ir γ, δ, α, ɛ un β. Ir vērts atzīmēt, ka monoklīniskais β-Ga2O3 ir visstabilākais, īpaši augstās temperatūrās, savukārt citas fāzes ir metastabilas virs istabas temperatūras un konkrētos termiskajos apstākļos mēdz pārveidoties par β fāzi. Tāpēc pēdējos gados uz β-Ga2O3 balstītu ierīču izstrāde ir kļuvusi par galveno uzmanību spēka elektronikas jomā.
1. tabula Dažu pusvadītāju materiāla parametru salīdzinājums
Monoklīniskāβ-Ga2O3 kristāliskā struktūra ir parādīta 1. tabulā. Tās režģa parametri ietver a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å un β = 103,8°. Vienības šūna sastāv no Ga(I) atomiem ar savītu tetraedrisku koordināciju un Ga(II) atomiem ar oktaedrisku koordināciju. “Vītā kubiskā” masīvā ir trīs dažādi skābekļa atomu izkārtojumi, tostarp divi trīsstūriski koordinēti O (I) un O (II) atomi un viens tetraedriski koordinēts O (III) atoms. Šo divu veidu atomu koordinācijas kombinācija noved pie β-Ga2O3 anizotropijas ar īpašām īpašībām fizikā, ķīmiskajā korozijā, optikā un elektronikā.
1. attēls Monoklīniskā β-Ga2O3 kristāla shematiskā struktūras diagramma
No enerģijas joslu teorijas viedokļa β-Ga2O3 vadītspējas joslas minimālā vērtība tiek iegūta no enerģijas stāvokļa, kas atbilst Ga atoma 4s0 hibrīda orbītai. Tiek mērīta enerģijas starpība starp vadītspējas joslas minimālo vērtību un vakuuma enerģijas līmeni (elektronu afinitātes enerģiju). ir 4 eV. β-Ga2O3 efektīvā elektronu masa tiek mērīta kā 0,28–0,33 me un tās labvēlīgā elektroniskā vadītspēja. Tomēr valences joslas maksimumam ir sekla Ek līkne ar ļoti zemu izliekumu un spēcīgi lokalizētām O2p orbitālēm, kas liecina, ka caurumi ir dziļi lokalizēti. Šīs īpašības rada milzīgu izaicinājumu, lai panāktu p-tipa dopingu β-Ga2O3. Pat ja var panākt P tipa dopingu, caurums μ paliek ļoti zemā līmenī. 2. Lielapjoma gallija oksīda monokristālu audzēšana Līdz šim β-Ga2O3 lielapjoma monokristālu substrāta augšanas metode galvenokārt ir kristāla vilkšanas metode, piemēram, Czochralski (CZ), malas noteiktas plānās kārtiņas padeves metode (Edge-Defined plēves padeves metode). , EFG), Bridžmana (rtical vai horizontāla Bridgman, HB vai VB) un peldošā zona (peldošā zona, FZ) tehnoloģija. Paredzams, ka starp visām metodēm Czochralski un malu definētās plānās kārtiņas padeves metodes nākotnē būs visdaudzsološākās iespējas β-Ga 2O3 vafeļu masveida ražošanai, jo tās vienlaikus var sasniegt lielus apjomus un zemu defektu blīvumu. Līdz šim Japānas jaunā kristāla tehnoloģija ir izveidojusi komerciālu matricu β-Ga2O3 kausējuma augšanai.
2.1. Čočraļska metode
Czochralski metodes princips ir tāds, ka vispirms pārklāj sēklu slāni un pēc tam monokristālu lēnām izvelk no kausējuma. Czochralski metode kļūst arvien svarīgāka β-Ga2O3, pateicoties tās rentabilitātei, liela izmēra iespējām un augstas kristāla kvalitātes substrāta augšanai. Tomēr termiskā sprieguma dēļ Ga2O3 augšanas laikā augstā temperatūrā notiks atsevišķu kristālu, kausētu materiālu iztvaikošana un Ir tīģeļa bojājumi. Tas ir saistīts ar grūtībām panākt zemu n-tipa dopinga saturu Ga2O3. Atbilstoša skābekļa daudzuma ievadīšana augšanas atmosfērā ir viens no veidiem, kā atrisināt šo problēmu. Veicot optimizāciju, ar Czochralski metodi ir veiksmīgi izaudzēts augstas kvalitātes 2 collu β-Ga2O3 ar brīvo elektronu koncentrācijas diapazonu 10^16~10^19 cm-3 un maksimālo elektronu blīvumu 160 cm2/Vs.
2. attēls β-Ga2O3 monokristāls, kas audzēts ar Čočraļska metodi
2.2. Plēves padeves metode ar malu
Malu definētā plānās kārtiņas padeves metode tiek uzskatīta par vadošo sāncensi liela laukuma Ga2O3 monokristālu materiālu komerciālai ražošanai. Šīs metodes princips ir ievietot kausējumu veidnē ar kapilāru spraugu, un kausējums ar kapilāru darbību paceļas uz veidni. Augšpusē veidojas plāna plēve, kas izkliedējas visos virzienos, vienlaikus pamudinot to kristalizēties ar sēklu kristālu. Turklāt veidnes augšdaļas malas var kontrolēt, lai izveidotu kristālus pārslās, caurulēs vai jebkurā vēlamā ģeometrijā. Ga2O3 plānās kārtiņas padeves metode ar malām nodrošina ātru augšanas ātrumu un lielu diametru. 3. attēlā parādīta β-Ga2O3 monokristāla diagramma. Turklāt izmēru skalas ziņā ir komercializēti 2 collu un 4 collu β-Ga2O3 substrāti ar izcilu caurspīdīgumu un viendabīgumu, savukārt 6 collu substrāts tiek demonstrēts pētījumos turpmākai komercializācijai. Nesen ir kļuvuši pieejami arī lieli apļveida viena kristāla beztaras materiāli ar (-201) orientāciju. Turklāt β-Ga2O3 malu definētā plēves padeves metode veicina arī pārejas metālu elementu dopingu, padarot iespējamu Ga2O3 izpēti un sagatavošanu.
3. attēls β-Ga2O3 monokristāls, kas audzēts ar plēves padeves metodi
2.3. Bridžmena metode
Bridžmena metodē kristāli veidojas tīģelī, kas pakāpeniski tiek pārvietots pa temperatūras gradientu. Procesu var veikt horizontālā vai vertikālā orientācijā, parasti izmantojot rotējošu tīģeli. Ir vērts atzīmēt, ka šī metode var izmantot vai neizmantot kristāla sēklas. Tradicionālajiem Bridžmena operatoriem trūkst tiešas kušanas un kristālu augšanas procesu vizualizācijas, un tiem ir jākontrolē temperatūra ar augstu precizitāti. Vertikālo Bridžmena metodi galvenokārt izmanto β-Ga2O3 audzēšanai, un tā ir pazīstama ar spēju augt gaisa vidē. Vertikālās Bridžmena metodes augšanas procesā kopējais kausējuma un tīģeļa masas zudums tiek uzturēts zem 1%, kas ļauj augt lieliem β-Ga2O3 monokristāliem ar minimāliem zudumiem.
4. attēls β-Ga2O3 monokristāls, kas audzēts ar Bridžmena metodi
2.4 Peldošās zonas metode
Peldošās zonas metode atrisina kristālu piesārņojuma problēmu ar tīģeļa materiāliem un samazina augstās izmaksas, kas saistītas ar augstas temperatūras izturīgiem infrasarkanajiem tīģeļiem. Šī augšanas procesa laikā kausējumu var sildīt ar lampu, nevis RF avotu, tādējādi vienkāršojot prasības augšanas iekārtām. Lai gan ar peldošās zonas metodi audzētā β-Ga2O3 forma un kristāla kvalitāte vēl nav optimāla, šī metode paver daudzsološu metodi augstas tīrības pakāpes β-Ga2O3 audzēšanai budžetam draudzīgos monokristālos.
5. attēls β-Ga2O3 monokristāls, kas audzēts ar peldošās zonas metodi.
Publicēšanas laiks: 30. maijs 2024