Полупроводниците со широк опсег (WBG) претставени со силициум карбид (SiC) и галиум нитрид (GaN) добија широко внимание. Луѓето имаат големи очекувања за изгледите за примена на силициум карбид во електрични возила и електрични мрежи, како и изгледите за примена на галиум нитрид при брзо полнење. Во последниве години, истражувањата на Ga2O3, AlN и дијамантските материјали постигнаа значителен напредок, правејќи ги полупроводничките материјали со ултра широк опсег во фокусот на вниманието. Помеѓу нив, галиум оксидот (Ga2O3) е полупроводнички материјал со ултра широк појас со појас од 4,8 eV, теоретска критична јачина на полето на распаѓање од околу 8 MV cm-1, брзина на заситување од околу 2E7cm s-1, и висок фактор на квалитет на Балига од 3000, добивајќи широко внимание во областа на високото напонска и високофреквентна енергетска електроника.
1. Карактеристики на материјалот од галиум оксид
Ga2O3 има голем јаз на опсегот (4,8 eV), се очекува да постигне и високи способности за издржување на напон и висока моќност и може да има потенцијал за приспособливост на висок напон при релативно низок отпор, што ги прави фокус на тековните истражувања. Покрај тоа, Ga2O3 не само што има одлични својства на материјалот, туку обезбедува и разновидни лесно прилагодливи технологии за допинг од n-тип, како и евтини технологии за раст на подлогата и епитаксија. Досега, во Ga2O3 се откриени пет различни кристални фази, вклучувајќи корунд (α), моноклиничен (β), дефектен спинел (γ), кубна (δ) и ортохомбична (ɛ). Термодинамичките стабилности се, по ред, γ, δ, α, ɛ и β. Вреди да се напомене дека моноклиничниот β-Ga2O3 е најстабилен, особено на високи температури, додека другите фази се метастабилни над собната температура и имаат тенденција да се трансформираат во β фаза под специфични термички услови. Затоа, развојот на уредите базирани на β-Ga2O3 стана главен фокус на полето на електрониката во последниве години.
Табела 1 Споредба на некои параметри на полупроводнички материјал
Кристалната структура на моноклиник β-Ga2O3 е прикажана во Табела 1. Нејзините параметри на решетка вклучуваат a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å и β = 103,8 °. Единечната клетка се состои од Ga(I) атоми со искривена тетраедрална координација и Ga(II) атоми со октаедрална координација. Постојат три различни распореди на атоми на кислород во „извртената кубна“ низа, вклучувајќи два триаголно координирани O(I) и O(II) атоми и еден тетраедрално координиран O(III) атом. Комбинацијата на овие два типа на атомска координација доведува до анизотропија на β-Ga2O3 со посебни својства во физиката, хемиската корозија, оптиката и електрониката.
Слика 1 Шематски структурен дијаграм на моноклинички β-Ga2O3 кристал
Од гледна точка на теоријата на енергетскиот опсег, минималната вредност на проводниот опсег на β-Ga2O3 е изведена од енергетската состојба што одговара на 4s0 хибридната орбита на атомот Ga. Се мери енергетската разлика помеѓу минималната вредност на проводниот опсег и нивото на вакуумската енергија (енергија на афинитет на електрони). е 4 eV. Ефективната електронска маса на β-Ga2O3 се мери како 0,28-0,33 me и неговата поволна електронска спроводливост. Сепак, максимумот на валентниот опсег покажува плитка Ek крива со многу мала заобленост и силно локализирани O2p орбитали, што укажува на тоа дека дупките се длабоко локализирани. Овие карактеристики претставуваат огромен предизвик за да се постигне допинг од p-тип во β-Ga2O3. Дури и ако може да се постигне допинг од P-тип, дупката μ останува на многу ниско ниво. 2. Раст на најголемиот дел од монокристалот од галиум оксид Досега, методот на раст на β-Ga2O3 рефус еден кристален супстрат е главно метод на влечење на кристали, како што е Czochralski (CZ), метод на хранење со тенок филм со раб (Edge -Defined film-feed , EFG), Bridgman (ртикален или хоризонтален Bridgman, HB или VB) и пловечка зона (пловечка зона, FZ) технологија. Помеѓу сите методи, Чохралски и методите за хранење со тенок филм со рабови се очекува да бидат најперспективните начини за масовно производство на β-Ga 2O3 наполитанки во иднина, бидејќи тие истовремено можат да постигнат големи волумени и мала густина на дефекти. Досега, јапонската Novel Crystal Technology има реализирано комерцијална матрица за раст на топење β-Ga2O3.
1.1 Чохралски метод
Принципот на методот Czochralski е дека слојот од семето прво се покрива, а потоа монокристалот полека се извлекува од топењето. Методот Czochralski е сè поважен за β-Ga2O3 поради неговата исплатливост, можностите за големи димензии и растот на подлогата со висок квалитет на кристал. Сепак, поради термички стрес за време на високиот температурен раст на Ga2O3, ќе дојде до испарување на единечни кристали, стопени материјали и оштетување на Ir садот. Ова е резултат на тешкотијата да се постигне низок допинг од n-тип во Ga2O3. Воведувањето соодветно количество кислород во атмосферата за раст е еден начин да се реши овој проблем. Преку оптимизација, висококвалитетниот β-Ga2O3 од 2 инчи со опсег на концентрација на слободни електрони од 10^16~10^19 cm-3 и максимална густина на електрони од 160 cm2/Vs успешно се одгледува со методот Czochralski.
Слика 2 Еднокристал на β-Ga2O3 одгледуван со методот Czochralski
1.2
Методот на хранење со тенок филм дефиниран со рабовите се смета за водечки конкурент за комерцијално производство на еднокристални материјали со голема површина Ga2O3. Принципот на овој метод е да се стави топењето во калап со капиларен шлиц, а топењето се крева до калапот преку капиларно дејство. На врвот, се формира тенок филм и се шири во сите правци додека се предизвикува да се кристализира од семениот кристал. Дополнително, рабовите на горниот дел од мувлата може да се контролираат за да се создадат кристали во снегулки, цевки или која било посакувана геометрија. Начинот на хранење со тенок филм на Ga2O3, дефиниран со рабовите, обезбедува брзи стапки на раст и големи дијаметри. Слика 3 покажува дијаграм на β-Ga2O3 единечен кристал. Дополнително, во однос на скалата на големината, комерцијализирани се 2-инчни и 4-инчни β-Ga2O3 подлоги со одлична транспарентност и униформност, додека супстратот од 6 инчи е демонстриран во истражувањата за идна комерцијализација. Неодамна, големи кружни еднокристални рефус материјали исто така станаа достапни со (−201) ориентација. Дополнително, методот за хранење на филм, дефиниран со рабовите β-Ga2O3, исто така, го промовира допингот на преодните метални елементи, што го прави возможно истражување и подготовка на Ga2O3.
Слика 3 β-Ga2O3 единечен кристал одгледан со метод на хранење филм дефиниран со рабовите
1.3 Бриџман метод
Во методот Бриџман, кристалите се формираат во сад што постепено се движи низ температурен градиент. Процесот може да се изведе во хоризонтална или вертикална ориентација, обично со помош на ротирачки сад. Вреди да се напомене дека овој метод може или не може да користи кристални семиња. Традиционалните оператори Бриџман немаат директна визуелизација на процесите на топење и раст на кристалите и мора да ги контролираат температурите со висока прецизност. Вертикалниот Бриџман метод главно се користи за раст на β-Ga2O3 и е познат по неговата способност да расте во воздушна средина. За време на процесот на вертикален раст на методот Бриџман, вкупната загуба на маса на топењето и садот се одржува под 1%, што овозможува раст на големите β-Ga2O3 единечни кристали со минимална загуба.
Слика 4 Еднокристал на β-Ga2O3 одгледуван со методот Бриџман
1.4 Метод на пловечка зона
Методот на пловечка зона го решава проблемот со контаминација со кристали со материјали од садници и ги намалува високите трошоци поврзани со инфрацрвените садници отпорни на високи температури. За време на овој процес на раст, топењето може да се загрева со светилка наместо со извор на RF, со што се поедноставуваат барањата за опрема за раст. Иако обликот и квалитетот на кристалот на β-Ga2O3 одгледувани со методот на лебдечка зона сè уште не се оптимални, овој метод отвора ветувачки метод за одгледување на β-Ga2O3 со висока чистота во економични единечни кристали.
Слика 5 β-Ga2O3 еднокристал одгледуван со методот на лебдечка зона.
Време на објавување: мај-30-2024 година