Semikonduktor celah jalur lebar (WBG) yang diwakili oleh silikon karbida (SiC) dan galium nitrida (GaN) telah mendapat perhatian yang meluas. Orang ramai mempunyai jangkaan yang tinggi terhadap prospek penggunaan silikon karbida dalam kenderaan elektrik dan grid kuasa, serta prospek penggunaan galium nitrida dalam pengecasan pantas. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, penyelidikan mengenai bahan Ga2O3, AlN dan berlian telah mencapai kemajuan yang ketara, menjadikan bahan semikonduktor celah jalur ultra lebar sebagai tumpuan perhatian. Antaranya, galium oksida (Ga2O3) ialah bahan semikonduktor celah jalur ultra lebar yang baru muncul dengan jurang jalur 4.8 eV, kekuatan medan pecahan kritikal teori kira-kira 8 MV cm-1, halaju tepu kira-kira 2E7cm s-1, dan faktor kualiti Baliga yang tinggi iaitu 3000, mendapat perhatian meluas dalam bidang elektronik kuasa voltan tinggi dan frekuensi tinggi.
1. Ciri-ciri bahan galium oksida
Ga2O3 mempunyai jurang jalur yang besar (4.8 eV), dijangka mencapai kedua-dua voltan tahan tinggi dan keupayaan kuasa tinggi, dan boleh mempunyai potensi untuk penyesuaian voltan tinggi pada rintangan yang agak rendah, menjadikannya tumpuan penyelidikan semasa. Di samping itu, Ga2O3 bukan sahaja mempunyai sifat bahan yang sangat baik, tetapi juga menyediakan pelbagai teknologi doping jenis-n yang boleh diselaraskan dengan mudah, serta pertumbuhan substrat kos rendah dan teknologi epitaksi. Setakat ini, lima fasa kristal yang berbeza telah ditemui dalam Ga2O3, termasuk fasa korundum (α), monoklinik (β), spinel cacat (γ), kubik (δ) dan fasa ortorombik (ɛ). Kestabilan termodinamik adalah, mengikut tertib, γ, δ, α, ɛ, dan β. Perlu diingat bahawa monoklinik β-Ga2O3 adalah yang paling stabil, terutamanya pada suhu tinggi, manakala fasa lain adalah metastabil di atas suhu bilik dan cenderung berubah menjadi fasa β di bawah keadaan terma tertentu. Oleh itu, pembangunan peranti berasaskan β-Ga2O3 telah menjadi tumpuan utama dalam bidang elektronik kuasa sejak beberapa tahun kebelakangan ini.
Jadual 1 Perbandingan beberapa parameter bahan semikonduktor
Struktur kristal monoklinikβ-Ga2O3 ditunjukkan dalam Jadual 1. Parameter kekisinya termasuk a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, dan β = 103.8°. Sel unit terdiri daripada atom Ga(I) dengan koordinasi tetrahedral berpintal dan atom Ga(II) dengan koordinasi oktahedral. Terdapat tiga susunan atom oksigen yang berbeza dalam tatasusunan "kubik berpintal", termasuk dua atom O(I) dan O(II) yang diselaraskan secara segi tiga dan satu atom O(III) yang diselaraskan secara tetrahedral. Gabungan kedua-dua jenis koordinasi atom ini membawa kepada anisotropi β-Ga2O3 dengan sifat istimewa dalam fizik, kakisan kimia, optik dan elektronik.
Rajah 1 Gambarajah struktur skematik hablur β-Ga2O3 monoklinik
Dari perspektif teori jalur tenaga, nilai minimum jalur pengaliran β-Ga2O3 diperoleh daripada keadaan tenaga yang sepadan dengan orbit hibrid 4s0 atom Ga. Perbezaan tenaga antara nilai minimum jalur pengaliran dan tahap tenaga vakum (tenaga afiniti elektron) diukur. ialah 4 eV. Jisim elektron berkesan β-Ga2O3 diukur sebagai 0.28–0.33 me dan kekonduksian elektroniknya yang menggalakkan. Walau bagaimanapun, jalur valensi maksimum mempamerkan lengkung Ek cetek dengan kelengkungan yang sangat rendah dan orbital O2p yang sangat setempat, menunjukkan bahawa lubang-lubang tersebut sangat setempat. Ciri-ciri ini menimbulkan cabaran besar untuk mencapai doping jenis p dalam β-Ga2O3. Walaupun doping jenis P boleh dicapai, lubang μ kekal pada tahap yang sangat rendah. 2. Pertumbuhan kristal tunggal galium oksida pukal Setakat ini, kaedah pertumbuhan substrat hablur tunggal pukal β-Ga2O3 adalah terutamanya kaedah penarikan kristal, seperti Czochralski (CZ), kaedah penyusuan filem nipis bertepi tepi (Edge -Defined film-fed) , EFG), Bridgman (Bridgman mendatar atau mendatar, HB atau VB) dan teknologi zon terapung (zon terapung, FZ). Di antara semua kaedah, kaedah penyuapan Czochralski dan filem nipis yang ditentukan tepi dijangka menjadi jalan yang paling menjanjikan untuk pengeluaran besar-besaran wafer β-Ga 2O3 pada masa hadapan, kerana ia boleh mencapai volum yang besar dan ketumpatan kecacatan yang rendah secara serentak. Sehingga kini, Teknologi Kristal Novel Jepun telah merealisasikan matriks komersial untuk pertumbuhan cair β-Ga2O3.
2.1 Kaedah Czochralski
Prinsip kaedah Czochralski ialah lapisan benih pertama kali ditutup, dan kemudian kristal tunggal ditarik keluar secara perlahan dari cair. Kaedah Czochralski semakin penting untuk β-Ga2O3 kerana keberkesanan kos, keupayaan saiz besar, dan pertumbuhan substrat kualiti kristal yang tinggi. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh tegasan haba semasa pertumbuhan suhu tinggi Ga2O3, penyejatan kristal tunggal, bahan cair, dan kerosakan pada pijar Ir akan berlaku. Ini adalah hasil daripada kesukaran untuk mencapai doping jenis n yang rendah dalam Ga2O3. Memperkenalkan jumlah oksigen yang sesuai ke dalam suasana pertumbuhan adalah satu cara untuk menyelesaikan masalah ini. Melalui pengoptimuman, β-Ga2O3 2 inci berkualiti tinggi dengan julat kepekatan elektron bebas 10^16~10^19 cm-3 dan ketumpatan elektron maksimum 160 cm2/Vs telah berjaya ditanam dengan kaedah Czochralski.
Rajah 2 Hablur tunggal β-Ga2O3 yang ditanam dengan kaedah Czochralski
2.2 Kaedah penyusuan filem bertepi tepi
Kaedah penyusuan filem nipis yang ditentukan tepi dianggap sebagai pesaing utama untuk pengeluaran komersil bahan kristal tunggal Ga2O3 kawasan besar. Prinsip kaedah ini adalah untuk meletakkan leburan dalam acuan dengan celah kapilari, dan leburan naik ke acuan melalui tindakan kapilari. Di bahagian atas, filem nipis terbentuk dan merebak ke semua arah sambil didorong untuk menghablur oleh kristal benih. Selain itu, tepi bahagian atas acuan boleh dikawal untuk menghasilkan kristal dalam kepingan, tiub, atau sebarang geometri yang dikehendaki. Kaedah penyusuan filem nipis bertepi tepi bagi Ga2O3 memberikan kadar pertumbuhan yang cepat dan diameter yang besar. Rajah 3 menunjukkan gambar rajah hablur tunggal β-Ga2O3. Di samping itu, dari segi skala saiz, substrat β-Ga2O3 2 inci dan 4 inci dengan ketelusan dan keseragaman yang sangat baik telah dikomersialkan, manakala substrat 6 inci ditunjukkan dalam penyelidikan untuk pengkomersialan masa hadapan. Baru-baru ini, bahan pukal kristal tunggal bulat besar juga telah tersedia dengan orientasi (-201). Di samping itu, kaedah penyuapan filem bertepi tepi β-Ga2O3 juga menggalakkan doping unsur logam peralihan, menjadikan penyelidikan dan penyediaan Ga2O3 mungkin.
Rajah 3 β-Ga2O3 hablur tunggal yang ditanam dengan kaedah penyusuan filem bertepi tepi
2.3 Kaedah Bridgeman
Dalam kaedah Bridgeman, kristal terbentuk dalam mangkuk pijar yang secara beransur-ansur digerakkan melalui kecerunan suhu. Proses ini boleh dilakukan dalam orientasi mendatar atau menegak, biasanya menggunakan pijar berputar. Perlu diingat bahawa kaedah ini mungkin menggunakan biji kristal atau tidak. Pengendali Bridgman tradisional kekurangan visualisasi langsung proses lebur dan pertumbuhan kristal dan mesti mengawal suhu dengan ketepatan tinggi. Kaedah Bridgman menegak digunakan terutamanya untuk pertumbuhan β-Ga2O3 dan terkenal dengan keupayaannya untuk berkembang dalam persekitaran udara. Semasa proses pertumbuhan kaedah Bridgman menegak, jumlah kehilangan jisim cair dan crucible dikekalkan di bawah 1%, membolehkan pertumbuhan hablur tunggal β-Ga2O3 yang besar dengan kehilangan yang minimum.
Rajah 4 Hablur tunggal β-Ga2O3 yang ditanam dengan kaedah Bridgeman
2.4 Kaedah zon terapung
Kaedah zon terapung menyelesaikan masalah pencemaran kristal oleh bahan pijar dan mengurangkan kos tinggi yang berkaitan dengan mangkuk pijar inframerah tahan suhu tinggi. Semasa proses pertumbuhan ini, leburan boleh dipanaskan oleh lampu dan bukannya sumber RF, dengan itu memudahkan keperluan untuk peralatan pertumbuhan. Walaupun bentuk dan kualiti kristal β-Ga2O3 yang ditanam dengan kaedah zon terapung masih belum optimum, kaedah ini membuka kaedah yang menjanjikan untuk mengembangkan β-Ga2O3 ketulenan tinggi kepada kristal tunggal yang mesra bajet.
Rajah 5 β-Ga2O3 hablur tunggal yang ditanam dengan kaedah zon terapung.
Masa siaran: Mei-30-2024