Semikondutturi Wide bandgap (WBG) rappreżentati minn karbur tas-silikon (SiC) u nitrur tal-gallju (GaN) irċevew attenzjoni mifruxa. In-nies għandhom aspettattivi għoljin għall-prospetti tal-applikazzjoni tal-karbur tas-silikon f'vetturi elettriċi u grilji tal-enerġija, kif ukoll il-prospetti tal-applikazzjoni tan-nitrur tal-gallju f'iċċarġjar mgħaġġel. F'dawn l-aħħar snin, ir-riċerka dwar il-materjali Ga2O3, AlN u djamant għamlet progress sinifikanti, u b'hekk il-materjali semikondutturi ta 'bandgap ultra-wisa' saru l-fokus tal-attenzjoni. Fost dawn, l-ossidu tal-gallju (Ga2O3) huwa materjal semikonduttur ultra-wide-bandgap emerġenti b'band gap ta '4.8 eV, qawwa tal-kamp ta' tqassim kritiku teoretiku ta 'madwar 8 MV cm-1, veloċità ta' saturazzjoni ta 'madwar 2E7cm s-1, u fattur ta 'kwalità għolja ta' Baliga ta '3000, li jirċievi attenzjoni mifruxa fil-qasam ta' vultaġġ għoli u qawwa ta 'frekwenza għolja elettronika.
1. Karatteristiċi tal-materjal tal-ossidu tal-gallju
Ga2O3 għandu medda kbira ta 'faxxa (4.8 eV), huwa mistenni li jikseb kemm vultaġġ għoli ta' reżistenza kif ukoll kapaċitajiet ta 'qawwa għolja, u jista' jkollu l-potenzjal għal adattabilità ta 'vultaġġ għoli b'reżistenza relattivament baxxa, li jagħmilhom il-fokus tar-riċerka attwali. Barra minn hekk, Ga2O3 mhux biss għandu proprjetajiet materjali eċċellenti, iżda jipprovdi wkoll varjetà ta 'teknoloġiji ta' doping tat-tip n li jistgħu jiġu aġġustati faċilment, kif ukoll teknoloġiji ta 'tkabbir tas-sottostrat u epitaxy bi prezz baxx. S'issa, ġew skoperti ħames fażijiet tal-kristall differenti f'Ga2O3, inklużi l-fażijiet tal-kurundun (α), monokliniku (β), spinel difettuż (γ), kubi (δ) u orthorhombic (ɛ). Stabbiltajiet termodinamiċi huma, fl-ordni, γ, δ, α, ɛ, u β. Ta 'min jinnota li l-β-Ga2O3 monokliniku huwa l-aktar stabbli, speċjalment f'temperaturi għoljin, filwaqt li fażijiet oħra huma metastabbli 'l fuq mit-temperatura tal-kamra u għandhom tendenza li jittrasformaw fil-fażi β taħt kundizzjonijiet termali speċifiċi. Għalhekk, l-iżvilupp ta 'apparat ibbażat fuq β-Ga2O3 sar fokus ewlieni fil-qasam tal-elettronika tal-enerġija f'dawn l-aħħar snin.
Tabella 1 Tqabbil ta 'xi parametri tal-materjal semikonduttur
L-istruttura tal-kristall ta 'monoclinicβ-Ga2O3 tidher fit-Tabella 1. Il-parametri tal-kannizzata tagħha jinkludu a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, u β = 103.8 °. Iċ-ċellula tal-unità tikkonsisti f'atomi Ga(I) b'koordinazzjoni tetrahedral mibruma u atomi Ga(II) b'koordinazzjoni ottaedrika. Hemm tliet arranġamenti differenti ta 'atomi ta' ossiġnu fil-firxa "kubu mibrum", inklużi żewġ atomi O (I) u O (II) ikkoordinati trijangularment u atomu O (III) ikkoordinat b'mod tetraedral. Il-kombinazzjoni ta 'dawn iż-żewġ tipi ta' koordinazzjoni atomika twassal għall-anisotropija ta 'β-Ga2O3 bi proprjetajiet speċjali fil-fiżika, korrużjoni kimika, ottika u elettronika.
Figura 1 Dijagramma strutturali skematika tal-kristall monokliniku β-Ga2O3
Mill-perspettiva tat-teorija tal-medda tal-enerġija, il-valur minimu tal-faxxa tal-konduzzjoni ta 'β-Ga2O3 huwa derivat mill-istat tal-enerġija li jikkorrispondi għall-orbita ibrida 4s0 tal-atomu Ga. Id-differenza tal-enerġija bejn il-valur minimu tal-faxxa tal-konduzzjoni u l-livell tal-enerġija tal-vakwu (enerġija tal-affinità tal-elettroni) hija mkejla. huwa 4 eV. Il-massa tal-elettroni effettiva ta 'β-Ga2O3 titkejjel bħala 0.28–0.33 me u l-konduttività elettronika favorevoli tagħha. Madankollu, il-massimu tal-faxxa ta 'valenza juri kurva Ek baxx b'kurvatura baxxa ħafna u orbitali O2p lokalizzati b'mod qawwi, li jissuġġerixxu li t-toqob huma lokalizzati profondament. Dawn il-karatteristiċi joħolqu sfida kbira biex jinkiseb doping tat-tip p f'β-Ga2O3. Anki jekk id-doping tat-tip P jista 'jinkiseb, it-toqba μ tibqa' f'livell baxx ħafna. 2. Tkabbir ta 'kristall singolu ta' ossidu tal-gallju bl-ingrossa S'issa, il-metodu tat-tkabbir ta 'substrat ta' kristall wieħed bl-ingrossa β-Ga2O3 huwa prinċipalment metodu ta 'ġbid tal-kristall, bħal Czochralski (CZ), metodu ta' tmigħ ta 'film irqiq definit bit-tarf (Edge -Defined film-fed , EFG), Bridgman (rtical jew orizzontali Bridgman, HB jew VB) u teknoloġija floating zone (floating zone, FZ). Fost il-metodi kollha, Czochralski u metodi ta 'tmigħ ta' film irqiq definiti bit-tarf huma mistennija li jkunu l-aktar toroq promettenti għall-produzzjoni tal-massa ta 'wejfers β-Ga 2O3 fil-futur, peress li jistgħu simultanjament jiksbu volumi kbar u densitajiet baxxi ta' difetti. Sa issa, it-Teknoloġija Ġdida tal-Kristall tal-Ġappun rrealizzaw matriċi kummerċjali għat-tkabbir tat-tidwib β-Ga2O3.
1.1 Metodu Czochralski
Il-prinċipju tal-metodu Czochralski huwa li s-saff taż-żerriegħa l-ewwel jiġi mgħotti, u mbagħad il-kristall wieħed jinġibed bil-mod mit-tidwib. Il-metodu Czochralski huwa dejjem aktar importanti għal β-Ga2O3 minħabba l-kosteffettività tiegħu, il-kapaċitajiet ta 'daqs kbir, u t-tkabbir tas-sottostrat ta' kwalità għolja tal-kristall. Madankollu, minħabba stress termali waqt it-tkabbir f'temperatura għolja ta 'Ga2O3, se jseħħu l-evaporazzjoni ta' kristalli singoli, materjali li jdubu, u ħsara lill-griġjol Ir. Dan huwa riżultat tad-diffikultà biex jinkiseb doping baxx tat-tip n fil-Ga2O3. L-introduzzjoni ta 'ammont xieraq ta' ossiġnu fl-atmosfera tat-tkabbir huwa mod wieħed biex issolvi din il-problema. Permezz ta 'ottimizzazzjoni, β-Ga2O3 ta' kwalità għolja ta '2 pulzieri b'firxa ta' konċentrazzjoni ta 'elettroni ħielsa ta' 10 ^ 16 ~ 10 ^ 19 cm-3 u densità massima ta 'elettroni ta' 160 cm2 / Vs tkabbar b'suċċess bil-metodu Czochralski.
Figura 2 Kristall wieħed ta' β-Ga2O3 imkabbar bil-metodu Czochralski
1.2 Metodu ta 'tmigħ tal-film definit mit-tarf
Il-metodu ta 'tmigħ ta' film irqiq definit bit-tarf huwa meqjus bħala l-konkorrent ewlieni għall-produzzjoni kummerċjali ta 'materjali ta' kristall wieħed Ga2O3 ta 'żona kbira. Il-prinċipju ta 'dan il-metodu huwa li tpoġġi t-tidwib f'moffa b'qasma kapillari, u t-tidwib jitla' għall-moffa permezz ta 'azzjoni kapillari. Fil-parti ta 'fuq, tifforma film irqiq u tinfirex fid-direzzjonijiet kollha filwaqt li tiġi indotta biex tikkristallizza mill-kristall taż-żerriegħa. Barra minn hekk, it-truf tal-quċċata tal-moffa jistgħu jiġu kkontrollati biex jipproduċu kristalli fi qxur, tubi, jew kwalunkwe ġeometrija mixtieqa. Il-metodu ta 'tmigħ tal-film irqiq definit bit-tarf ta' Ga2O3 jipprovdi rati ta 'tkabbir mgħaġġel u dijametri kbar. Il-Figura 3 turi dijagramma ta 'kristall wieħed β-Ga2O3. Barra minn hekk, f'termini ta 'skala tad-daqs, ġew ikkummerċjalizzati sottostrati β-Ga2O3 ta' 2 pulzieri u 4 pulzieri bi trasparenza u uniformità eċċellenti, filwaqt li s-sottostrat ta '6 pulzieri jintwera f'riċerka għal kummerċjalizzazzjoni futura. Riċentement, materjali kbar ċirkulari ta 'kristall wieħed bl-ingrossa saru wkoll disponibbli b'orjentazzjoni (-201). Barra minn hekk, il-metodu ta 'tmigħ tal-film definit bit-tarf β-Ga2O3 jippromwovi wkoll id-doping ta' elementi tal-metall ta 'tranżizzjoni, u jagħmel ir-riċerka u l-preparazzjoni ta' Ga2O3 possibbli.
Figura 3 kristall wieħed β-Ga2O3 imkabbar permezz ta' metodu ta' tmigħ tal-film definit mit-tarf
1.3 Metodu Bridgeman
Fil-metodu Bridgeman, il-kristalli huma ffurmati fi griġjol li gradwalment jitmexxa permezz ta 'gradjent tat-temperatura. Il-proċess jista 'jitwettaq f'orjentazzjoni orizzontali jew vertikali, ġeneralment bl-użu ta' griġjol li jdur. Ta 'min jinnota li dan il-metodu jista' jew ma jistax juża żrieragħ tal-kristall. Operaturi Bridgman tradizzjonali m'għandhomx viżwalizzazzjoni diretta tal-proċessi tat-tidwib u tat-tkabbir tal-kristall u jridu jikkontrollaw it-temperaturi bi preċiżjoni għolja. Il-metodu Bridgman vertikali jintuża prinċipalment għat-tkabbir ta 'β-Ga2O3 u huwa magħruf għall-kapaċità tiegħu li jikber f'ambjent ta' l-arja. Matul il-proċess tat-tkabbir vertikali tal-metodu Bridgman, it-telf totali tal-massa tat-tidwib u l-griġjol jinżamm taħt l-1%, li jippermetti t-tkabbir ta 'kristalli singoli kbar β-Ga2O3 b'telf minimu.
Figura 4 Kristall wieħed ta 'β-Ga2O3 imkabbar bil-metodu Bridgeman
1.4 Metodu taż-żona galleġġjanti
Il-metodu taż-żona li jżomm f'wiċċ l-ilma jsolvi l-problema tal-kontaminazzjoni tal-kristall minn materjali tal-griġjol u jnaqqas l-ispejjeż għoljin assoċjati ma 'griġjoli infra-aħmar reżistenti għal temperatura għolja. Matul dan il-proċess ta 'tkabbir, it-tidwib jista' jissaħħan b'lampa aktar milli sors RF, u b'hekk jissimplifikaw ir-rekwiżiti għat-tagħmir tat-tkabbir. Għalkemm il-forma u l-kwalità tal-kristall ta 'β-Ga2O3 imkabbra bil-metodu taż-żona f'wiċċ l-ilma għadhom mhumiex ottimali, dan il-metodu jiftaħ metodu promettenti għat-tkabbir ta' β-Ga2O3 ta 'purità għolja fi kristalli singoli li jiffavorixxu l-baġit.
Figura 5 kristall wieħed β-Ga2O3 imkabbar bil-metodu taż-żona f'wiċċ l-ilma.
Ħin tal-post: Mejju-30-2024