Halfgeleiders met brede bandafstand (WBG), vertegenwoordigd door siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN), hebben brede aandacht gekregen. Mensen hebben hoge verwachtingen van de toepassingsmogelijkheden van siliciumcarbide in elektrische voertuigen en elektriciteitsnetwerken, evenals de toepassingsmogelijkheden van galliumnitride bij snelladen. De afgelopen jaren heeft het onderzoek naar Ga2O3-, AlN- en diamantmaterialen aanzienlijke vooruitgang geboekt, waardoor halfgeleidermaterialen met een ultrabrede bandafstand de aandacht hebben getrokken. Onder hen is galliumoxide (Ga2O3) een opkomend halfgeleidermateriaal met ultrabrede bandafstand met een bandafstand van 4,8 eV, een theoretische kritische doorslagveldsterkte van ongeveer 8 MV cm-1, een verzadigingssnelheid van ongeveer 2E7cm s-1, en een hoge Baliga-kwaliteitsfactor van 3000, die brede aandacht krijgt op het gebied van hoogspannings- en hoogfrequente vermogenselektronica.
1. Materiaaleigenschappen van galliumoxide
Ga2O3 heeft een grote bandafstand (4,8 eV), zal naar verwachting zowel een hoge weerstandsspanning als een hoog vermogen bereiken, en kan het potentieel hebben voor aanpassing aan hoge spanningen bij relatief lage weerstand, waardoor dit de focus van het huidige onderzoek wordt. Bovendien heeft Ga2O3 niet alleen uitstekende materiaaleigenschappen, maar biedt het ook een verscheidenheid aan gemakkelijk aanpasbare n-type dopingtechnologieën, evenals goedkope substraatgroei- en epitaxietechnologieën. Tot nu toe zijn er vijf verschillende kristalfasen ontdekt in Ga2O3, waaronder korund (α), monokliene (β), defecte spinel- (γ), kubieke (δ) en orthorhombische (ɛ) fasen. Thermodynamische stabiliteiten zijn, in volgorde, γ, δ, α, ɛ en β. Het is vermeldenswaard dat monokliene β-Ga2O3 het meest stabiel is, vooral bij hoge temperaturen, terwijl andere fasen metastabiel zijn boven kamertemperatuur en onder specifieke thermische omstandigheden de neiging hebben om in de β-fase te transformeren. Daarom is de ontwikkeling van op β-Ga2O3 gebaseerde apparaten de afgelopen jaren een belangrijk aandachtspunt geworden op het gebied van vermogenselektronica.
Tabel 1 Vergelijking van enkele parameters van halfgeleidermateriaal
De kristalstructuur van monoklieen β-Ga2O3 wordt weergegeven in Tabel 1. De roosterparameters omvatten a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å en β = 103,8°. De eenheidscel bestaat uit Ga(I)-atomen met gedraaide tetraëdrische coördinatie en Ga(II)-atomen met octaëdrische coördinatie. Er zijn drie verschillende rangschikkingen van zuurstofatomen in de “gedraaide kubieke” reeks, waaronder twee driehoekig gecoördineerde O(I)- en O(II)-atomen en één tetraëdrisch gecoördineerd O(III)-atoom. De combinatie van deze twee soorten atomaire coördinatie leidt tot de anisotropie van β-Ga2O3 met speciale eigenschappen in de natuurkunde, chemische corrosie, optica en elektronica.
Figuur 1 Schematisch structuurdiagram van monoklien β-Ga2O3-kristal
Vanuit het perspectief van de energiebandtheorie wordt de minimumwaarde van de geleidingsband van β-Ga2O3 afgeleid van de energietoestand die overeenkomt met de 4s0 hybride baan van het Ga-atoom. Het energieverschil tussen de minimumwaarde van de geleidingsband en het vacuümenergieniveau (elektronenaffiniteitsenergie) wordt gemeten. is 4 eV. De effectieve elektronenmassa van β-Ga2O3 wordt gemeten als 0,28–0,33 me en de gunstige elektronische geleidbaarheid ervan. Het maximum van de valentieband vertoont echter een ondiepe Ek-curve met een zeer lage kromming en sterk gelokaliseerde O2p-orbitalen, wat erop wijst dat de gaten diep gelokaliseerd zijn. Deze kenmerken vormen een enorme uitdaging om p-type doping in β-Ga2O3 te bereiken. Zelfs als doping van het P-type kan worden bereikt, blijft het gat μ op een zeer laag niveau. 2. Groei van galliumoxide-monokristal in bulk Tot nu toe is de groeimethode van β-Ga2O3 bulk-monokristalsubstraat voornamelijk een kristaltrekmethode, zoals Czochralski (CZ), randgedefinieerde dunne-filmtoevoermethode (Edge-Defined film-fed , EFG), Bridgman (rticale of horizontale Bridgman, HB of VB) en drijvende zone (zwevende zone, FZ) technologie. Van alle methoden wordt verwacht dat Czochralski en edge-gedefinieerde dunnefilmtoevoermethoden in de toekomst de meest veelbelovende mogelijkheden zullen zijn voor massaproductie van β-Ga 2O3-wafels, omdat ze tegelijkertijd grote volumes en lage defectdichtheden kunnen bereiken. Tot nu toe heeft het Japanse Novel Crystal Technology een commerciële matrix gerealiseerd voor de smeltgroei van β-Ga2O3.
1.1 Czochralski-methode
Het principe van de Czochralski-methode is dat de zaadlaag eerst wordt bedekt en vervolgens het enkele kristal langzaam uit de smelt wordt getrokken. De Czochralski-methode wordt steeds belangrijker voor β-Ga2O3 vanwege de kosteneffectiviteit, de mogelijkheden voor grote afmetingen en de substraatgroei van hoge kristalkwaliteit. Als gevolg van thermische spanning tijdens de groei van Ga2O3 bij hoge temperaturen zal echter verdamping van enkele kristallen, smeltmaterialen en schade aan de Ir-kroes optreden. Dit is een gevolg van de moeilijkheid om een lage n-type dotering in Ga2O3 te bereiken. Het introduceren van een geschikte hoeveelheid zuurstof in de groeiatmosfeer is één manier om dit probleem op te lossen. Door optimalisatie is hoogwaardige 2-inch β-Ga2O3 met een vrije elektronenconcentratiebereik van 10^16~10^19 cm-3 en een maximale elektronendichtheid van 160 cm2/Vs met succes gegroeid volgens de Czochralski-methode.
Figuur 2 Eénkristal van β-Ga2O3 gegroeid volgens de Czochralski-methode
1.2 Randgedefinieerde filmaanvoermethode
De randgedefinieerde dunne-filmtoevoermethode wordt beschouwd als de belangrijkste kanshebber voor de commerciële productie van Ga2O3-monokristalmaterialen met een groot oppervlak. Het principe van deze methode is om de smelt in een mal met een capillaire spleet te plaatsen, waarna de smelt door capillaire werking naar de mal stijgt. Aan de bovenkant vormt zich een dunne film die zich in alle richtingen verspreidt, terwijl deze door het entkristal tot kristallisatie wordt aangezet. Bovendien kunnen de randen van de maltop worden geregeld om kristallen in vlokken, buizen of elke gewenste geometrie te produceren. De randgedefinieerde dunne-filmtoevoermethode van Ga2O3 zorgt voor snelle groeisnelheden en grote diameters. Figuur 3 toont een diagram van een β-Ga2O3-monokristal. Bovendien zijn, qua grootte, 2-inch en 4-inch β-Ga2O3-substraten met uitstekende transparantie en uniformiteit op de markt gebracht, terwijl het 6-inch substraat is gedemonstreerd in onderzoek voor toekomstige commercialisering. Onlangs zijn er ook grote ronde bulkmaterialen met één kristal beschikbaar gekomen met (-201) oriëntatie. Bovendien bevordert de β-Ga2O3 edge-gedefinieerde filmtoevoermethode ook de dotering van overgangsmetaalelementen, waardoor het onderzoek en de bereiding van Ga2O3 mogelijk wordt.
Figuur 3 β-Ga2O3-monokristal gegroeid met een edge-gedefinieerde filmtoevoermethode
1.3 Bridgeman-methode
Bij de Bridgeman-methode worden kristallen gevormd in een smeltkroes die geleidelijk door een temperatuurgradiënt wordt bewogen. Het proces kan horizontaal of verticaal worden uitgevoerd, meestal met behulp van een roterende smeltkroes. Het is vermeldenswaard dat deze methode al dan niet gebruik maakt van kristalzaden. Traditionele Bridgman-operators hebben geen directe visualisatie van de smelt- en kristalgroeiprocessen en moeten de temperaturen met hoge precisie controleren. De verticale Bridgman-methode wordt voornamelijk gebruikt voor de groei van β-Ga2O3 en staat bekend om zijn vermogen om te groeien in een luchtomgeving. Tijdens het verticale groeiproces volgens de Bridgman-methode wordt het totale massaverlies van de smelt en de smeltkroes onder de 1% gehouden, waardoor de groei van grote β-Ga2O3-monokristallen met minimaal verlies mogelijk wordt.
Figuur 4 Eénkristal van β-Ga2O3 gegroeid volgens de Bridgeman-methode
1.4 Zwevende zonemethode
De zwevende zonemethode lost het probleem van kristalverontreiniging door smeltkroezen op en vermindert de hoge kosten die gepaard gaan met tegen hoge temperaturen bestendige infraroodkroezen. Tijdens dit groeiproces kan de smelt worden verwarmd door een lamp in plaats van door een RF-bron, waardoor de vereisten voor groeiapparatuur worden vereenvoudigd. Hoewel de vorm en kristalkwaliteit van β-Ga2O3 gegroeid met de drijvende zone-methode nog niet optimaal zijn, opent deze methode een veelbelovende methode om zeer zuivere β-Ga2O3 te laten groeien tot budgetvriendelijke enkele kristallen.
Figuur 5 β-Ga2O3-monokristal gegroeid volgens de drijvende zone-methode.
Posttijd: 30 mei 2024