Bredt båndgap (WBG) halvledere representert av silisiumkarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN) har fått bred oppmerksomhet. Folk har høye forventninger til bruksutsiktene for silisiumkarbid i elektriske kjøretøy og strømnett, samt bruksutsiktene for galliumnitrid i hurtiglading. De siste årene har forskning på Ga2O3, AlN og diamantmaterialer gjort betydelige fremskritt, noe som har gjort ultrabrede båndgap-halvledermaterialer i fokus. Blant dem er galliumoksid (Ga2O3) et fremvoksende ultrabredt båndgap halvledermateriale med et båndgap på 4,8 eV, en teoretisk kritisk nedbrytningsfeltstyrke på ca. 8 MV cm-1, en metningshastighet på ca. 2E7cm s-1, og en høy Baliga-kvalitetsfaktor på 3000, som får bred oppmerksomhet innen høyspenning og høy frekvenskraftelektronikk.
1. Materialegenskaper for galliumoksid
Ga2O3 har et stort båndgap (4,8 eV), forventes å oppnå både høy motstandsspenning og høy effekt, og kan ha potensial for høyspenningstilpasning ved relativt lav motstand, noe som gjør dem til fokus for dagens forskning. I tillegg har Ga2O3 ikke bare utmerkede materialegenskaper, men gir også en rekke lett justerbare n-type dopingteknologier, samt rimelige substratvekst- og epitaksiteknologier. Så langt har fem forskjellige krystallfaser blitt oppdaget i Ga2O3, inkludert korund (α), monoklinisk (β), defekt spinell (γ), kubisk (δ) og ortorhombisk (ɛ) faser. Termodynamiske stabiliteter er i rekkefølge γ, δ, α, ɛ og β. Det er verdt å merke seg at monoklin β-Ga2O3 er den mest stabile, spesielt ved høye temperaturer, mens andre faser er metastabile over romtemperatur og har en tendens til å transformeres til β-fasen under spesifikke termiske forhold. Derfor har utviklingen av β-Ga2O3-baserte enheter blitt et stort fokus innen kraftelektronikk de siste årene.
Tabell 1 Sammenligning av noen halvledermaterialparametere
Krystallstrukturen til monoklinisk β-Ga2O3 er vist i tabell 1. Gitterparametrene inkluderer a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å og β = 103,8°. Enhetscellen består av Ga(I)-atomer med vridd tetraedrisk koordinasjon og Ga(II)-atomer med oktaedrisk koordinasjon. Det er tre forskjellige arrangementer av oksygenatomer i den "vridd kubiske" matrisen, inkludert to trekantet koordinerte O(I) og O(II) atomer og ett tetraedrisk koordinert O(III) atom. Kombinasjonen av disse to typene atomkoordinering fører til anisotropien til β-Ga2O3 med spesielle egenskaper innen fysikk, kjemisk korrosjon, optikk og elektronikk.
Figur 1 Skjematisk strukturdiagram av monoklinisk β-Ga2O3-krystall
Fra energibåndteoriens perspektiv er minimumsverdien av ledningsbåndet til β-Ga2O3 utledet fra energitilstanden som tilsvarer 4s0 hybridbanen til Ga-atomet. Energiforskjellen mellom minimumsverdien til ledningsbåndet og vakuumenerginivået (elektronaffinitetsenergi) måles. er 4 eV. Den effektive elektronmassen til β-Ga2O3 måles til 0,28–0,33 me og dens gunstige elektroniske ledningsevne. Valensbåndets maksimum viser imidlertid en grunn Ek-kurve med veldig lav krumning og sterkt lokaliserte O2p-orbitaler, noe som antyder at hullene er dypt lokaliserte. Disse egenskapene utgjør en stor utfordring for å oppnå p-type doping i β-Ga2O3. Selv om P-type doping kan oppnås, forblir hullet μ på et svært lavt nivå. 2. Vekst av bulk galliumoksid enkrystall Så langt er vekstmetoden for β-Ga2O3 bulk enkrystallsubstrat hovedsakelig krystalltrekkmetode, slik som Czochralski (CZ), kantdefinert tynnfilmfôringsmetode (Edge-Defined film-fed) , EFG), Bridgman (rtisk eller horisontal Bridgman, HB eller VB) og flytende sone (flytende sone, FZ) teknologi. Blant alle metodene forventes Czochralski og kantdefinerte tynnfilmfôringsmetoder å være de mest lovende veiene for masseproduksjon av β-Ga 2O3 wafere i fremtiden, da de samtidig kan oppnå store volumer og lave defekttettheter. Til nå har Japans nye krystallteknologi realisert en kommersiell matrise for smeltevekst β-Ga2O3.
1.1 Czochralski-metoden
Prinsippet for Czochralski-metoden er at frølaget først dekkes, og deretter trekkes enkeltkrystallen sakte ut av smelten. Czochralski-metoden er stadig viktigere for β-Ga2O3 på grunn av dens kostnadseffektivitet, store størrelsesegenskaper og substratvekst av høy krystallkvalitet. På grunn av termisk stress under høytemperaturveksten av Ga2O3, vil imidlertid fordampning av enkeltkrystaller, smeltematerialer og skade på Ir-digelen oppstå. Dette er et resultat av vanskeligheten med å oppnå lav n-type doping i Ga2O3. Å introdusere en passende mengde oksygen i vekstatmosfæren er en måte å løse dette problemet på. Gjennom optimalisering har høykvalitets 2-tommers β-Ga2O3 med et fritt elektronkonsentrasjonsområde på 10^16~10^19 cm-3 og en maksimal elektrontetthet på 160 cm2/Vs blitt dyrket med suksess ved Czochralski-metoden.
Figur 2. Enkeltkrystall av β-Ga2O3 dyrket ved Czochralski-metoden
1.2 Kantdefinert filmmatingsmetode
Den kantdefinerte tynnfilmmatingsmetoden anses å være den ledende konkurrenten for kommersiell produksjon av Ga2O3-enkeltkrystallmaterialer med stort areal. Prinsippet for denne metoden er å plassere smelten i en form med en kapillær spalte, og smelten stiger til formen gjennom kapillærvirkning. På toppen dannes en tynn film som sprer seg i alle retninger mens den induseres til å krystallisere av frøkrystallen. I tillegg kan kantene på formtoppen kontrolleres for å produsere krystaller i flak, rør eller hvilken som helst ønsket geometri. Den kantdefinerte tynnfilmmatemetoden til Ga2O3 gir raske veksthastigheter og store diametre. Figur 3 viser et diagram av en β-Ga2O3 enkeltkrystall. I tillegg, når det gjelder størrelsesskala, har 2-tommers og 4-tommers β-Ga2O3-substrater med utmerket transparens og ensartethet blitt kommersialisert, mens 6-tommers substratet er demonstrert i forskning for fremtidig kommersialisering. Nylig har store sirkulære enkrystall bulkmaterialer også blitt tilgjengelige med (−201) orientering. I tillegg fremmer den β-Ga2O3-kantdefinerte filmmatingsmetoden også doping av overgangsmetallelementer, noe som gjør forskning og fremstilling av Ga2O3 mulig.
Figur 3 β-Ga2O3 enkeltkrystall dyrket ved kantdefinert filmmatingsmetode
1.3 Bridgeman-metoden
I Bridgeman-metoden dannes krystaller i en digel som gradvis beveges gjennom en temperaturgradient. Prosessen kan utføres i horisontal eller vertikal orientering, vanligvis ved hjelp av en roterende digel. Det er verdt å merke seg at denne metoden kan eller ikke kan bruke krystallfrø. Tradisjonelle Bridgman-operatører mangler direkte visualisering av smelte- og krystallvekstprosessene og må kontrollere temperaturer med høy presisjon. Den vertikale Bridgman-metoden brukes hovedsakelig for vekst av β-Ga2O3 og er kjent for sin evne til å vokse i et luftmiljø. Under den vertikale Bridgman-metodens vekstprosess holdes det totale massetapet av smelten og digelen under 1 %, noe som muliggjør vekst av store β-Ga2O3 enkeltkrystaller med minimalt tap.
Figur 4 Enkeltkrystall av β-Ga2O3 dyrket ved Bridgeman-metoden
1.4 Flytende sonemetode
Den flytende sonemetoden løser problemet med krystallforurensning av digelmaterialer og reduserer de høye kostnadene forbundet med høytemperaturbestandige infrarøde digler. Under denne vekstprosessen kan smelten varmes opp av en lampe i stedet for en RF-kilde, og dermed forenkle kravene til vekstutstyr. Selv om formen og krystallkvaliteten til β-Ga2O3 dyrket med flytende sonemetoden ennå ikke er optimal, åpner denne metoden for en lovende metode for å dyrke høyrenhet β-Ga2O3 til budsjettvennlige enkeltkrystaller.
Figur 5 β-Ga2O3 enkeltkrystall dyrket ved flytesonemetoden.
Innleggstid: 30. mai 2024