Półprzewodniki o szerokim paśmie wzbronionym (WBG), reprezentowane przez węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN), cieszą się dużym zainteresowaniem. Ludzie mają duże oczekiwania co do perspektyw zastosowania węglika krzemu w pojazdach elektrycznych i sieciach elektroenergetycznych, a także perspektyw zastosowania azotku galu w szybkim ładowaniu. W ostatnich latach badania nad Ga2O3, AlN i materiałami diamentowymi poczyniły znaczne postępy, co spowodowało, że w centrum uwagi znalazły się materiały półprzewodnikowe o ultraszerokiej przerwie energetycznej. Wśród nich tlenek galu (Ga2O3) jest nowym materiałem półprzewodnikowym o ultraszerokiej przerwie wzbronionej, z pasmem wzbronionym 4,8 eV, teoretycznym krytycznym natężeniem pola przebicia około 8 MV cm-1, prędkością nasycenia około 2E7cm s-1, oraz wysoki współczynnik jakości Baliga wynoszący 3000, cieszący się szerokim zainteresowaniem w dziedzinie elektroniki mocy wysokiego napięcia i wysokiej częstotliwości.
1. Charakterystyka materiału tlenku galu
Ga2O3 ma dużą przerwę wzbronioną (4,8 eV), oczekuje się, że osiągnie zarówno wysokie napięcie wytrzymywane, jak i wysoką moc, a także może mieć potencjał adaptacji do wysokiego napięcia przy stosunkowo niskiej rezystancji, co czyni je przedmiotem bieżących badań. Ponadto Ga2O3 ma nie tylko doskonałe właściwości materiałowe, ale także zapewnia różnorodne, łatwo regulowane technologie domieszkowania typu n, a także tanie technologie wzrostu podłoża i epitaksji. Do tej pory w Ga2O3 odkryto pięć różnych faz krystalicznych, w tym fazę korundową (α), jednoskośną (β), wadliwą spinelową (γ), sześcienną (δ) i rombową (ɛ). Stabilności termodynamiczne to kolejno γ, δ, α, ɛ i β. Warto zaznaczyć, że jednoskośny β-Ga2O3 jest najbardziej stabilny, szczególnie w wysokich temperaturach, natomiast pozostałe fazy są metastabilne powyżej temperatury pokojowej i mają tendencję do przechodzenia w fazę β w określonych warunkach termicznych. Dlatego też rozwój urządzeń opartych na β-Ga2O3 stał się w ostatnich latach głównym przedmiotem zainteresowania w dziedzinie energoelektroniki.
Tabela 1 Porównanie niektórych parametrów materiałów półprzewodnikowych
Strukturę krystaliczną jednoskośnego β-Ga2O3 przedstawiono w tabeli 1. Parametry sieci obejmują a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å i β = 103,8°. Komórka elementarna składa się z atomów Ga(I) o skręconej koordynacji tetraedrycznej i atomów Ga(II) o koordynacji oktaedrycznej. Istnieją trzy różne układy atomów tlenu w „skręconym sześciennym” układzie, w tym dwa trójkątnie skoordynowane atomy O(I) i O(II) oraz jeden tetraedrycznie skoordynowany atom O(III). Połączenie tych dwóch typów koordynacji atomowej prowadzi do anizotropii β-Ga2O3 o specjalnych właściwościach w fizyce, korozji chemicznej, optyce i elektronice.
Rysunek 1 Schematyczny diagram strukturalny jednoskośnego kryształu β-Ga2O3
Z punktu widzenia teorii pasm energetycznych minimalną wartość pasma przewodnictwa β-Ga2O3 wyznacza się ze stanu energetycznego odpowiadającego orbitie hybrydowej 4s0 atomu Ga. Mierzona jest różnica energii pomiędzy minimalną wartością pasma przewodnictwa a poziomem energii próżni (energia powinowactwa elektronów). wynosi 4 eV. Efektywna masa elektronowa β-Ga2O3 mierzona jest na poziomie 0,28–0,33 me i jej korzystna przewodność elektronowa. Jednakże maksimum pasma walencyjnego wykazuje płytką krzywą Ek z bardzo małą krzywizną i silnie zlokalizowanymi orbitalami O2p, co sugeruje, że dziury są głęboko zlokalizowane. Cechy te stanowią ogromne wyzwanie w osiągnięciu domieszkowania typu p w β-Ga2O3. Nawet jeśli uda się osiągnąć domieszkowanie typu P, dziura μ pozostaje na bardzo niskim poziomie. 2. Wzrost monokryształu tlenku galu w masie Jak dotąd metoda wzrostu podłoża monokrystalicznego w masie β-Ga2O3 to głównie metoda ciągnięcia kryształów, taka jak Czochralski (CZ), metoda podawania cienkowarstwowego zdefiniowaną krawędziowo (Edge -Defined film-feded , EFG), technologię Bridgmana (pionową lub poziomą Bridgmana, HB lub VB) oraz technologię strefy pływającej (strefa pływająca, FZ). Oczekuje się, że spośród wszystkich metod najbardziej obiecującymi sposobami masowej produkcji płytek β-Ga 2O3 w przyszłości będą metody Czochralskiego i metody podawania cienkowarstwowego zdefiniowaną krawędziowo, ponieważ umożliwiają one jednoczesne uzyskiwanie dużych objętości i niskich gęstości defektów. Do chwili obecnej japońska firma Novel Crystal Technology opracowała komercyjną matrycę do wzrostu w stanie stopionym β-Ga2O3.
1.1 Metoda Czochralskiego
Zasada metody Czochralskiego polega na tym, że najpierw pokrywa się warstwę zarodkową, a następnie powoli wyciąga się monokryształ ze stopu. Metoda Czochralskiego nabiera coraz większego znaczenia w przypadku β-Ga2O3 ze względu na jej opłacalność, duże możliwości w zakresie rozmiarów i wzrost podłoża o wysokiej jakości kryształów. Jednakże, z powodu naprężenia termicznego podczas wzrostu Ga2O3 w wysokiej temperaturze, nastąpi odparowanie monokryształów, stopionych materiałów i uszkodzenie tygla Ir. Jest to wynikiem trudności w uzyskaniu niskiego domieszkowania typu n w Ga2O3. Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu jest wprowadzenie odpowiedniej ilości tlenu do atmosfery wzrostowej. Metodą Czochralskiego udało się wyhodować wysokiej jakości 2-calowy β-Ga2O3 o zakresie koncentracji wolnych elektronów 10^16~10^19 cm-3 i maksymalnej gęstości elektronowej 160 cm2/Vs.
Rysunek 2 Monokryształ β-Ga2O3 hodowany metodą Czochralskiego
1.2 Metoda podawania folii ze zdefiniowanymi krawędziami
Metoda podawania cienkiej folii zdefiniowana na krawędziach jest uważana za wiodącego konkurenta w komercyjnej produkcji wielkopowierzchniowych materiałów monokrystalicznych Ga2O3. Zasada tej metody polega na umieszczeniu wytopu w formie ze szczeliną kapilarną, a wytop unosi się do formy poprzez działanie kapilarne. Na górze tworzy się cienka warstwa, która rozprzestrzenia się we wszystkich kierunkach i jest indukowana do krystalizacji przez kryształ zaszczepiający. Dodatkowo można kontrolować krawędzie wierzchu formy, aby wytworzyć kryształy w postaci płatków, rurek lub dowolnej pożądanej geometrii. Metoda podawania cienkiej warstwy Ga2O3 zdefiniowana na krawędziach zapewnia szybkie tempo wzrostu i duże średnice. Rysunek 3 przedstawia schemat monokryształu β-Ga2O3. Ponadto pod względem skali rozmiarów skomercjalizowane zostały 2-calowe i 4-calowe podłoża β-Ga2O3 o doskonałej przezroczystości i jednorodności, natomiast 6-calowe podłoże zostało wykazane w badaniach pod kątem przyszłej komercjalizacji. Ostatnio dostępne stały się również duże, okrągłe, monokrystaliczne materiały sypkie z orientacją (-201). Ponadto metoda podawania folii β-Ga2O3 ze zdefiniowanymi krawędziami sprzyja również domieszkowaniu pierwiastków metali przejściowych, umożliwiając badanie i przygotowanie Ga2O3.
Rycina 3 Monokryształ β-Ga2O3 hodowany metodą podawania folii zdefiniowaną na krawędziach
1.3 Metoda Bridgemana
W metodzie Bridgemana kryształy powstają w tyglu, który jest stopniowo przemieszczany w gradiencie temperatury. Proces można prowadzić w orientacji poziomej lub pionowej, zwykle przy użyciu tygla obrotowego. Warto zauważyć, że ta metoda może, ale nie musi, wykorzystywać nasiona kryształów. Tradycyjnym operatorom Bridgmana brakuje bezpośredniej wizualizacji procesów topienia i wzrostu kryształów i muszą kontrolować temperatury z dużą precyzją. Pionowa metoda Bridgmana stosowana jest głównie do wzrostu β-Ga2O3 i znana jest ze swojej zdolności do wzrostu w środowisku powietrznym. Podczas procesu wzrostu metodą pionową Bridgmana, całkowity ubytek masy stopu i tygla utrzymuje się poniżej 1%, umożliwiając wzrost dużych monokryształów β-Ga2O3 przy minimalnych stratach.
Rysunek 4 Monokryształ β-Ga2O3 hodowany metodą Bridgemana
1.4 Metoda strefy pływającej
Metoda strefy pływającej rozwiązuje problem zanieczyszczenia kryształów materiałami tygla i zmniejsza wysokie koszty związane z tyglami na podczerwień odpornymi na wysokie temperatury. Podczas tego procesu wzrostu stop może być podgrzewany za pomocą lampy, a nie źródła RF, co upraszcza wymagania dotyczące sprzętu hodowlanego. Chociaż kształt i jakość kryształów β-Ga2O3 hodowanego metodą strefy pływającej nie są jeszcze optymalne, metoda ta otwiera obiecującą metodę hodowania β-Ga2O3 o wysokiej czystości w niedrogie monokryształy.
Rysunek 5 Monokryształ β-Ga2O3 hodowany metodą strefy pływającej.
Czas publikacji: 30 maja 2024 r