Semicondutores de banda larga (WBG) representados por carboneto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN) têm recebido ampla atenção. As pessoas têm grandes expectativas quanto às perspectivas de aplicação do carboneto de silício em veículos elétricos e redes de energia, bem como às perspectivas de aplicação do nitreto de gálio no carregamento rápido. Nos últimos anos, a pesquisa sobre Ga2O3, AlN e materiais de diamante fez progressos significativos, tornando os materiais semicondutores de bandgap ultralargo o foco de atenção. Entre eles, o óxido de gálio (Ga2O3) é um material semicondutor emergente de bandgap ultralargo com um band gap de 4,8 eV, uma intensidade de campo de ruptura crítica teórica de cerca de 8 MV cm-1, uma velocidade de saturação de cerca de 2E7cm s-1, e um alto fator de qualidade Baliga de 3.000, recebendo ampla atenção no campo de eletrônica de potência de alta tensão e alta frequência.
1. Características do material de óxido de gálio
Ga2O3 tem um grande intervalo de banda (4,8 eV), espera-se que atinja alta tensão suportável e alta capacidade de potência, e pode ter potencial para adaptabilidade de alta tensão com resistência relativamente baixa, tornando-os o foco da pesquisa atual. Além disso, o Ga2O3 não apenas possui excelentes propriedades de material, mas também fornece uma variedade de tecnologias de dopagem do tipo n facilmente ajustáveis, bem como crescimento de substrato de baixo custo e tecnologias de epitaxia. Até agora, cinco fases cristalinas diferentes foram descobertas em Ga2O3, incluindo as fases corindo (α), monoclínica (β), espinélio defeituoso (γ), cúbica (δ) e ortorrômbica (ɛ). As estabilidades termodinâmicas são, em ordem, γ, δ, α, ɛ e β. Vale ressaltar que o β-Ga2O3 monoclínico é o mais estável, principalmente em altas temperaturas, enquanto outras fases são metaestáveis acima da temperatura ambiente e tendem a se transformar na fase β sob condições térmicas específicas. Portanto, o desenvolvimento de dispositivos baseados em β-Ga2O3 tornou-se um foco importante no campo da eletrônica de potência nos últimos anos.
Tabela 1 Comparação de alguns parâmetros de materiais semicondutores
A estrutura cristalina do β-Ga2O3 monoclínico é mostrada na Tabela 1. Seus parâmetros de rede incluem a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å e β = 103,8°. A célula unitária consiste em átomos de Ga(I) com coordenação tetraédrica torcida e átomos de Ga(II) com coordenação octaédrica. Existem três arranjos diferentes de átomos de oxigênio na matriz “cúbica torcida”, incluindo dois átomos de O(I) e O(II) coordenados triangularmente e um átomo de O(III) coordenado tetraedricamente. A combinação desses dois tipos de coordenação atômica leva à anisotropia do β-Ga2O3 com propriedades especiais em física, corrosão química, óptica e eletrônica.
Figura 1 Diagrama estrutural esquemático do cristal monoclínico β-Ga2O3
Do ponto de vista da teoria das bandas de energia, o valor mínimo da banda de condução de β-Ga2O3 é derivado do estado de energia correspondente à órbita híbrida 4s0 do átomo de Ga. A diferença de energia entre o valor mínimo da banda de condução e o nível de energia do vácuo (energia de afinidade eletrônica) é medida. é 4 eV. A massa efetiva de elétrons de β-Ga2O3 é medida como 0,28–0,33 me e sua condutividade eletrônica favorável. No entanto, o máximo da banda de valência exibe uma curva Ek rasa com curvatura muito baixa e orbitais O2p fortemente localizados, sugerindo que os buracos estão profundamente localizados. Estas características representam um enorme desafio para alcançar a dopagem do tipo p em β-Ga2O3. Mesmo que a dopagem do tipo P possa ser alcançada, o buraco μ permanece em um nível muito baixo. 2. Crescimento de cristal único de óxido de gálio a granel Até agora, o método de crescimento do substrato de cristal único a granel β-Ga2O3 é principalmente o método de extração de cristal, como Czochralski (CZ), método de alimentação de filme fino definido pela borda (alimentado por filme definido pela borda , EFG), tecnologia Bridgman (Bridgman rtical ou horizontal, HB ou VB) e zona flutuante (zona flutuante, FZ). Entre todos os métodos, espera-se que os métodos de alimentação de filme fino Czochralski e de borda definida sejam os caminhos mais promissores para a produção em massa de wafers β-Ga 2O3 no futuro, pois podem atingir simultaneamente grandes volumes e baixas densidades de defeitos. Até agora, a Novel Crystal Technology do Japão realizou uma matriz comercial para o crescimento por fusão β-Ga2O3.
1.1 Método Czochralski
O princípio do método Czochralski é que a camada de semente é primeiro coberta e, em seguida, o único cristal é lentamente retirado do fundido. O método Czochralski é cada vez mais importante para β-Ga2O3 devido à sua relação custo-benefício, capacidade de grande tamanho e crescimento de substrato de alta qualidade cristalina. No entanto, devido ao estresse térmico durante o crescimento de Ga2O3 em alta temperatura, ocorrerá evaporação de monocristais, materiais fundidos e danos ao cadinho Ir. Isto é resultado da dificuldade em alcançar baixa dopagem do tipo n em Ga2O3. A introdução de uma quantidade adequada de oxigênio na atmosfera de crescimento é uma forma de resolver esse problema. Através da otimização, β-Ga2O3 de 2 polegadas de alta qualidade com uma faixa de concentração de elétrons livres de 10 ^ 16 ~ 10 ^ 19 cm-3 e uma densidade eletrônica máxima de 160 cm2 / Vs foi cultivada com sucesso pelo método Czochralski.
Figura 2 Cristal único de β-Ga2O3 cultivado pelo método Czochralski
1.2 Método de alimentação de filme com borda definida
O método de alimentação de filme fino com borda definida é considerado o principal concorrente para a produção comercial de materiais de cristal único Ga2O3 de grande área. O princípio deste método é colocar o fundido em um molde com fenda capilar, e o fundido sobe para o molde por ação capilar. No topo, uma película fina se forma e se espalha em todas as direções enquanto é induzida a cristalizar pelo cristal semente. Além disso, as bordas do topo do molde podem ser controladas para produzir cristais em flocos, tubos ou qualquer geometria desejada. O método de alimentação de filme fino de Ga2O3 com borda definida fornece taxas de crescimento rápidas e grandes diâmetros. A Figura 3 mostra um diagrama de um único cristal β-Ga2O3. Além disso, em termos de escala de tamanho, foram comercializados substratos de β-Ga2O3 de 2 e 4 polegadas com excelente transparência e uniformidade, enquanto o substrato de 6 polegadas é demonstrado em pesquisas para comercialização futura. Recentemente, grandes materiais circulares monocristalinos também se tornaram disponíveis com orientação (-201). Além disso, o método de alimentação de filme com borda definida de β-Ga2O3 também promove a dopagem de elementos de metais de transição, possibilitando a pesquisa e preparação de Ga2O3.
Figura 3 Cristal único de β-Ga2O3 cultivado pelo método de alimentação de filme com borda definida
1.3 Método Bridgeman
No método Bridgeman, os cristais são formados em um cadinho que é gradualmente movido através de um gradiente de temperatura. O processo pode ser realizado na orientação horizontal ou vertical, geralmente utilizando um cadinho giratório. É importante ressaltar que este método pode ou não utilizar sementes de cristal. Os operadores tradicionais da Bridgman não possuem visualização direta dos processos de fusão e crescimento de cristais e devem controlar as temperaturas com alta precisão. O método vertical de Bridgman é usado principalmente para o crescimento de β-Ga2O3 e é conhecido por sua capacidade de crescer em ambiente aéreo. Durante o processo de crescimento vertical do método Bridgman, a perda total de massa do fundido e do cadinho é mantida abaixo de 1%, permitindo o crescimento de grandes monocristais de β-Ga2O3 com perda mínima.
Figura 4 Monocristal de β-Ga2O3 cultivado pelo método Bridgeman
1.4 Método de zona flutuante
O método da zona flutuante resolve o problema da contaminação de cristais por materiais de cadinho e reduz os altos custos associados a cadinhos infravermelhos resistentes a altas temperaturas. Durante este processo de crescimento, o fundido pode ser aquecido por uma lâmpada em vez de uma fonte de RF, simplificando assim os requisitos para equipamentos de crescimento. Embora a forma e a qualidade do cristal do β-Ga2O3 cultivado pelo método da zona flutuante ainda não sejam ideais, este método abre um método promissor para o cultivo de β-Ga2O3 de alta pureza em cristais únicos econômicos.
Figura 5 Cristal único de β-Ga2O3 cultivado pelo método de zona flutuante.
Horário da postagem: 30 de maio de 2024