Широкозонные полупроводники (WBG), представленные карбидом кремния (SiC) и нитридом галлия (GaN), получили широкое внимание. Люди возлагают большие надежды на перспективы применения карбида кремния в электромобилях и электросетях, а также на перспективы применения нитрида галлия в быстрой зарядке. В последние годы исследования Ga2O3, AlN и алмазных материалов достигли значительного прогресса, в результате чего в центре внимания оказались полупроводниковые материалы со сверхширокой запрещенной зоной. Среди них оксид галлия (Ga2O3) представляет собой новый сверхширокозонный полупроводниковый материал с шириной запрещенной зоны 4,8 эВ, теоретической критической напряженностью поля пробоя около 8 МВ см-1, скоростью насыщения около 2E7 см с-1, и высокая добротность Baliga 3000, получившая широкое внимание в области высоковольтной и высокочастотной силовой электроники.
1. Характеристики материала оксида галлия
Ga2O3 имеет большую запрещенную зону (4,8 эВ), ожидается, что он обеспечит как высокое выдерживаемое напряжение, так и высокую мощность, а также может иметь потенциал для адаптации к высокому напряжению при относительно низком сопротивлении, что делает их предметом текущих исследований. Кроме того, Ga2O3 не только обладает превосходными свойствами материала, но также обеспечивает множество легко регулируемых технологий легирования n-типа, а также недорогие технологии выращивания подложек и эпитаксии. На данный момент в Ga2O3 обнаружено пять различных кристаллических фаз, включая корундовую (α), моноклинную (β), дефектную шпинель (γ), кубическую (δ) и орторомбическую (ɛ) фазы. Термодинамические стабильности - это, по порядку, γ, δ, α, ɛ и β. Стоит отметить, что моноклинная β-Ga2O3 является наиболее стабильной, особенно при высоких температурах, в то время как другие фазы метастабильны при температуре выше комнатной и имеют тенденцию превращаться в β-фазу при определенных термических условиях. Поэтому в последние годы разработка устройств на основе β-Ga2O3 стала основным направлением деятельности в области силовой электроники.
Таблица 1. Сравнение некоторых параметров полупроводниковых материалов
Кристаллическая структура моноклинного β-Ga2O3 представлена в табл. 1. Параметры его решетки включают a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å и β = 103,8°. Элементарная ячейка состоит из атомов Ga(I) со скрученной тетраэдрической координацией и атомов Ga(II) с октаэдрической координацией. Существует три различных расположения атомов кислорода в «скрученном кубе», включая два треугольно-координированных атома O(I) и O(II) и один тетраэдрически-координированный атом O(III). Сочетание этих двух типов координации атомов приводит к анизотропии β-Ga2O3 с особыми свойствами в физике, химической коррозии, оптике и электронике.
Рис. 1. Принципиальная структурная схема моноклинного кристалла β-Ga2O3.
С точки зрения зонной теории минимальное значение зоны проводимости β-Ga2O3 определяется энергетическим состоянием, соответствующим 4s0-гибридной орбите атома Ga. Измеряется разность энергий между минимальным значением зоны проводимости и уровнем энергии вакуума (энергией сродства к электрону). составляет 4 эВ. Эффективная электронная масса β-Ga2O3 измерена как 0,28–0,33 мЭ и ее благоприятная электронная проводимость. Однако максимум валентной зоны демонстрирует пологую кривую Ek с очень низкой кривизной и сильно локализованными орбиталями O2p, что позволяет предположить, что дырки глубоко локализованы. Эти характеристики представляют собой огромную проблему для легирования p-типа в β-Ga2O3. Даже если можно добиться легирования P-типа, дырка µ остается на очень низком уровне. 2. Выращивание объемного монокристалла оксида галлия До сих пор метод выращивания объемной монокристаллической подложки β-Ga2O3 в основном представляет собой метод вытягивания кристалла, такой как метод Чохральского (Чехия), метод подачи тонкой пленки с определенной кромкой (подача пленки с определением края) , EFG), технологии Бриджмена (вертикальный или горизонтальный Бриджмен, HB или VB) и плавающей зоны (floating Zone, FZ). Ожидается, что среди всех методов методы Чохральского и методы подачи тонких пленок по краям станут наиболее многообещающими направлениями для массового производства пластин β-Ga 2O3 в будущем, поскольку они могут одновременно достигать больших объемов и низкой плотности дефектов. На данный момент японская компания Novel Crystal Technology реализовала коммерческую матрицу для выращивания из расплава β-Ga2O3.
1.1 Метод Чохральского
Принцип метода Чохральского заключается в том, что сначала покрывают затравочный слой, а затем монокристалл медленно вытягивают из расплава. Метод Чохральского становится все более важным для β-Ga2O3 из-за его экономической эффективности, возможности больших размеров и выращивания подложек высокого кристаллического качества. Однако из-за термического напряжения при высокотемпературном росте Ga2O3 произойдет испарение монокристаллов, материалов расплава и повреждение иргиевого тигля. Это связано с трудностью достижения низкого легирования n-типа в Ga2O3. Одним из способов решения этой проблемы является введение соответствующего количества кислорода в ростовую атмосферу. Благодаря оптимизации методом Чохральского был успешно выращен высококачественный 2-дюймовый β-Ga2O3 с диапазоном концентрации свободных электронов 10^16~10^19 см-3 и максимальной плотностью электронов 160 см2/Вс.
Рис. 2. Монокристалл β-Ga2O3, выращенный методом Чохральского
1.2 Метод подачи пленки по краю
Метод подачи тонкой пленки с определенным краем считается ведущим претендентом на коммерческое производство монокристаллических материалов Ga2O3 большой площади. Принцип этого метода заключается в помещении расплава в форму с капиллярной щелью, при этом расплав поднимается в форму за счет капиллярного действия. Наверху образуется тонкая пленка, которая распространяется во всех направлениях, вызывая кристаллизацию затравочного кристалла. Кроме того, краями верхней части формы можно управлять для получения кристаллов в виде хлопьев, трубочек или любой желаемой геометрии. Метод подачи тонкой пленки Ga2O3 по краям обеспечивает высокую скорость роста и большие диаметры. На рис. 3 представлена схема монокристалла β-Ga2O3. Кроме того, с точки зрения размера, 2-дюймовые и 4-дюймовые подложки β-Ga2O3 с превосходной прозрачностью и однородностью были коммерциализированы, а 6-дюймовая подложка демонстрируется в исследованиях для будущей коммерциализации. Недавно стали доступны также крупные круглые монокристаллические объемные материалы с ориентацией (-201). Кроме того, метод подачи пленки β-Ga2O3 с определенным краем также способствует легированию элементами переходных металлов, что делает возможным исследование и получение Ga2O3.
Рис. 3. Монокристалл β-Ga2O3, выращенный методом подачи пленки по краям.
1.3 Метод Бриджмена
В методе Бриджмена кристаллы образуются в тигле, который постепенно перемещается по градиенту температуры. Процесс можно проводить в горизонтальной или вертикальной ориентации, обычно с использованием вращающегося тигля. Стоит отметить, что в этом методе могут использоваться или не использоваться кристаллические затравки. Традиционным операторам Бриджмена не хватает прямой визуализации процессов плавления и роста кристаллов, и им приходится контролировать температуру с высокой точностью. Вертикальный метод Бриджмена в основном используется для выращивания β-Ga2O3 и известен своей способностью расти в воздушной среде. В процессе выращивания методом вертикального Бриджмена общая потеря массы расплава и тигля поддерживается ниже 1%, что позволяет выращивать крупные монокристаллы β-Ga2O3 с минимальными потерями.
Рис. 4. Монокристалл β-Ga2O3, выращенный методом Бриджмена
1.4 Метод плавающей зоны
Метод плавающей зоны решает проблему загрязнения кристаллов материалами тигля и снижает высокие затраты, связанные с термостойкими инфракрасными тиглями. Во время процесса выращивания расплав можно нагревать с помощью лампы, а не источника РЧ, что упрощает требования к оборудованию для выращивания. Хотя форма и качество кристаллов β-Ga2O3, выращенного методом плавающей зоны, еще не являются оптимальными, этот метод открывает перспективный метод выращивания высокочистого β-Ga2O3 в экономичные монокристаллы.
Рис. 5. Монокристалл β-Ga2O3, выращенный методом плавающей зоны.
Время публикации: 30 мая 2024 г.