Široká pozornosť bola venovaná polovodičom so širokým pásmom (WBG) reprezentovaným karbidom kremíka (SiC) a nitridom gália (GaN). Ľudia majú veľké očakávania, pokiaľ ide o vyhliadky použitia karbidu kremíka v elektrických vozidlách a elektrických rozvodných sieťach, ako aj o vyhliadky použitia nitridu gália pri rýchlonabíjaní. V posledných rokoch zaznamenal výskum Ga2O3, AlN a diamantových materiálov významný pokrok, vďaka čomu sa do centra pozornosti dostali polovodičové materiály s ultra širokým pásmovým odstupom. Medzi nimi oxid gália (Ga2O3) je novovznikajúci polovodičový materiál s ultra-širokým pásmovým odstupom so zakázaným pásmom 4,8 eV, teoretickou kritickou intenzitou prierazného poľa približne 8 MV cm-1, rýchlosťou saturácie približne 2E7 cm s-1, a vysoký faktor kvality Baliga 3000, ktorému sa venuje široká pozornosť v oblasti vysokonapäťovej a vysokofrekvenčnej výkonovej elektroniky.
1. Vlastnosti materiálu oxidu gália
Ga2O3 má veľkú medzeru v pásme (4,8 eV), očakáva sa, že dosiahne vysoké výdržné napätie a vysoký výkon a môže mať potenciál pre adaptabilitu vysokého napätia pri relatívne nízkom odpore, vďaka čomu sú stredobodom súčasného výskumu. Okrem toho má Ga2O3 nielen vynikajúce materiálové vlastnosti, ale poskytuje aj množstvo ľahko nastaviteľných dopingových technológií typu n, ako aj nízkonákladové technológie rastu substrátu a epitaxie. Doteraz bolo v Ga2O3 objavených päť rôznych kryštalických fáz, vrátane korundovej (α), monoklinickej (β), defektnej spinelovej (γ), kubickej (δ) a ortorombickej (ɛ) fázy. Termodynamické stability sú v poradí γ, δ, α, ɛ a β. Stojí za zmienku, že monoklinický β-Ga2O3 je najstabilnejší, najmä pri vysokých teplotách, zatiaľ čo ostatné fázy sú metastabilné nad izbovou teplotou a majú tendenciu premeniť sa na β fázu za špecifických tepelných podmienok. Preto sa vývoj zariadení na báze β-Ga2O3 stal v posledných rokoch hlavným zameraním v oblasti výkonovej elektroniky.
Tabuľka 1 Porovnanie niektorých parametrov polovodičových materiálov
Kryštalická štruktúra monoklinického β-Ga203 je uvedená v tabuľke 1. Jeho mriežkové parametre zahŕňajú a = 12,21 Á, b = 3,04 Á, c = 5,8 Á a p = 103,8°. Základná bunka pozostáva z atómov Ga(I) so skrútenou tetraedrickou koordináciou a atómov Ga(II) s oktaedrickou koordináciou. Existujú tri rôzne usporiadania atómov kyslíka v „skrútenej kubickej“ sústave, vrátane dvoch trojuholníkovo koordinovaných atómov O(I) a O(II) a jedného tetraedricky koordinovaného atómu O(III). Kombinácia týchto dvoch typov atómovej koordinácie vedie k anizotropii β-Ga2O3 so špeciálnymi vlastnosťami vo fyzike, chemickej korózii, optike a elektronike.
Obrázok 1 Schematický štruktúrny diagram jednoklonného kryštálu β-Ga2O3
Z pohľadu teórie energetických pásov je minimálna hodnota vodivého pásu β-Ga2O3 odvodená od energetického stavu zodpovedajúceho hybridnej dráhe 4s0 atómu Ga. Meria sa energetický rozdiel medzi minimálnou hodnotou vodivého pásma a hladinou energie vákua (energia elektrónovej afinity). je 4 eV. Efektívna hmotnosť elektrónov β-Ga2O3 sa meria 0,28–0,33 me a jeho priaznivá elektrónová vodivosť. Maximum valenčného pásma však vykazuje plytkú Ek krivku s veľmi nízkym zakrivením a silne lokalizovanými O2p orbitálmi, čo naznačuje, že diery sú hlboko lokalizované. Tieto vlastnosti predstavujú obrovskú výzvu na dosiahnutie dopingu typu p v β-Ga2O3. Aj keď je možné dosiahnuť doping typu P, otvor μ zostáva na veľmi nízkej úrovni. 2. Rast objemového monokryštálu oxidu gália Spôsobom rastu objemového monokryštálového substrátu β-Ga2O3 je doteraz hlavne metóda ťahania kryštálov, ako je Czochralski (CZ), metóda podávania tenkého filmu s definovanou hranou (podávaním okrajom - definovaná filmom , EFG), Bridgman (rtical alebo horizontálny Bridgman, HB alebo VB) a technológia plávajúcej zóny (plávajúca zóna, FZ). Medzi všetkými metódami sa očakáva, že Czochralski a metódy podávania tenkých vrstiev s definovanou hranou budú v budúcnosti najsľubnejšími cestami pre masovú výrobu doštičiek β-Ga 2O3, pretože môžu súčasne dosiahnuť veľké objemy a nízke hustoty defektov. Japonská technológia Novel Crystal Technology doteraz realizovala komerčnú matricu na rast taveniny β-Ga2O3.
1.1 Czochralského metóda
Princíp Czochralského metódy spočíva v tom, že najskôr sa zakryje vrstva semien a potom sa monokryštál pomaly vytiahne z taveniny. Czochralského metóda je pre β-Ga2O3 čoraz dôležitejšia kvôli jej nákladovej efektívnosti, schopnostiam veľkých rozmerov a rastu substrátu vysokej kvality kryštálov. V dôsledku tepelného napätia počas vysokoteplotného rastu Ga2O3 však dôjde k vyparovaniu monokryštálov, materiálov taveniny a poškodeniu Ir téglika. Je to dôsledok ťažkostí pri dosahovaní nízkeho dopovania typu n v Ga2O3. Zavedenie vhodného množstva kyslíka do rastovej atmosféry je jedným zo spôsobov riešenia tohto problému. Prostredníctvom optimalizácie bol Czochralského metódou úspešne vypestovaný vysoko kvalitný 2-palcový β-Ga2O3 s rozsahom koncentrácie voľných elektrónov 10^16~10^19 cm-3 a maximálnou hustotou elektrónov 160 cm2/Vs.
Obrázok 2 Monokryštál β-Ga2O3 pestovaný Czochralského metódou
1.2 Spôsob podávania filmu s definovanou hranou
Metóda podávania tenkého filmu s definovanou hranou sa považuje za hlavného uchádzača o komerčnú výrobu veľkoplošných monokryštálových materiálov Ga2O3. Princípom tejto metódy je umiestnenie taveniny do formy s kapilárnou štrbinou a tavenina vzlínaním stúpa do formy. Na vrchu sa vytvorí tenký film, ktorý sa šíri všetkými smermi, pričom je indukovaný kryštalizáciou očkovacím kryštálom. Okrem toho môžu byť okraje hornej časti formy ovládané tak, aby vytvárali kryštály vo forme vločiek, rúrok alebo akejkoľvek požadovanej geometrie. Metóda podávania tenkého filmu Ga2O3 s okrajom poskytuje rýchle rýchlosti rastu a veľké priemery. Obrázok 3 znázorňuje schému monokryštálu p-Ga203. Okrem toho, pokiaľ ide o veľkosť, boli komercializované 2-palcové a 4-palcové substráty β-Ga2O3 s vynikajúcou transparentnosťou a jednotnosťou, zatiaľ čo 6-palcový substrát je demonštrovaný vo výskume pre budúcu komercializáciu. Nedávno boli k dispozícii veľké kruhové monokryštálové sypké materiály s orientáciou (-201). Okrem toho metóda podávania filmu s definovanou hranou β-Ga2O3 tiež podporuje dopovanie prvkov prechodného kovu, čo umožňuje výskum a prípravu Ga2O3.
Obrázok 3 β-Ga2O3 monokryštál pestovaný metódou privádzania filmu s definovanou hranou
1.3 Bridgemanova metóda
Pri Bridgemanovej metóde sa kryštály tvoria v tégliku, ktorý sa postupne posúva cez teplotný gradient. Proces sa môže vykonávať v horizontálnej alebo vertikálnej orientácii, zvyčajne pomocou rotačného téglika. Stojí za zmienku, že táto metóda môže alebo nemusí používať kryštálové semená. Tradičným operátorom Bridgman chýba priama vizualizácia procesov topenia a rastu kryštálov a musia kontrolovať teploty s vysokou presnosťou. Vertikálna Bridgmanova metóda sa používa hlavne na rast β-Ga2O3 a je známa svojou schopnosťou rásť vo vzdušnom prostredí. Počas procesu rastu vertikálnej Bridgmanovej metódy sa celková strata hmotnosti taveniny a téglika udržiava pod 1 %, čo umožňuje rast veľkých monokryštálov β-Ga2O3 s minimálnou stratou.
Obrázok 4 Monokryštál β-Ga203 pestovaný Bridgemanovou metódou
1.4 Metóda plávajúcej zóny
Metóda plávajúcej zóny rieši problém kontaminácie kryštálov materiálmi téglika a znižuje vysoké náklady spojené s infračervenými téglikmi odolnými voči vysokej teplote. Počas tohto procesu rastu môže byť tavenina zahrievaná lampou, a nie RF zdrojom, čím sa zjednodušia požiadavky na rastové zariadenie. Hoci tvar a kvalita kryštálov β-Ga2O3 pestovaného metódou plávajúcej zóny ešte nie sú optimálne, táto metóda otvára sľubnú metódu na pestovanie vysoko čistého β-Ga2O3 na cenovo výhodné monokryštály.
Obrázok 5 Monokryštál β-Ga2O3 pestovaný metódou plávajúcej zóny.
Čas odoslania: 30. mája 2024