Polprevodniki s široko pasovno vrzeljo (WBG), ki jih predstavljata silicijev karbid (SiC) in galijev nitrid (GaN), so bili deležni široke pozornosti. Ljudje imajo visoka pričakovanja glede možnosti uporabe silicijevega karbida v električnih vozilih in električnih omrežjih, pa tudi glede možnosti uporabe galijevega nitrida pri hitrem polnjenju. V zadnjih letih so raziskave Ga2O3, AlN in diamantnih materialov znatno napredovale, zaradi česar so polprevodniški materiali z ultra širokim pasovnim razmakom postali središče pozornosti. Med njimi je galijev oksid (Ga2O3) nastajajoči polprevodniški material z ultra širokim pasom z vrzeljo 4,8 eV, teoretično kritično prebojno poljsko jakostjo približno 8 MV cm-1, hitrostjo nasičenja okoli 2E7cm s-1, in visok faktor kakovosti Baliga 3000, ki je deležen široke pozornosti na področju visoke napetosti in visoke frekvence močnostna elektronika.
1. Značilnosti materiala galijevega oksida
Ga2O3 ima veliko pasovno vrzel (4,8 eV), pričakuje se, da bo dosegel visoko vzdržljivo napetost in visoko moč in ima lahko potencial za visokonapetostno prilagodljivost pri relativno nizkem uporu, zaradi česar so v središču trenutnih raziskav. Poleg tega ima Ga2O3 ne samo odlične lastnosti materiala, ampak tudi ponuja različne enostavno nastavljive tehnologije dopiranja n-tipa, kot tudi poceni tehnologije rasti substrata in epitaksije. Doslej je bilo v Ga2O3 odkritih pet različnih kristalnih faz, vključno s korundovo (α), monoklinično (β), defektno spinelno (γ), kubično (δ) in ortorombično (ɛ) fazo. Termodinamične stabilnosti so po vrsti γ, δ, α, ɛ in β. Omeniti velja, da je monoklinični β-Ga2O3 najbolj stabilen, zlasti pri visokih temperaturah, medtem ko so druge faze metastabilne nad sobno temperaturo in se pod posebnimi termičnimi pogoji nagibajo k pretvorbi v β fazo. Zato je razvoj naprav na osnovi β-Ga2O3 v zadnjih letih postal glavni poudarek na področju močnostne elektronike.
Tabela 1 Primerjava nekaterih parametrov polprevodniškega materiala
Kristalna struktura monokliničnega β-Ga2O3 je prikazana v tabeli 1. Njegovi mrežni parametri vključujejo a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å in β = 103,8 °. Enotno celico sestavljajo atomi Ga(I) z zasukano tetraedrično koordinacijo in atomi Ga(II) z oktaedrično koordinacijo. Obstajajo tri različne razporeditve atomov kisika v "zasukanem kubičnem" nizu, vključno z dvema trikotno koordiniranima atomoma O(I) in O(II) in enim tetraedrično koordiniranim atomom O(III). Kombinacija teh dveh vrst atomske koordinacije vodi do anizotropije β-Ga2O3 s posebnimi lastnostmi v fiziki, kemični koroziji, optiki in elektroniki.
Slika 1 Shematski strukturni diagram monokliničnega kristala β-Ga2O3
Z vidika teorije energijskih pasov je najmanjša vrednost prevodnega pasu β-Ga2O3 izpeljana iz energijskega stanja, ki ustreza 4s0 hibridni orbiti atoma Ga. Izmeri se energijska razlika med minimalno vrednostjo prevodnega pasu in nivojem vakuumske energije (energija afinitete za elektron). je 4 eV. Efektivna elektronska masa β-Ga2O3 je izmerjena kot 0,28–0,33 me in njegova ugodna elektronska prevodnost. Vendar ima maksimum valenčnega pasu plitvo krivuljo Ek z zelo nizko ukrivljenostjo in močno lokaliziranimi orbitalami O2p, kar nakazuje, da so luknje globoko lokalizirane. Te značilnosti predstavljajo velik izziv za doseganje dopinga tipa p v β-Ga2O3. Tudi če je mogoče doseči dopiranje tipa P, ostaja luknja μ na zelo nizki ravni. 2. Rast masivnega monokristala galijevega oksida Doslej je bila metoda rasti monokristalnega substrata β-Ga2O3 v glavnem metoda vlečenja kristalov, kot je Czochralski (CZ), metoda dovajanja tankega filma z robom (Edge -Defined film-fed , EFG), Bridgman (rtikalni ali vodoravni Bridgman, HB ali VB) in lebdeča cona (floating zone, FZ) tehnologija. Pričakuje se, da bodo med vsemi metodami Czochralski in metode dovajanja tankih filmov z robom definirane najbolj obetavne poti za množično proizvodnjo rezin β-Ga 2O3 v prihodnosti, saj lahko hkrati dosežejo velike količine in nizke gostote napak. Do sedaj je japonska Novel Crystal Technology realizirala komercialno matriko za rast taline β-Ga2O3.
1.1 Metoda Czochralskega
Načelo metode Czochralski je, da se najprej pokrije začetna plast, nato pa se monokristal počasi izvleče iz taline. Metoda Czochralski je vse bolj pomembna za β-Ga2O3 zaradi svoje stroškovne učinkovitosti, zmogljivosti velike velikosti in rasti substrata visoke kakovosti kristalov. Vendar pa bo zaradi toplotne obremenitve med visokotemperaturno rastjo Ga2O3 prišlo do izhlapevanja monokristalov, materialov taline in poškodb Ir lončka. To je posledica težav pri doseganju nizkega dopinga tipa n v Ga2O3. Eden od načinov za rešitev tega problema je dovajanje ustrezne količine kisika v rastno atmosfero. Z optimizacijo je bil visokokakovosten 2-palčni β-Ga2O3 z območjem koncentracije prostih elektronov 10^16~10^19 cm-3 in največjo gostoto elektronov 160 cm2/Vs uspešno vzgojen z metodo Czochralski.
Slika 2 Monokristal β-Ga2O3, vzgojen po metodi Czochralskega
1.2 Metoda podajanja filma po robovih
Metoda dovajanja tankega filma z definiranimi robovi velja za vodilnega kandidata za komercialno proizvodnjo monokristalnih materialov Ga2O3 z velikimi površinami. Načelo te metode je, da se talina postavi v kalup s kapilarno režo, talina pa se skozi kapilarno delovanje dvigne v kalup. Na vrhu se oblikuje tanek film, ki se širi v vse smeri, medtem ko kristalizira kristal. Poleg tega je mogoče nadzorovati robove zgornjega dela kalupa za proizvodnjo kristalov v kosmičih, ceveh ali kateri koli želeni geometriji. Metoda dovajanja tankega filma Ga2O3 z definiranimi robovi zagotavlja hitre stopnje rasti in velike premere. Slika 3 prikazuje diagram monokristala β-Ga2O3. Poleg tega so bili v smislu velikosti komercializirani 2-palčni in 4-palčni substrati β-Ga2O3 z odlično preglednostjo in enotnostjo, medtem ko je 6-palčni substrat prikazan v raziskavah za prihodnjo komercializacijo. Pred kratkim so na voljo tudi veliki krožni monokristalni razsuti materiali z orientacijo (-201). Poleg tega metoda dovajanja filma z definiranim robom β-Ga2O3 spodbuja tudi dopiranje prehodnih kovinskih elementov, kar omogoča raziskovanje in pripravo Ga2O3.
Slika 3 Monokristal β-Ga2O3, vzgojen z metodo dovajanja filma z robom
1.3 Bridgemanova metoda
Pri Bridgemanovi metodi se kristali oblikujejo v lončku, ki se postopoma premika skozi temperaturni gradient. Postopek se lahko izvaja vodoravno ali navpično, običajno z uporabo vrtljivega lončka. Treba je omeniti, da lahko ta metoda uporablja kristalna semena ali pa ne. Tradicionalni operaterji Bridgman nimajo neposredne vizualizacije procesov taljenja in rasti kristalov in morajo nadzorovati temperature z visoko natančnostjo. Vertikalna Bridgmanova metoda se uporablja predvsem za rast β-Ga2O3 in je znana po svoji sposobnosti rasti v zračnem okolju. Med procesom rasti z vertikalno Bridgmanovo metodo se skupna izguba mase taline in lončka ohranja pod 1 %, kar omogoča rast velikih monokristalov β-Ga2O3 z minimalno izgubo.
Slika 4 Monokristal β-Ga2O3, vzgojen po Bridgemanovi metodi
1.4 Metoda plavajoče cone
Metoda lebdeče cone rešuje problem kontaminacije kristalov z materiali lončka in zmanjšuje visoke stroške, povezane z infrardečimi lončki, odpornimi na visoke temperature. Med tem postopkom rasti lahko talino segreva svetilka namesto vir RF, s čimer se poenostavijo zahteve za opremo za rast. Čeprav oblika in kakovost kristalov β-Ga2O3, pridelanega z metodo plavajoče cone, še nista optimalni, ta metoda odpira obetavno metodo za gojenje β-Ga2O3 visoke čistosti v cenovno ugodne monokristale.
Slika 5 Monokristal β-Ga2O3, vzgojen z metodo plavajoče cone.
Čas objave: 30. maj 2024