Gjysmëpërçuesit me brez të gjerë (WBG) të përfaqësuar nga karbidi i silikonit (SiC) dhe nitridi i galiumit (GaN) kanë marrë vëmendje të gjerë. Njerëzit kanë pritshmëri të mëdha për perspektivat e aplikimit të karabit të silikonit në automjetet elektrike dhe rrjetet e energjisë, si dhe perspektivat e aplikimit të nitridit të galiumit në karikim të shpejtë. Vitet e fundit, kërkimet mbi materialet Ga2O3, AlN dhe diamanti kanë bërë përparim të konsiderueshëm, duke i bërë materialet gjysmëpërçuese me brez ultra të gjerë në qendër të vëmendjes. Midis tyre, oksidi i galiumit (Ga2O3) është një material gjysmëpërçues me brez ultra të gjerë me një hendek brezi prej 4.8 eV, një forcë teorike kritike e fushës së prishjes prej rreth 8 MV cm-1, një shpejtësi ngopjeje prej rreth 2E7cm s-1, dhe një faktor i lartë cilësie Baliga prej 3000, duke marrë një vëmendje të gjerë në fushën e lartë elektronika e tensionit dhe fuqisë së frekuencës së lartë.
1. Karakteristikat e materialit të oksidit të galiumit
Ga2O3 ka një hendek të madh brezi (4.8 eV), pritet të arrijë si tension të lartë, ashtu edhe aftësi të fuqisë së lartë, dhe mund të ketë potencialin për përshtatshmëri të tensionit të lartë me rezistencë relativisht të ulët, duke i bërë ato në fokusin e kërkimit aktual. Përveç kësaj, Ga2O3 jo vetëm që ka veti të shkëlqyera të materialit, por gjithashtu ofron një shumëllojshmëri teknologjish doping të tipit n lehtësisht të rregullueshme, si dhe teknologji të rritjes së substratit dhe epitaksisë me kosto të ulët. Deri më tani, pesë faza të ndryshme kristalore janë zbuluar në Ga2O3, duke përfshirë fazat e korundit (α), monoklinike (β), spinelit me defekt (γ), kubike (δ) dhe ortorombike (ɛ). Stabilitetet termodinamike janë, me radhë, γ, δ, α, ɛ dhe β. Vlen të theksohet se β-Ga2O3 monoklinike është më e qëndrueshme, veçanërisht në temperatura të larta, ndërsa fazat e tjera janë metastabile mbi temperaturën e dhomës dhe tentojnë të shndërrohen në fazën β në kushte specifike termike. Prandaj, zhvillimi i pajisjeve të bazuara në β-Ga2O3 është bërë një fokus kryesor në fushën e elektronikës së energjisë në vitet e fundit.
Tabela 1 Krahasimi i disa parametrave të materialit gjysmëpërçues
Struktura kristalore e monoklinikës β-Ga2O3 është paraqitur në tabelën 1. Parametrat e rrjetës së saj përfshijnë a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å dhe β = 103,8°. Qeliza njësi përbëhet nga atome Ga(I) me koordinim tetraedral të përdredhur dhe atome Ga(II) me koordinim tetëedral. Ekzistojnë tre rregullime të ndryshme të atomeve të oksigjenit në grupin "kubik të përdredhur", duke përfshirë dy atome O(I) dhe O(II) të koordinuar në mënyrë trekëndore dhe një atom O(III) të koordinuar në mënyrë tetraedrale. Kombinimi i këtyre dy llojeve të koordinimit atomik çon në anizotropinë e β-Ga2O3 me veti të veçanta në fizikë, korrozioni kimik, optikë dhe elektronikë.
Figura 1 Diagrami strukturor skematik i kristalit monoklinik β-Ga2O3
Nga këndvështrimi i teorisë së brezit të energjisë, vlera minimale e brezit të përcjelljes së β-Ga2O3 rrjedh nga gjendja energjetike që korrespondon me orbitën hibride 4s0 të atomit Ga. Matet diferenca e energjisë ndërmjet vlerës minimale të brezit të përcjelljes dhe nivelit të energjisë së vakumit (energjia e afinitetit të elektroneve). është 4 eV. Masa efektive e elektroneve të β-Ga2O3 matet si 0,28-0,33 me dhe përçueshmëria e tij e favorshme elektronike. Megjithatë, maksimumi i brezit të valencës shfaq një kurbë Ek të cekët me lakim shumë të ulët dhe orbitale O2p të lokalizuara fort, duke sugjeruar që vrimat janë të lokalizuara thellë. Këto karakteristika paraqesin një sfidë të madhe për të arritur doping të tipit p në β-Ga2O3. Edhe nëse mund të arrihet doping i tipit P, vrima μ mbetet në një nivel shumë të ulët. 2. Rritja e një kristali me shumicë të oksidit të galiumit Deri më tani, metoda e rritjes së substratit njëkristal me shumicë β-Ga2O3 është kryesisht metoda e tërheqjes së kristalit, siç është Czochralski (CZ), metoda e ushqyerjes së filmit të hollë të përcaktuar nga skaji (Edge -Film i përcaktuar me ushqyerje , EFG), Bridgman (Bridgman rtical ose horizontal, HB ose VB) dhe zona lundruese teknologjia (zona lundruese, FZ). Ndër të gjitha metodat, metodat e ushqyerjes me shtresë të hollë Czochralski dhe me buzë të përcaktuara pritet të jenë rrugët më premtuese për prodhimin masiv të vaferave β-Ga 2O3 në të ardhmen, pasi ato mund të arrijnë njëkohësisht vëllime të mëdha dhe densitet të ulët defekti. Deri më tani, Novel Crystal Technology e Japonisë ka realizuar një matricë komerciale për rritjen e shkrirjes β-Ga2O3.
1.1 Metoda Czochralski
Parimi i metodës Czochralski është që shtresa e farës së pari mbulohet, dhe më pas kristali i vetëm tërhiqet ngadalë nga shkrirja. Metoda Czochralski është gjithnjë e më e rëndësishme për β-Ga2O3 për shkak të efektivitetit të kostos, aftësive të madhësisë së madhe dhe rritjes së substratit me cilësi të lartë kristal. Megjithatë, për shkak të stresit termik gjatë rritjes në temperaturë të lartë të Ga2O3, do të ndodhë avullimi i kristaleve të vetme, materialeve të shkrirë dhe dëmtimi i kavanozit Ir. Ky është rezultat i vështirësisë në arritjen e dopingut të ulët të tipit n në Ga2O3. Futja e një sasie të përshtatshme oksigjeni në atmosferën e rritjes është një mënyrë për të zgjidhur këtë problem. Nëpërmjet optimizimit, β-Ga2O3 2 inç me cilësi të lartë me një gamë të përqendrimit të elektroneve të lirë prej 10^16~10^19 cm-3 dhe një densitet maksimal elektroni prej 160 cm2/Vs është rritur me sukses me metodën Czochralski.
Figura 2 Kristal i vetëm i β-Ga2O3 i rritur me metodën Czochralski
1.2 Metoda e ushqyerjes së filmit të përcaktuar nga skaji
Metoda e ushqyerjes me film të hollë të përcaktuar nga skaji konsiderohet të jetë pretenduesi kryesor për prodhimin komercial të materialeve me një kristal Ga2O3 me sipërfaqe të madhe. Parimi i kësaj metode është vendosja e shkrirjes në një kallëp me një çarje kapilar, dhe shkrirja ngrihet në kallëp përmes veprimit kapilar. Në krye, një film i hollë formohet dhe përhapet në të gjitha drejtimet ndërsa nxitet të kristalizohet nga kristali i farës. Për më tepër, skajet e pjesës së sipërme të kallëpit mund të kontrollohen për të prodhuar kristale në thekon, tuba ose ndonjë gjeometri të dëshiruar. Metoda e ushqyerjes me film të hollë të përcaktuar nga skajet e Ga2O3 siguron ritme të shpejta rritjeje dhe diametra të mëdhenj. Figura 3 tregon një diagram të një kristal të vetëm β-Ga2O3. Për më tepër, për sa i përket shkallës së madhësisë, nënshtresat β-Ga2O3 2-inç dhe 4-inç me transparencë dhe uniformitet të shkëlqyer janë komercializuar, ndërsa substrati 6-inç është demonstruar në kërkime për komercializim të ardhshëm. Kohët e fundit, materiale të mëdha rrethore me një kristal të vetëm janë bërë të disponueshme me orientim (−201). Për më tepër, metoda e ushqyerjes së filmit të përcaktuar nga skaji β-Ga2O3 gjithashtu promovon dopingun e elementëve metalikë kalimtarë, duke bërë të mundur kërkimin dhe përgatitjen e Ga2O3.
Figura 3 β-Ga2O3 një kristal i rritur me metodën e ushqyerjes së filmit të përcaktuar nga skaji
1.3 Metoda Bridgeman
Në metodën Bridgeman, kristalet formohen në një kavanoz që lëviz gradualisht nëpër një gradient të temperaturës. Procesi mund të kryhet në një orientim horizontal ose vertikal, zakonisht duke përdorur një kuti rrotulluese. Vlen të përmendet se kjo metodë mund ose nuk mund të përdorë farat e kristalit. Operatorëve tradicionalë Bridgman u mungon vizualizimi i drejtpërdrejtë i proceseve të shkrirjes dhe rritjes së kristalit dhe duhet të kontrollojnë temperaturat me saktësi të lartë. Metoda vertikale Bridgman përdoret kryesisht për rritjen e β-Ga2O3 dhe është e njohur për aftësinë e saj për t'u rritur në një mjedis ajror. Gjatë procesit të rritjes vertikale të metodës Bridgman, humbja totale e masës së shkrirjes dhe enës mbahet nën 1%, duke mundësuar rritjen e kristaleve të mëdha β-Ga2O3 me humbje minimale.
Figura 4 Kristal i vetëm i β-Ga2O3 i rritur me metodën Bridgeman
1.4 Metoda e zonës lundruese
Metoda e zonës lundruese zgjidh problemin e ndotjes së kristaleve nga materialet e kavanozit dhe zvogëlon kostot e larta të lidhura me kavanozat infra të kuqe rezistente ndaj temperaturave të larta. Gjatë këtij procesi të rritjes, shkrirja mund të nxehet nga një llambë dhe jo nga një burim RF, duke thjeshtuar kështu kërkesat për pajisjet e rritjes. Megjithëse forma dhe cilësia e kristalit të β-Ga2O3 të rritur me metodën e zonës lundruese nuk janë ende optimale, kjo metodë hap një metodë premtuese për rritjen e β-Ga2O3 me pastërti të lartë në kristale të vetme buxhetore.
Figura 5 β-Ga2O3 një kristal i rritur me metodën e zonës lundruese.
Koha e postimit: maj-30-2024