Полупроводници са широким појасом (ВБГ) представљени силицијум карбидом (СиЦ) и галијум нитридом (ГаН) добили су широку пажњу. Људи имају велика очекивања за изгледе за примену силицијум карбида у електричним возилима и електричним мрежама, као и за изгледе примене галијум нитрида у брзом пуњењу. Последњих година, истраживања Га2О3, АлН и дијамантских материјала су постигла значајан напредак, чинећи полупроводничке материјале са ултра широким појасом у фокусу пажње. Међу њима, галијум оксид (Га2О3) је нови полупроводнички материјал са ултра-широкопојасним размаком са зазором од 4,8 еВ, теоријском критичном јачином поља пробоја од око 8 МВ цм-1, брзином засићења од око 2Е7 цм с-1, и висок фактор квалитета Балига од 3000, привлачећи широку пажњу у области високе напонске и високофреквентне енергетске електронике.
1. Карактеристике материјала галијум оксида
Га2О3 има велики размак у појасу (4,8 еВ), очекује се да ће постићи и висок отпорни напон и способност велике снаге, и може имати потенцијал за прилагодљивост високог напона при релативно ниском отпору, што их чини фокусом тренутних истраживања. Поред тога, Га2О3 не само да има одличне особине материјала, већ такође пружа низ лако подесивих технологија допинга н-типа, као и јефтине технологије раста супстрата и епитаксије. До сада је откривено пет различитих кристалних фаза у Га2О3, укључујући корунд (α), моноклинску (β), дефектну спинел (γ), кубичну (δ) и орторомбичну (ɛ) фазе. Термодинамичке стабилности су, по реду, γ, δ, α, ɛ и β. Вреди напоменути да је моноклински β-Га2О3 најстабилнији, посебно на високим температурама, док су друге фазе метастабилне изнад собне температуре и имају тенденцију да се трансформишу у β фазу под специфичним термичким условима. Стога је развој уређаја заснованих на β-Га2О3 постао главни фокус у области енергетске електронике последњих година.
Табела 1 Поређење неких параметара полупроводничког материјала
Кристална структура моноклинског β-Га2О3 приказана је у табели 1. Његови параметри решетке укључују а = 12,21 А, б = 3,04 А, ц = 5,8 А и β = 103,8°. Јединична ћелија се састоји од Га(И) атома са уврнутом тетраедарском координацијом и Га(ИИ) атома са октаедарском координацијом. Постоје три различита распореда атома кисеоника у „уврнутом кубном“ низу, укључујући два троугласто координирана О(И) и О(ИИ) атома и један тетраедарално координисан О(ИИИ) атом. Комбинација ова два типа атомске координације доводи до анизотропије β-Га2О3 са посебним својствима у физици, хемијској корозији, оптици и електроници.
Слика 1 Шематски структурни дијаграм моноклинског β-Га2О3 кристала
Из перспективе теорије енергетских појасева, минимална вредност проводног појаса β-Га2О3 је изведена из енергетског стања које одговара 4с0 хибридној орбити атома Га. Мери се енергетска разлика између минималне вредности појаса проводљивости и нивоа енергије вакуума (енергија афинитета електрона). је 4 еВ. Ефективна маса електрона β-Га2О3 је измерена као 0,28–0,33 ме и његова повољна електронска проводљивост. Међутим, максимум валентног појаса показује плитку Ек криву са веома ниском кривином и јако локализованим О2п орбиталама, што сугерише да су рупе дубоко локализоване. Ове карактеристике представљају велики изазов за постизање допинга п-типа у β-Га2О3. Чак и ако се допинг типа П може постићи, рупа μ остаје на веома ниском нивоу. 2. Раст масивног монокристала галијум оксида До сада, метода раста β-Га2О3 масивног монокристалног супстрата је углавном метода извлачења кристала, као што је Цзоцхралски (ЦЗ), метода храњења танког филма дефинисана ивицама (Едге-Дефинед филм-фед , ЕФГ), Бридгман (ртикални или хоризонтални Бридгман, ХБ или ВБ) и плутајућа зона (плутајућа зона, ФЗ) технологија. Међу свим методама, очекује се да ће Цзоцхралски и методе храњења танког филма дефинисане ивицом бити најперспективнији путеви за масовну производњу β-Га 2О3 плочица у будућности, јер могу истовремено постићи велике запремине и ниске густине дефеката. До сада је јапанска нова технологија кристала реализовала комерцијалну матрицу за раст раста β-Га2О3.
1.1 Метод Чохралског
Принцип Чохралског метода је да се слој семена прво прекрије, а затим се монокристал полако извлачи из растопа. Метод Чохралског је све важнији за β-Га2О3 због његове исплативости, могућности велике величине и раста супстрата високог квалитета кристала. Међутим, услед термичког напрезања током раста Га2О3 на високим температурама, доћи ће до испаравања монокристала, растопљених материјала и оштећења Ир лончића. Ово је резултат потешкоћа у постизању ниског допинга н-типа у Га2О3. Увођење одговарајуће количине кисеоника у атмосферу раста је један од начина да се реши овај проблем. Кроз оптимизацију, висококвалитетни β-Га2О3 од 2 инча са опсегом концентрације слободних електрона од 10^16~10^19 цм-3 и максималном густином електрона од 160 цм2/Вс је успешно узгајан методом Чохралског.
Слика 2 Монокристал β-Га2О3 узгојен методом Чохралског
1.2 Метода додавања филма дефинисана ивицом
Метода храњења танког филма дефинисана ивицама сматра се водећим кандидатом за комерцијалну производњу монокристалних материјала Га2О3 велике површине. Принцип ове методе је да се растопина стави у калуп са капиларним прорезом, а талина се капиларним деловањем диже до калупа. На врху се формира танак филм који се шири у свим правцима док га кристал за семе подстиче на кристализацију. Поред тога, ивице врха калупа могу се контролисати да би се произвели кристали у љуспицама, цевима или било којој жељеној геометрији. Метода храњења танког филма Га2О3 дефинисана ивицама обезбеђује брзе стопе раста и велике пречнике. На слици 3 приказан је дијаграм монокристала β-Га2О3. Поред тога, у смислу скале величине, 2-инчни и 4-инчни β-Га2О3 супстрати са одличном транспарентношћу и униформношћу су комерцијализовани, док је 6-инчни супстрат приказан у истраживању за будућу комерцијализацију. Недавно су такође постали доступни велики кружни монокристални расути материјали са (-201) оријентацијом. Поред тога, β-Га2О3 метода храњења филма дефинисана ивицом такође промовише допирање елемената прелазних метала, чинећи истраживање и припрему Га2О3 могућим.
Слика 3 Монокристал β-Га2О3 узгојен методом храњења филма дефинисаном ивицом
1.3 Бриџменова метода
У Бридгеман методи, кристали се формирају у лончићу који се постепено помера кроз температурни градијент. Процес се може изводити у хоризонталној или вертикалној оријентацији, обично користећи ротирајући лончић. Вреди напоменути да овај метод може или не мора да користи кристално семе. Традиционалним Бриџмановим оператерима недостаје директна визуализација процеса топљења и раста кристала и морају да контролишу температуре са великом прецизношћу. Вертикална Бриџманова метода се углавном користи за раст β-Га2О3 и позната је по својој способности да расте у ваздушном окружењу. Током процеса раста вертикалне Бридгманове методе, укупан губитак масе растопа и лончића се одржава испод 1%, што омогућава раст великих монокристала β-Га2О3 са минималним губитком.
Слика 4 Монокристал β-Га2О3 узгојен Бриџменовом методом
1.4 Метода плутајуће зоне
Метода плутајуће зоне решава проблем контаминације кристала материјалима за лончиће и смањује високе трошкове повезане са инфрацрвеним лонцима отпорним на високе температуре. Током овог процеса раста, талина се може загревати помоћу лампе, а не од РФ извора, чиме се поједностављују захтеви за опрему за раст. Иако облик и квалитет кристала β-Га2О3 узгојеног методом плутајуће зоне још нису оптимални, ова метода отвара обећавајућу методу за узгој β-Га2О3 високе чистоће у монокристале који су јефтини.
Слика 5 Монокристал β-Га2О3 узгојен методом плутајуће зоне.
Време поста: 30.05.2024