Wide bandgap (WBG) semikonduktor digambarkeun ku silikon carbide (SiC) jeung gallium nitride (GaN) geus narima perhatian nyebar. Jalma-jalma ngagaduhan ekspektasi anu luhur pikeun prospek aplikasi silikon karbida dina kendaraan listrik sareng jaringan listrik, ogé prospek aplikasi gallium nitride dina ngecas gancang. Dina taun anyar, panalungtikan ngeunaan Ga2O3, AlN jeung bahan inten geus nyieun kamajuan signifikan, sahingga bahan semikonduktor bandgap ultra-lega fokus perhatian. Di antarana, gallium oksida (Ga2O3) nyaéta bahan semikonduktor ultra-lega-bandgap anu muncul kalayan celah pita 4,8 eV, kakuatan médan ngarecahna kritis teoritis kira-kira 8 MV cm-1, laju jenuh kira-kira 2E7cm s-1, sarta faktor kualitas Baliga luhur 3000, narima perhatian nyebar dina widang tegangan tinggi jeung éléktronika kakuatan frékuénsi luhur.
1. Ciri bahan galium oksida
Ga2O3 boga gap band badag (4.8 eV), diperkirakeun ngahontal duanana tegangan tahan tinggi na kamampuhan kakuatan tinggi, sarta bisa boga potensi adaptability tegangan tinggi dina résistansi rélatif low, nyieun eta fokus panalungtikan ayeuna. Sajaba ti éta, Ga2O3 teu ukur mibanda sipat bahan alus teuing, tapi ogé nyadiakeun rupa-rupa gampang adjustable n-tipe doping téhnologi, kitu ogé béaya rendah substrat tumuwuh sarta téhnologi epitaxy. Sajauh ieu, lima fase kristal béda geus kapanggih dina Ga2O3, kaasup corundum (α), monoclinic (β), spinel cacad (γ), kubik (δ) jeung ortorombik (ɛ) fase. Stabilitas termodinamika nyaéta, dina urutan, γ, δ, α, ɛ, jeung β. Eta sia noting yén monoclinic β-Ga2O3 paling stabil, utamana dina suhu luhur, bari fase séjén metastatable luhureun suhu kamar sarta condong transformasi kana fase β dina kaayaan termal husus. Ku alatan éta, ngembangkeun alat basis β-Ga2O3 geus jadi fokus utama dina widang éléktronika kakuatan dina taun panganyarna.
meja 1 Babandingan sababaraha parameter bahan semikonduktor
Struktur kristal monoclinicβ-Ga2O3 dipidangkeun dina Table 1. Parameter kisi na ngawengku a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å, jeung β = 103,8 °. Sél unit diwangun ku atom Ga(I) jeung koordinasi tétrahedral twisted jeung atom Ga(II) jeung koordinasi octahedral. Aya tilu susunan béda atom oksigén dina "kubik twisted" Asép Sunandar Sunarya, kaasup dua triangularly ngagabung O(I) jeung O(II) atom jeung hiji tetrahedrally ngagabung O(III) atom. Kombinasi dua jenis koordinasi atom ieu ngakibatkeun anisotropi β-Ga2O3 mibanda sipat husus dina fisika, korosi kimiawi, optik jeung éléktronika.
Gambar 1 Skéma diagram struktural kristal β-Ga2O3 monoklin
Tina sudut pandang téori pita énergi, nilai minimum pita konduksi β-Ga2O3 diturunkeun tina kaayaan énérgi anu pakait sareng orbit hibrida 4s0 atom Ga. Beda énergi antara nilai minimum pita konduksi jeung tingkat énergi vakum (énergi afinitas éléktron) diukur. ieu 4ev. Massa éléktron éféktif β-Ga2O3 diukur salaku 0.28-0.33 kuring jeung konduktivitas éléktronik nguntungkeun na. Sanajan kitu, pita valénsi maksimum némbongkeun kurva Ek deet kalawan curvature pisan low jeung orbital O2p kuat localized, nunjukkeun yen liang anu deeply localized. Karakteristik ieu nyababkeun tantangan anu ageung pikeun ngahontal doping tipe-p dina β-Ga2O3. Sanajan doping P-tipe bisa dihontal, liang μ tetep dina tingkat pisan low. 2. Tumuwuhna bulk gallium oksida kristal tunggal Sajauh ieu, metoda tumuwuhna β-Ga2O3 bulk substrat kristal tunggal utamana metoda kristal narik, kayaning Czochralski (CZ), metoda dahar pilem ipis ujung-diartikeun (Tepi -Defined pilem-fed). , EFG), Bridgman (Rtical atanapi horizontal Bridgman, HB atanapi VB) jeung zona floating (zone floating, FZ) téhnologi. Diantara sakabeh metodeu, Czochralski jeung ujung-diartikeun ipis-pilem nyoco metodeu diperkirakeun jadi jalan paling ngajangjikeun pikeun produksi masal wafers β-Ga 2O3 dina mangsa nu bakal datang, sabab sakaligus bisa ngahontal volume badag sarta dénsitas cacad low. Nepi ka ayeuna, Téknologi Kristal Novel Jepang parantos ngawujudkeun matriks komersil pikeun pertumbuhan lebur β-Ga2O3.
2.1 Métode Czochralski
Prinsip metode Czochralski nyaéta yén lapisan siki mimiti ditutupan, teras kristal tunggal lalaunan ditarik kaluar tina ngalembereh. Métode Czochralski beuki penting pikeun β-Ga2O3 kusabab éféktivitas biaya, kamampuan ukuran ageung, sareng pertumbuhan substrat kualitas kristal anu luhur. Sanajan kitu, alatan stress termal salila tumuwuhna-suhu luhur Ga2O3, évaporasi kristal tunggal, bahan ngalembereh, jeung karuksakan kana crucible Ir bakal lumangsung. Ieu hasil tina kasusah dina achieving low n-tipe doping di Ga2O3. Ngenalkeun jumlah oksigén anu pas kana atmosfir kamekaran mangrupikeun salah sahiji cara pikeun ngabéréskeun masalah ieu. Ngaliwatan optimasi, kualitas luhur 2 inci β-Ga2O3 kalawan rentang konsentrasi éléktron bébas tina 10^16~10^19 cm-3 sarta dénsitas éléktron maksimum 160 cm2/Vs geus hasil tumuwuh ku métode Czochralski.
Gambar 2 Kristal tunggal β-Ga2O3 dipelak ku métode Czochralski
2.2 Métode nyoco pilem tepi-diartikeun
Metoda nyoco pilem ipis tepi-diartikeun dianggap contender ngarah pikeun produksi komérsial badag-wewengkon bahan kristal tunggal Ga2O3. Prinsip metoda ieu nyaéta pikeun nempatkeun ngalembereh dina kapang kalawan slit kapilér, sarta ngalembereh naék kana kapang ngaliwatan aksi kapilér. Di luhur, film ipis ngabentuk sareng nyebarkeun ka sadaya arah bari didorong pikeun ngakristal ku kristal siki. Salaku tambahan, ujung luhur kapang tiasa dikontrol pikeun ngahasilkeun kristal dina serpihan, tabung, atanapi géométri anu dipikahoyong. Metoda nyoco pilem ipis tepi-diartikeun Ga2O3 nyadiakeun laju tumuwuh gancang sarta diaméter badag. Gambar 3 nembongkeun diagram kristal tunggal β-Ga2O3. Salaku tambahan, dina hal skala ukuran, substrat β-Ga2O3 2 inci sareng 4 inci kalayan transparansi anu saé sareng seragam parantos dikomersilkeun, sedengkeun substrat 6 inci ditingalikeun dina panalungtikan pikeun komersialisasi ka hareup. Anyar, bahan bulk tunggal-kristal sirkular badag ogé geus sadia kalawan (-201) orientasi. Sajaba ti éta, metoda β-Ga2O3 tepi-diartikeun pilem dahar ogé promotes doping unsur logam transisi, sahingga panalungtikan sarta persiapan Ga2O3 mungkin.
Gambar 3 β-Ga2O3 kristal tunggal dipelak ku metoda dahar pilem tepi-diartikeun
2.3 Métode Bridgeman
Dina metoda Bridgeman, kristal kabentuk dina crucible anu laun dipindahkeun ngaliwatan gradién suhu. Prosésna tiasa dilakukeun dina orientasi horisontal atanapi vertikal, biasana nganggo crucible puteran. Perlu dicatet yén metode ieu tiasa atanapi henteu nganggo siki kristal. Operator Bridgman Tradisional kakurangan visualisasi langsung tina prosés lebur sareng pertumbuhan kristal sareng kedah ngontrol suhu kalayan akurasi anu luhur. Métode Bridgman nangtung utamana dipaké pikeun tumuwuhna β-Ga2O3 sarta dipikawanoh pikeun kamampuhna tumuwuh dina lingkungan hawa. Salila prosés tumuwuhna metoda Bridgman nangtung, leungitna massa total tina ngalembereh tur crucible diteundeun handap 1%, sangkan tumuwuhna kristal tunggal β-Ga2O3 badag kalayan leungitna minimal.
Gambar 4 Kristal tunggal β-Ga2O3 dipelak ku métode Bridgeman
2.4 Métode zona ngambang
Metodeu zone floating solves masalah kontaminasi kristal ku bahan crucible sarta ngurangan biaya tinggi pakait sareng crucibles infra red tahan suhu luhur. Salila prosés kamekaran ieu, lebur tiasa dipanaskeun ku lampu tinimbang sumber RF, sahingga nyederhanakeun sarat pikeun alat-alat pertumbuhan. Sanajan bentuk jeung kualitas kristal β-Ga2O3 tumuwuh ku metoda zona floating teu acan optimal, metoda ieu muka nepi metoda ngajangjikeun pikeun tumuwuh-purity tinggi β-Ga2O3 kana anggaran-friendly kristal tunggal.
Gambar 5 β-Ga2O3 kristal tunggal tumuwuh ku métode zone floating.
waktos pos: May-30-2024