Halvledare med breda bandgap (WBG) representerade av kiselkarbid (SiC) och galliumnitrid (GaN) har fått stor uppmärksamhet. Människor har höga förväntningar på användningsmöjligheterna för kiselkarbid i elfordon och elnät, såväl som möjligheterna till användning av galliumnitrid vid snabbladdning. Under de senaste åren har forskningen om Ga2O3, AlN och diamantmaterial gjort betydande framsteg, vilket gjort halvledarmaterial med ultrabred bandgap till fokus. Bland dem är galliumoxid (Ga2O3) ett framväxande halvledarmaterial med ultrabredt bandgap med ett bandgap på 4,8 eV, en teoretisk kritisk nedbrytningsfältstyrka på ca 8 MV cm-1, en mättnadshastighet på ca 2E7cm s-1, och en hög Baliga-kvalitetsfaktor på 3000, som får stor uppmärksamhet inom området högspänning och hög frekvenseffektelektronik.
1. Materialegenskaper för galliumoxid
Ga2O3 har ett stort bandgap (4,8 eV), förväntas uppnå både hög motstå spänning och hög effektkapacitet, och kan ha potential för högspänningsanpassning vid relativt låg resistans, vilket gör dem till fokus för aktuell forskning. Dessutom har Ga2O3 inte bara utmärkta materialegenskaper, utan tillhandahåller också en mängd lätt justerbara dopningsteknologier av n-typ, såväl som billiga substrattillväxt- och epitaxiteknologier. Hittills har fem olika kristallfaser upptäckts i Ga2O3, inklusive korund (α), monoklinisk (β), defekt spinell (γ), kubisk (δ) och ortorombisk (ɛ) faser. Termodynamiska stabiliteter är, i ordning, γ, δ, α, ɛ och β. Det är värt att notera att monoklin β-Ga2O3 är den mest stabila, speciellt vid höga temperaturer, medan andra faser är metastabila över rumstemperatur och tenderar att omvandlas till β-fasen under specifika termiska förhållanden. Därför har utvecklingen av β-Ga2O3-baserade enheter blivit ett stort fokus inom kraftelektronikområdet de senaste åren.
Tabell 1 Jämförelse av några parametrar för halvledarmaterial
Kristallstrukturen för monoklinisk β-Ga2O3 visas i tabell 1. Dess gitterparametrar inkluderar a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å och β = 103,8°. Enhetscellen består av Ga(I)-atomer med vriden tetraedrisk koordination och Ga(II)-atomer med oktaedrisk koordination. Det finns tre olika arrangemang av syreatomer i den "tvinnade kubiska" matrisen, inklusive två triangulärt koordinerade O(I)- och O(II)-atomer och en tetraedriskt koordinerad O(III)-atom. Kombinationen av dessa två typer av atomkoordination leder till anisotropin av β-Ga2O3 med speciella egenskaper inom fysik, kemisk korrosion, optik och elektronik.
Figur 1 Schematiskt strukturdiagram av monoklinisk β-Ga2O3-kristall
Ur energibandsteorins perspektiv härleds minimivärdet för ledningsbandet för β-Ga2O3 från energitillståndet som motsvarar Ga-atomens hybridomloppsbana 4s0. Energiskillnaden mellan minimivärdet för ledningsbandet och vakuumenerginivån (elektronaffinitetsenergi) mäts. är 4 eV. Den effektiva elektronmassan för β-Ga2O3 mäts till 0,28–0,33 me och dess gynnsamma elektroniska konduktivitet. Valensbandets maximum uppvisar dock en ytlig Ek-kurva med mycket låg krökning och starkt lokaliserade O2p-orbitaler, vilket tyder på att hålen är djupt lokaliserade. Dessa egenskaper utgör en stor utmaning för att uppnå p-typ dopning i β-Ga2O3. Även om dopning av P-typ kan uppnås förblir hålet μ på en mycket låg nivå. 2. Tillväxt av bulk galliumoxidenkristall Hittills är tillväxtmetoden för β-Ga2O3 bulkenkristallsubstrat huvudsakligen kristalldragningsmetod, såsom Czochralski (CZ), kantdefinierad tunnfilmsmatningsmetod (Edge-Defined film-matad) , EFG), Bridgman (rtisk eller horisontell Bridgman, HB eller VB) och flytande zon (flytande zon, FZ) teknologi. Bland alla metoder förväntas Czochralski och kantdefinierade tunnfilmsmatningsmetoder vara de mest lovande vägarna för massproduktion av β-Ga 2O3-skivor i framtiden, eftersom de samtidigt kan uppnå stora volymer och låga defektdensiteter. Hittills har Japans Novel Crystal Technology realiserat en kommersiell matris för smälttillväxt β-Ga2O3.
1.1 Czochralski-metoden
Principen för Czochralski-metoden är att fröskiktet först täcks, och sedan dras enkristallen långsamt ut från smältan. Czochralski-metoden är allt viktigare för β-Ga2O3 på grund av dess kostnadseffektivitet, stora kapaciteter och substrattillväxt av hög kristallkvalitet. På grund av termisk stress under högtemperaturtillväxten av Ga2O3 kommer dock avdunstning av enkristaller, smältmaterial och skador på Ir-degeln att inträffa. Detta är ett resultat av svårigheten att uppnå låg doping av n-typ i Ga2O3. Att införa en lämplig mängd syre i tillväxtatmosfären är ett sätt att lösa detta problem. Genom optimering har högkvalitativ 2-tums β-Ga2O3 med ett fritt elektronkoncentrationsområde på 10^16~10^19 cm-3 och en maximal elektrondensitet på 160 cm2/Vs framgångsrikt odlats med Czochralski-metoden.
Figur 2 Enkristall av β-Ga2O3 odlad med Czochralski-metoden
1.2 Kantdefinierad filmmatningsmetod
Den kantdefinierade tunnfilmsmatningsmetoden anses vara den ledande utmanaren för kommersiell produktion av Ga2O3-enkristallmaterial med stor yta. Principen för denna metod är att placera smältan i en form med en kapillärslits, och smältan stiger till formen genom kapillärverkan. På toppen bildas en tunn film som sprider sig i alla riktningar samtidigt som den förmås att kristallisera av frökristallen. Dessutom kan kanterna på formen styras för att producera kristaller i flingor, rör eller vilken geometri som helst. Den kantdefinierade tunnfilmsmatningsmetoden för Ga2O3 ger snabba tillväxthastigheter och stora diametrar. Figur 3 visar ett diagram över en β-Ga2O3-enkristall. Dessutom, när det gäller storleksskala, har 2-tums och 4-tums β-Ga2O3-substrat med utmärkt transparens och enhetlighet kommersialiserats, medan 6-tumssubstratet demonstreras i forskning för framtida kommersialisering. Nyligen har även stora cirkulära enkristall-bulkmaterial blivit tillgängliga med (−201) orientering. Dessutom främjar den β-Ga2O3-kantdefinierade filmmatningsmetoden också dopningen av övergångsmetallelement, vilket gör forskning och beredning av Ga2O3 möjlig.
Figur 3 β-Ga2O3 enkristall odlad genom kantdefinierad filmmatningsmetod
1.3 Bridgemans metod
I Bridgemanmetoden bildas kristaller i en degel som gradvis förflyttas genom en temperaturgradient. Processen kan utföras i horisontell eller vertikal orientering, vanligtvis med hjälp av en roterande degel. Det är värt att notera att denna metod kan eller inte kan använda kristallfrön. Traditionella Bridgman-operatörer saknar direkt visualisering av smältnings- och kristalltillväxtprocesserna och måste kontrollera temperaturer med hög precision. Den vertikala Bridgman-metoden används främst för tillväxt av β-Ga2O3 och är känd för sin förmåga att växa i luftmiljö. Under den vertikala Bridgman-metodens tillväxtprocess hålls den totala massförlusten av smältan och degeln under 1 %, vilket möjliggör tillväxt av stora β-Ga2O3-enkristaller med minimal förlust.
Figur 4 Enkristall av β-Ga2O3 odlad med Bridgeman-metoden
1.4 Flytzonsmetod
Floating zone-metoden löser problemet med kristallkontamination av material i degeln och minskar de höga kostnaderna som är förknippade med högtemperaturbeständiga infraröda deglar. Under denna tillväxtprocess kan smältan värmas upp av en lampa snarare än en RF-källa, vilket förenklar kraven på tillväxtutrustning. Även om formen och kristallkvaliteten hos β-Ga2O3 odlad med flytzonsmetoden ännu inte är optimal, öppnar denna metod upp för en lovande metod för att odla högrenhet β-Ga2O3 till budgetvänliga enkristaller.
Figur 5 β-Ga2O3 enkristall odlad med flytande zonmetoden.
Posttid: 30 maj 2024