Ang malawak na bandgap (WBG) semiconductors na kinakatawan ng silicon carbide (SiC) at gallium nitride (GaN) ay nakatanggap ng malawakang atensyon. Ang mga tao ay may mataas na inaasahan para sa mga prospect ng paggamit ng silicon carbide sa mga de-koryenteng sasakyan at mga power grid, pati na rin ang mga prospect ng aplikasyon ng gallium nitride sa mabilis na pagsingil. Sa mga nagdaang taon, ang pananaliksik sa Ga2O3, AlN at mga materyales sa brilyante ay gumawa ng makabuluhang pag-unlad, na ginagawang ang ultra-wide bandgap semiconductor na materyales ang pinagtutuunan ng pansin. Kabilang sa mga ito, ang gallium oxide (Ga2O3) ay isang umuusbong na ultra-wide-bandgap na semiconductor na materyal na may band gap na 4.8 eV, isang teoretikal na critical breakdown field strength na mga 8 MV cm-1, isang saturation velocity na humigit-kumulang 2E7cm s-1, at isang mataas na Baliga quality factor na 3000, na tumatanggap ng malawakang atensyon sa larangan ng high voltage at high frequency power electronics.
1. Mga katangian ng materyal na gallium oxide
Ang Ga2O3 ay may malaking band gap (4.8 eV), ay inaasahang makakamit ang parehong mataas na makatiis na boltahe at mataas na kapangyarihan na mga kakayahan, at maaaring magkaroon ng potensyal para sa mataas na boltahe na adaptability sa medyo mababang resistensya, na ginagawa silang pokus ng kasalukuyang pananaliksik. Bilang karagdagan, ang Ga2O3 ay hindi lamang may mahusay na mga katangian ng materyal, ngunit nagbibigay din ng iba't ibang madaling iakma na n-type na mga teknolohiya ng doping, pati na rin ang murang paglago ng substrate at mga teknolohiya ng epitaxy. Sa ngayon, limang magkakaibang crystal phase ang natuklasan sa Ga2O3, kabilang ang corundum (α), monoclinic (β), defective spinel (γ), cubic (δ) at orthorhombic (ɛ) phase. Ang mga thermodynamic stability ay, sa pagkakasunud-sunod, γ, δ, α, ɛ, at β. Kapansin-pansin na ang monoclinic β-Ga2O3 ay ang pinaka-stable, lalo na sa mataas na temperatura, habang ang iba pang mga phase ay metastable sa itaas ng temperatura ng silid at may posibilidad na mag-transform sa β phase sa ilalim ng mga tiyak na kondisyon ng thermal. Samakatuwid, ang pagbuo ng mga aparatong nakabatay sa β-Ga2O3 ay naging pangunahing pokus sa larangan ng power electronics sa mga nakaraang taon.
Talahanayan 1 Paghahambing ng ilang mga parameter ng materyal na semiconductor
Ang kristal na istraktura ng monoclinicβ-Ga2O3 ay ipinapakita sa Talahanayan 1. Kasama sa mga parameter ng sala-sala nito ang a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, at β = 103.8°. Ang unit cell ay binubuo ng Ga(I) atoms na may twisted tetrahedral coordination at Ga(II) atoms na may octahedral coordination. Mayroong tatlong magkakaibang pagsasaayos ng mga atomo ng oxygen sa hanay ng "twisted cubic", kabilang ang dalawang triangularly coordinated O(I) at O(II) atoms at isang tetrahedrally coordinated O(III) atom. Ang kumbinasyon ng dalawang uri ng atomic na koordinasyon ay humahantong sa anisotropy ng β-Ga2O3 na may mga espesyal na katangian sa pisika, kemikal na kaagnasan, optika at electronics.
Figure 1 Schematic structural diagram ng monoclinic β-Ga2O3 crystal
Mula sa pananaw ng teorya ng energy band, ang minimum na halaga ng conduction band ng β-Ga2O3 ay hinango mula sa estado ng enerhiya na naaayon sa 4s0 hybrid orbit ng Ga atom. Ang pagkakaiba ng enerhiya sa pagitan ng pinakamababang halaga ng conduction band at ang antas ng enerhiya ng vacuum (electron affinity energy) ay sinusukat. ay 4 eV. Ang epektibong electron mass ng β-Ga2O3 ay sinusukat bilang 0.28–0.33 me at ang paborableng electronic conductivity nito. Gayunpaman, ang maximum na valence band ay nagpapakita ng isang mababaw na Ek curve na may napakababang curvature at malakas na naisalokal na mga O2p orbital, na nagmumungkahi na ang mga butas ay malalim na naisalokal. Ang mga katangiang ito ay nagdudulot ng malaking hamon upang makamit ang p-type doping sa β-Ga2O3. Kahit na ang P-type doping ay maaaring makamit, ang butas μ ay nananatili sa isang napakababang antas. 2. Paglago ng bulk gallium oxide single crystal Sa ngayon, ang growth method ng β-Ga2O3 bulk single crystal substrate ay pangunahing crystal pulling method, gaya ng Czochralski (CZ), edge-defined thin film feeding method (Edge -Defined film-fed). , EFG), Bridgman (rtical o horizontal Bridgman, HB o VB) at teknolohiyang floating zone (floating zone, FZ). Sa lahat ng mga pamamaraan, ang Czochralski at ang mga pamamaraan ng pagpapakain ng manipis na pelikula na tinukoy sa gilid ay inaasahang ang pinaka-promising na mga paraan para sa mass production ng β-Ga 2O3 wafers sa hinaharap, dahil maaari nilang sabay na makamit ang malalaking volume at mababang densidad ng depekto. Hanggang ngayon, ang Novel Crystal Technology ng Japan ay nakagawa ng isang komersyal na matrix para sa matunaw na paglago β-Ga2O3.
1.1 Pamamaraan ng Czochralski
Ang prinsipyo ng pamamaraang Czochralski ay ang layer ng binhi ay unang natatakpan, at pagkatapos ay ang nag-iisang kristal ay dahan-dahang hinugot mula sa pagkatunaw. Ang pamamaraang Czochralski ay lalong mahalaga para sa β-Ga2O3 dahil sa pagiging epektibo nito sa gastos, mga kakayahan sa malalaking sukat, at mataas na kalidad ng kristal na paglaki ng substrate. Gayunpaman, dahil sa thermal stress sa panahon ng mataas na temperatura na paglago ng Ga2O3, ang pagsingaw ng mga solong kristal, natutunaw na materyales, at pinsala sa Ir crucible ay magaganap. Ito ay resulta ng kahirapan sa pagkamit ng mababang n-type na doping sa Ga2O3. Ang pagpapasok ng naaangkop na dami ng oxygen sa kapaligiran ng paglago ay isang paraan upang malutas ang problemang ito. Sa pamamagitan ng optimization, ang mataas na kalidad na 2-inch β-Ga2O3 na may libreng electron concentration range na 10^16~10^19 cm-3 at isang maximum na electron density na 160 cm2/Vs ay matagumpay na napalago ng Czochralski method.
Figure 2 Isang kristal ng β-Ga2O3 na lumago sa pamamagitan ng pamamaraang Czochralski
1.2 Paraan ng pagpapakain ng pelikula na tinukoy sa gilid
Ang edge-defined thin film feeding method ay itinuturing na nangungunang contender para sa komersyal na produksyon ng malalaking lugar na Ga2O3 single crystal na materyales. Ang prinsipyo ng pamamaraang ito ay upang ilagay ang matunaw sa isang amag na may capillary slit, at ang matunaw ay tumataas sa amag sa pamamagitan ng pagkilos ng maliliit na ugat. Sa itaas, isang manipis na pelikula ang nabubuo at kumakalat sa lahat ng direksyon habang hinihimok na mag-kristal ng binhing kristal. Bilang karagdagan, ang mga gilid ng tuktok ng amag ay maaaring kontrolin upang makagawa ng mga kristal sa mga natuklap, tubo, o anumang nais na geometry. Ang edge-defined thin film feeding method ng Ga2O3 ay nagbibigay ng mabilis na paglaki at malalaking diameter. Ang Figure 3 ay nagpapakita ng isang diagram ng isang β-Ga2O3 solong kristal. Bilang karagdagan, sa sukat ng sukat, ang 2-pulgada at 4-pulgada na β-Ga2O3 na mga substrate na may mahusay na transparency at pagkakapareho ay na-komersyal, habang ang 6 na pulgadang substrate ay ipinakita sa pananaliksik para sa hinaharap na komersyalisasyon. Kamakailan, ang malalaking pabilog na single-crystal na bulk na materyales ay naging available din na may (−201) na oryentasyon. Bilang karagdagan, ang β-Ga2O3 edge-defined film feeding method ay nagtataguyod din ng doping ng mga elemento ng transition metal, na ginagawang posible ang pananaliksik at paghahanda ng Ga2O3.
Figure 3 β-Ga2O3 solong kristal na lumago sa pamamagitan ng edge-defined film feeding method
1.3 Paraan ng Bridgeman
Sa paraan ng Bridgeman, ang mga kristal ay nabuo sa isang tunawan na unti-unting inilipat sa pamamagitan ng gradient ng temperatura. Ang proseso ay maaaring isagawa sa isang pahalang o patayong oryentasyon, kadalasang gumagamit ng umiikot na crucible. Kapansin-pansin na ang pamamaraang ito ay maaaring o hindi maaaring gumamit ng mga buto ng kristal. Ang mga tradisyunal na operator ng Bridgman ay walang direktang visualization ng mga proseso ng pagtunaw at paglaki ng kristal at dapat na kontrolin ang mga temperatura na may mataas na katumpakan. Ang vertical na paraan ng Bridgman ay pangunahing ginagamit para sa paglaki ng β-Ga2O3 at kilala sa kakayahang lumaki sa isang kapaligiran ng hangin. Sa panahon ng proseso ng paglago ng vertical na paraan ng Bridgman, ang kabuuang pagkawala ng masa ng natutunaw at crucible ay pinananatiling mababa sa 1%, na nagpapagana sa paglaki ng malalaking β-Ga2O3 na solong kristal na may kaunting pagkawala.
Larawan 4 Ang nag-iisang kristal ng β-Ga2O3 na pinalaki ng paraan ng Bridgeman
1.4 Paraan ng floating zone
Ang paraan ng lumulutang na zone ay nilulutas ang problema ng kontaminasyon ng kristal sa pamamagitan ng mga materyal na crucible at binabawasan ang mataas na gastos na nauugnay sa mga infrared crucibles na lumalaban sa mataas na temperatura. Sa proseso ng paglago na ito, ang pagkatunaw ay maaaring painitin ng isang lampara sa halip na isang RF source, kaya pinapasimple ang mga kinakailangan para sa mga kagamitan sa paglago. Bagaman ang hugis at kristal na kalidad ng β-Ga2O3 na pinalaki ng paraan ng floating zone ay hindi pa optimal, ang pamamaraang ito ay nagbubukas ng isang promising na paraan para sa pagpapalaki ng high-purity na β-Ga2O3 sa budget-friendly na solong mga kristal.
Figure 5 β-Ga2O3 solong kristal na lumago sa pamamagitan ng paraan ng floating zone.
Oras ng post: Mayo-30-2024