Silisyum karbür (SiC) ve galyum nitrür (GaN) ile temsil edilen geniş bant aralıklı (WBG) yarı iletkenler geniş çapta ilgi görmüştür. İnsanların elektrikli araçlarda ve elektrik şebekelerinde silisyum karbürün uygulama olanakları ve hızlı şarjda galyum nitrürün uygulama olanakları konusunda yüksek beklentileri var. Son yıllarda Ga2O3, AlN ve elmas malzemeler üzerine yapılan araştırmalar önemli ilerlemeler kaydederek ultra geniş bant aralıklı yarı iletken malzemeleri ilgi odağı haline getirdi. Bunların arasında galyum oksit (Ga2O3), 4,8 eV'lik bant aralığına, yaklaşık 8 MV cm-1 teorik kritik kırılma alanı kuvvetine, yaklaşık 2E7cm s-1 doyma hızına sahip, yeni ortaya çıkan ultra geniş bant aralıklı bir yarı iletken malzemedir. ve yüksek gerilim ve yüksek frekanslı güç elektroniği alanında yaygın ilgi gören 3000'lik yüksek Baliga kalite faktörü.
1. Galyum oksit malzeme özellikleri
Ga2O3'ün geniş bir bant aralığı (4,8 eV) vardır, hem yüksek dayanım voltajına hem de yüksek güç kapasitesine ulaşması beklenir ve nispeten düşük dirençte yüksek voltaja uyarlanabilirlik potansiyeline sahip olabilir, bu da onları mevcut araştırmaların odak noktası haline getirir. Ek olarak, Ga2O3 yalnızca mükemmel malzeme özelliklerine sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda çeşitli kolayca ayarlanabilen n-tipi katkılama teknolojilerinin yanı sıra düşük maliyetli substrat büyütme ve epitaksi teknolojilerini de sağlar. Şimdiye kadar Ga2O3'te korindon (α), monoklinik (β), kusurlu spinel (γ), kübik (δ) ve ortorombik (ɛ) fazlar dahil olmak üzere beş farklı kristal faz keşfedildi. Termodinamik stabiliteler sırasıyla γ, δ, α, ɛ ve β'dır. Monoklinik β-Ga2O3'ün özellikle yüksek sıcaklıklarda en kararlı olan olduğunu, diğer fazların ise oda sıcaklığının üzerinde yarı kararlı olduğunu ve belirli termal koşullar altında β fazına dönüşme eğiliminde olduğunu belirtmekte fayda var. Bu nedenle, β-Ga2O3 tabanlı cihazların geliştirilmesi, son yıllarda güç elektroniği alanında önemli bir odak noktası haline gelmiştir.
Tablo 1 Bazı yarı iletken malzeme parametrelerinin karşılaştırılması
Monoklinikβ-Ga2O3'ün kristal yapısı Tablo 1'de gösterilmektedir. Kafes parametreleri arasında a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å ve β = 103,8° bulunur. Birim hücre, bükülmüş tetrahedral koordinasyona sahip Ga(I) atomlarından ve oktahedral koordinasyona sahip Ga(II) atomlarından oluşur. "Bükümlü kübik" dizide, üçgen olarak koordine edilmiş iki O(I) ve O(II) atomu ve tetrahedral olarak koordine edilmiş bir O(III) atomu dahil olmak üzere üç farklı oksijen atomu düzenlemesi vardır. Bu iki tip atomik koordinasyonun birleşimi, fizik, kimyasal korozyon, optik ve elektronik alanlarında özel özelliklere sahip olan β-Ga2O3'ün anizotropisine yol açar.
Şekil 1 Monoklinik β-Ga2O3 kristalinin şematik yapısal diyagramı
Enerji bandı teorisi açısından bakıldığında, β-Ga2O3'ün iletim bandının minimum değeri, Ga atomunun 4s0 hibrit yörüngesine karşılık gelen enerji durumundan türetilir. İletim bandının minimum değeri ile vakum enerji seviyesi arasındaki enerji farkı (elektron ilgi enerjisi) ölçülür. 4 eV'dir. β-Ga2O3'ün etkin elektron kütlesi 0,28-0,33 me ve olumlu elektronik iletkenliği olarak ölçülür. Bununla birlikte, değerlik bandı maksimumu, çok düşük eğriliğe ve güçlü bir şekilde lokalize O2p yörüngelerine sahip sığ bir Ek eğrisi sergiler, bu da deliklerin derin lokalize olduğunu gösterir. Bu özellikler, β-Ga2O3'te p tipi katkılamayı başarmak için büyük bir zorluk teşkil etmektedir. P tipi katkılama sağlanabilse bile μ deliği çok düşük bir seviyede kalır. 2. Toplu galyum oksit tek kristalinin büyütülmesi Şimdiye kadar, β-Ga2O3 toplu tek kristal substratın büyüme yöntemi esas olarak Czochralski (CZ), kenar tanımlı ince film besleme yöntemi (Edge - Defined film beslemeli) gibi kristal çekme yöntemidir. , EFG), Bridgman (dik veya yatay Bridgman, HB veya VB) ve yüzen bölge (yüzen bölge, FZ) teknolojisi. Tüm yöntemler arasında, Czochralski ve kenar tanımlı ince film besleme yöntemlerinin, aynı anda büyük hacimler ve düşük kusur yoğunlukları elde edebildikleri için gelecekte β-Ga 2O3 levhaların seri üretimi için en umut verici yollar olması bekleniyor. Şimdiye kadar, Japonya'nın Yeni Kristal Teknolojisi, eriyik büyümesi β-Ga2O3 için ticari bir matris gerçekleştirmiştir.
2.1 Czochralski yöntemi
Czochralski yönteminin prensibi, önce tohum katmanının kaplanması ve ardından tek kristalin yavaşça eriyikten çekilmesidir. Czochralski yöntemi, maliyet etkinliği, büyük boyut yetenekleri ve yüksek kristal kalitesinde substrat büyümesi nedeniyle β-Ga2O3 için giderek daha önemli hale geliyor. Bununla birlikte, Ga2O3'ün yüksek sıcaklıkta büyümesi sırasındaki termal stres nedeniyle tek kristallerin, eriyik malzemelerin buharlaşması ve Ir potasında hasar meydana gelecektir. Bu, Ga2O3'te düşük n tipi katkılama elde etmenin zorluğunun bir sonucudur. Büyüme atmosferine uygun miktarda oksijen verilmesi bu sorunu çözmenin bir yoludur. Optimizasyon sayesinde, 10^16~10^19 cm-3 serbest elektron konsantrasyonu aralığına ve 160 cm2/Vs maksimum elektron yoğunluğuna sahip yüksek kaliteli 2 inç β-Ga2O3, Czochralski yöntemiyle başarıyla büyütüldü.
Şekil 2 Czochralski yöntemiyle büyütülmüş β-Ga2O3'ün tek kristali
2.2 Kenar tanımlı film besleme yöntemi
Kenar tanımlı ince film besleme yönteminin, geniş alanlı Ga2O3 tek kristal malzemelerinin ticari üretimi için önde gelen rakip olduğu düşünülmektedir. Bu yöntemin prensibi, eriyiğin kılcal yarıklı bir kalıba yerleştirilmesi ve eriyiğin kılcal hareketle kalıba yükselmesidir. Tepede ince bir film oluşur ve tohum kristali tarafından kristalleşmeye teşvik edilirken her yöne yayılır. Ek olarak kalıbın üst kısmının kenarları, pullar, tüpler veya istenilen herhangi bir geometride kristaller üretmek üzere kontrol edilebilir. Ga2O3'ün kenar tanımlı ince film besleme yöntemi, hızlı büyüme oranları ve büyük çaplar sağlar. Şekil 3, bir β-Ga2O3 tek kristalinin diyagramını göstermektedir. Buna ek olarak, boyut ölçeği açısından, mükemmel şeffaflığa ve tekdüzeliğe sahip 2 inç ve 4 inçlik β-Ga2O3 substratları ticarileştirilirken, 6 inçlik substrat gelecekteki ticarileştirmeye yönelik araştırmalarda gösterilmiştir. Son zamanlarda, (−201) yönelimli büyük dairesel tek kristalli dökme malzemeler de mevcut hale geldi. Ek olarak, β-Ga2O3 kenar tanımlı film besleme yöntemi aynı zamanda geçiş metali elementlerinin katkılanmasını da teşvik ederek Ga2O3'ün araştırılmasını ve hazırlanmasını mümkün kılar.
Şekil 3 Kenar tanımlı film besleme yöntemiyle büyütülmüş β-Ga2O3 tek kristali
2.3 Bridgeman yöntemi
Bridgeman yönteminde kristaller, bir sıcaklık gradyanı boyunca kademeli olarak hareket ettirilen bir potada oluşturulur. İşlem, genellikle dönen bir pota kullanılarak yatay veya dikey yönde gerçekleştirilebilir. Bu yöntemin kristal tohumlar kullanıp kullanamayacağını belirtmekte fayda var. Geleneksel Bridgman operatörleri, erime ve kristal büyüme süreçlerinin doğrudan görselleştirilmesinden yoksundur ve sıcaklıkları yüksek hassasiyetle kontrol etmek zorundadır. Dikey Bridgman yöntemi esas olarak β-Ga2O3'ün yetiştirilmesi için kullanılır ve hava ortamında çoğalma yeteneği ile bilinir. Dikey Bridgman yöntemi büyütme işlemi sırasında, eriyik ve potanın toplam kütle kaybı %1'in altında tutularak büyük β-Ga2O3 tekli kristallerinin minimum kayıpla büyümesine olanak sağlanır.
Şekil 4 Bridgeman yöntemiyle büyütülmüş β-Ga2O3'ün tek kristali
2.4 Değişken bölge yöntemi
Yüzen bölge yöntemi, pota malzemelerinin neden olduğu kristal kirliliği sorununu çözer ve yüksek sıcaklığa dayanıklı kızılötesi potalarla ilişkili yüksek maliyetleri azaltır. Bu büyütme işlemi sırasında eriyik, RF kaynağı yerine bir lambayla ısıtılabilir, böylece büyütme ekipmanına yönelik gereksinimler basitleştirilir. Yüzen bölge yöntemiyle büyütülen β-Ga2O3'ün şekli ve kristal kalitesi henüz optimal olmasa da, bu yöntem, yüksek saflıkta β-Ga2O3'ü bütçe dostu tek kristallere dönüştürmek için umut verici bir yöntemin önünü açıyor.
Şekil 5 Yüzen bölge yöntemiyle büyütülmüş β-Ga2O3 tek kristali.
Gönderim zamanı: Mayıs-30-2024