Широкозонні (WBG) напівпровідники, представлені карбідом кремнію (SiC) і нітридом галію (GaN), привернули широку увагу. Люди покладають великі очікування на перспективи застосування карбіду кремнію в електромобілях і електромережах, а також на перспективи застосування нітриду галію для швидкої зарядки. В останні роки дослідження Ga2O3, AlN і алмазних матеріалів досягли значного прогресу, зробивши напівпровідникові матеріали з надширокою забороненою зоною в центрі уваги. Серед них оксид галію (Ga2O3) є новим надширокозонним напівпровідниковим матеріалом із шириною забороненої зони 4,8 еВ, теоретичною критичною напруженістю поля пробою приблизно 8 МВ см-1, швидкістю насичення приблизно 2E7 см с-1, і високий коефіцієнт якості Baliga 3000, що отримує широку увагу в області високої напруги та високої частоти силова електроніка.
1. Характеристики матеріалу оксиду галію
Ga2O3 має велику ширину забороненої зони (4,8 еВ), очікується, що він зможе досягти як високої витримуваної напруги, так і високої потужності, і може мати потенціал адаптації до високої напруги при відносно низькому опорі, що робить їх центром поточних досліджень. Крім того, Ga2O3 не тільки має чудові властивості матеріалу, але також забезпечує різноманітні легко регульовані технології легування n-типу, а також недорогі технології росту підкладки та епітаксії. На даний момент у Ga2O3 виявлено п’ять різних кристалічних фаз, включаючи корунд (α), моноклінну (β), дефектну шпінель (γ), кубічну (δ) і орторомбічну (ɛ) фази. Термодинамічні стабільності по порядку: γ, δ, α, ɛ і β. Варто зазначити, що моноклінний β-Ga2O3 є найбільш стабільним, особливо при високих температурах, тоді як інші фази є метастабільними вище кімнатної температури та мають тенденцію перетворюватися на β-фазу за певних температурних умов. Таким чином, розробка пристроїв на основі β-Ga2O3 стала основним напрямком у галузі силової електроніки в останні роки.
Таблиця 1 Порівняння параметрів деяких напівпровідникових матеріалів
Кристалічна структура моноклінного β-Ga2O3 наведена в табл. 1. Його параметри решітки включають a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å, β = 103,8°. Елементарна комірка складається з атомів Ga(I) із закрученою тетраедричною координацією та атомів Ga(II) з октаедричною координацією. Існують три різні розташування атомів кисню в «скрученому кубічному» масиві, включаючи два трикутно координованих атоми O(I) і O(II) і один тетраедрично координований атом O(III). Поєднання цих двох типів атомної координації призводить до анізотропії β-Ga2O3 з особливими властивостями у фізиці, хімічній корозії, оптиці та електроніці.
Рисунок 1. Схематична структурна діаграма моноклінного кристала β-Ga2O3
З точки зору енергетичної зонної теорії, мінімальне значення зони провідності β-Ga2O3 виводиться з енергетичного стану, що відповідає 4s0 гібридній орбіті атома Ga. Вимірюється різниця енергій між мінімальним значенням зони провідності та рівнем енергії вакууму (енергія спорідненості до електрона). дорівнює 4 еВ. Ефективна маса електрона β-Ga2O3 вимірюється як 0,28–0,33 me і його сприятлива електронна провідність. Однак максимум валентної зони демонструє неглибоку криву Ek з дуже низькою кривизною та сильно локалізованими орбіталями O2p, що свідчить про те, що дірки глибоко локалізовані. Ці характеристики становлять величезну проблему для досягнення легування p-типу в β-Ga2O3. Навіть якщо може бути досягнуто легування P-типу, дірковий μ залишається на дуже низькому рівні. 2. Вирощування об’ємного монокристала оксиду галію. На сьогоднішній день метод вирощування об’ємної монокристалічної підкладки β-Ga2O3 – це переважно метод витягування кристала, такий як Чохральський (CZ), метод подачі тонкої плівки з визначенням краю (Edge -Defined film-fed , EFG), Бріджмена (rtical або horizontal Bridgman, HB або VB) і плаваюча зона (floating zone, FZ) технології. Очікується, що серед усіх методів Чохральського та методи подачі тонких плівок із визначенням краю будуть найбільш перспективними шляхами для масового виробництва пластин β-Ga 2O3 у майбутньому, оскільки вони можуть одночасно досягати великих обсягів і низької щільності дефектів. До теперішнього часу японська компанія Novel Crystal Technology реалізувала комерційну матрицю для росту з розплаву β-Ga2O3.
1.1 Метод Чохральського
Принцип методу Чохральського полягає в тому, що спочатку покривається затравковий шар, а потім монокристал повільно витягується з розплаву. Метод Чохральського стає все більш важливим для β-Ga2O3 завдяки його економічній ефективності, можливостям великих розмірів і високоякісному зростанню підкладки кристалів. Однак через термічний стрес під час високотемпературного росту Ga2O3 відбудеться випаровування монокристалів, розплавлених матеріалів і пошкодження Ir-тигля. Це результат труднощів у досягненні низького легування n-типу в Ga2O3. Введення відповідної кількості кисню в атмосферу росту є одним із способів вирішення цієї проблеми. Завдяки оптимізації методом Чохральського було успішно вирощено високоякісний 2-дюймовий β-Ga2O3 з діапазоном концентрації вільних електронів 10^16~10^19 см-3 і максимальною густиною електронів 160 см2/Вс.
Рисунок 2. Монокристал β-Ga2O3, вирощений методом Чохральського
1.2 Спосіб подачі плівки за краєм
Метод подачі тонкої плівки з визначенням краю вважається провідним претендентом на комерційне виробництво монокристалічних матеріалів Ga2O3 великої площі. Принцип цього методу полягає в тому, що розплав поміщають у форму з капілярною щілиною, і розплав піднімається до форми завдяки капілярній дії. У верхній частині утворюється тонка плівка, яка поширюється в усіх напрямках, спонукаючи її до кристалізації затравковим кристалом. Крім того, можна контролювати краї верхньої частини форми для отримання кристалів у вигляді пластівців, трубок або будь-якої бажаної геометрії. Метод подачі тонкої плівки Ga2O3 із визначенням краю забезпечує високі темпи росту та великі діаметри. На рис. 3 зображено схему монокристала β-Ga2O3. Крім того, з точки зору масштабу розміру, 2-дюймові та 4-дюймові підкладки β-Ga2O3 з чудовою прозорістю та однорідністю були комерційно використані, тоді як 6-дюймова підкладка продемонстрована в дослідженнях для майбутньої комерціалізації. Нещодавно стали доступними великі круглі монокристалічні об’ємні матеріали з орієнтацією (−201). Крім того, метод подачі плівки β-Ga2O3 із визначеним краєм також сприяє легуванню елементів перехідних металів, що робить можливим дослідження та отримання Ga2O3.
Малюнок 3. Монокристал β-Ga2O3, вирощений методом подачі плівки з визначеним краєм
1.3 Метод Бріджмена
У методі Бріджмена кристали утворюються в тиглі, який поступово переміщується через температурний градієнт. Процес можна виконувати в горизонтальній або вертикальній орієнтації, зазвичай з використанням обертового тигля. Варто зазначити, що цей метод може використовувати або не використовувати кристалічні зерна. Традиційним операторам Бріджмена бракує прямої візуалізації процесів плавлення та росту кристалів, і вони повинні контролювати температуру з високою точністю. Вертикальний метод Бріджмена в основному використовується для вирощування β-Ga2O3 і відомий своєю здатністю рости в повітряному середовищі. Під час вертикального процесу вирощування методом Бріджмена загальна втрата маси розплаву та тигля підтримується на рівні нижче 1%, що дозволяє вирощувати великі монокристали β-Ga2O3 з мінімальними втратами.
Рисунок 4. Монокристал β-Ga2O3, вирощений методом Бріджмена
1.4 Метод плаваючої зони
Метод плаваючої зони вирішує проблему забруднення кристалів матеріалами тигля та знижує високі витрати, пов’язані зі стійкими до високих температур інфрачервоними тиглями. Під час цього процесу росту розплав можна нагрівати лампою, а не радіочастотним джерелом, таким чином спрощуючи вимоги до обладнання для росту. Хоча форма та якість кристала β-Ga2O3, вирощеного методом плаваючої зони, ще не є оптимальними, цей метод відкриває перспективний метод вирощування високочистого β-Ga2O3 у бюджетні монокристали.
Рисунок 5 Монокристал β-Ga2O3, вирощений методом плаваючої зони.
Час публікації: 30 травня 2024 р