Các chất bán dẫn có dải thông rộng (WBG) được đại diện bởi cacbua silic (SiC) và gali nitrit (GaN) đã nhận được sự chú ý rộng rãi. Mọi người đặt nhiều kỳ vọng vào triển vọng ứng dụng của cacbua silic trong xe điện và lưới điện, cũng như triển vọng ứng dụng của gali nitrit trong sạc nhanh. Trong những năm gần đây, nghiên cứu về vật liệu Ga2O3, AlN và kim cương đã có những tiến bộ đáng kể, khiến vật liệu bán dẫn vùng cấm cực rộng trở thành tâm điểm chú ý. Trong số đó, gali oxit (Ga2O3) là một vật liệu bán dẫn có dải tần cực rộng mới nổi với khoảng cách dải tần là 4,8 eV, cường độ trường đánh thủng tới hạn về mặt lý thuyết là khoảng 8 MV cm-1, tốc độ bão hòa khoảng 2E7cm s-1, và hệ số chất lượng Baliga cao là 3000, nhận được sự quan tâm rộng rãi trong lĩnh vực điện tử công suất cao áp và tần số cao.
1. Đặc tính vật liệu oxit gali
Ga2O3 có vùng cấm lớn (4,8 eV), dự kiến sẽ đạt được cả khả năng chịu được điện áp cao và công suất cao, đồng thời có thể có khả năng thích ứng với điện áp cao ở điện trở tương đối thấp, khiến chúng trở thành trọng tâm của nghiên cứu hiện nay. Ngoài ra, Ga2O3 không chỉ có đặc tính vật liệu tuyệt vời mà còn cung cấp nhiều công nghệ pha tạp loại n có thể điều chỉnh dễ dàng, cũng như công nghệ tăng trưởng chất nền và epitaxy chi phí thấp. Cho đến nay, năm pha tinh thể khác nhau đã được phát hiện trong Ga2O3, bao gồm các pha corundum (α), monoclinic (β), Spinel khiếm khuyết (γ), khối (δ) và trực thoi (ɛ). Độ ổn định nhiệt động theo thứ tự là γ, δ, α, ɛ và β. Điều đáng chú ý là β-Ga2O3 đơn tà ổn định nhất, đặc biệt ở nhiệt độ cao, trong khi các pha khác có khả năng di chuyển trên nhiệt độ phòng và có xu hướng chuyển thành pha β trong các điều kiện nhiệt cụ thể. Do đó, việc phát triển các thiết bị dựa trên β-Ga2O3 đã trở thành trọng tâm chính trong lĩnh vực điện tử công suất trong những năm gần đây.
Bảng 1 So sánh một số thông số vật liệu bán dẫn
Cấu trúc tinh thể của monoclinicβ-Ga2O3 được thể hiện trong Bảng 1. Các thông số mạng của nó bao gồm a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å và β = 103,8°. Ô đơn vị bao gồm các nguyên tử Ga(I) có sự phối trí tứ diện xoắn và các nguyên tử Ga(II) có sự phối hợp bát diện. Có ba cách sắp xếp khác nhau của các nguyên tử oxy trong dãy “khối xoắn”, bao gồm hai nguyên tử O(I) và O(II) phối trí theo hình tam giác và một nguyên tử O(III) phối trí tứ diện. Sự kết hợp của hai kiểu phối hợp nguyên tử này dẫn đến tính dị hướng của β-Ga2O3 với các tính chất đặc biệt về vật lý, ăn mòn hóa học, quang học và điện tử.
Hình 1 Sơ đồ cấu trúc của tinh thể β-Ga2O3 đơn tà
Từ góc độ lý thuyết vùng năng lượng, giá trị tối thiểu của vùng dẫn của β-Ga2O3 được suy ra từ trạng thái năng lượng tương ứng với quỹ đạo lai 4s0 của nguyên tử Ga. Đo sự chênh lệch năng lượng giữa giá trị tối thiểu của dải dẫn và mức năng lượng chân không (năng lượng ái lực điện tử). là 4 eV. Khối lượng electron hiệu dụng của β-Ga2O3 được đo là 0,28–0,33 me và độ dẫn điện tử thuận lợi của nó. Tuy nhiên, mức tối đa của dải hóa trị thể hiện đường cong Ek nông với độ cong rất thấp và quỹ đạo O2p cục bộ mạnh, cho thấy các lỗ trống được định vị sâu. Những đặc điểm này đặt ra thách thức lớn để đạt được pha tạp loại p trong β-Ga2O3. Ngay cả khi có thể đạt được pha tạp loại P thì lỗ hổng μ vẫn ở mức rất thấp. 2. Sự tăng trưởng của tinh thể đơn oxit gali số lượng lớn Cho đến nay, phương pháp tăng trưởng của chất nền đơn tinh thể số lượng lớn β-Ga2O3 chủ yếu là phương pháp kéo tinh thể, chẳng hạn như Czochralski (CZ), phương pháp nạp màng mỏng được xác định theo cạnh (Cung cấp màng được xác định cạnh , EFG), Bridgman (Bridgman theo chiều dọc hoặc ngang, HB hoặc VB) và công nghệ vùng nổi (vùng nổi, FZ). Trong số tất cả các phương pháp, phương pháp nạp màng mỏng Czochralski và xác định cạnh được kỳ vọng sẽ là những con đường hứa hẹn nhất để sản xuất hàng loạt tấm wafer β-Ga 2O3 trong tương lai, vì chúng có thể đồng thời đạt được khối lượng lớn và mật độ khuyết tật thấp. Cho đến nay, Công nghệ Tinh thể Mới của Nhật Bản đã hiện thực hóa được ma trận thương mại cho sự tăng trưởng nóng chảy β-Ga2O3.
2.1 Phương pháp Czochralski
Nguyên lý của phương pháp Czochralski là lớp hạt đầu tiên được phủ lên, sau đó tinh thể đơn lẻ được rút ra từ từ khỏi sự tan chảy. Phương pháp Czochralski ngày càng quan trọng đối với β-Ga2O3 do hiệu quả chi phí, khả năng kích thước lớn và sự phát triển cơ chất chất lượng tinh thể cao. Tuy nhiên, do ứng suất nhiệt trong quá trình tăng trưởng nhiệt độ cao của Ga2O3, sự bay hơi của các tinh thể đơn lẻ, vật liệu nóng chảy và hư hỏng nồi nấu kim loại Ir sẽ xảy ra. Đây là kết quả của sự khó khăn trong việc đạt được độ pha tạp loại n thấp trong Ga2O3. Đưa một lượng oxy thích hợp vào môi trường tăng trưởng là một cách để giải quyết vấn đề này. Thông qua tối ưu hóa, β-Ga2O3 2 inch chất lượng cao với dải nồng độ electron tự do là 10^16~10^19 cm-3 và mật độ electron tối đa là 160 cm2/Vs đã được phát triển thành công bằng phương pháp Czochralski.
Hình 2 Tinh thể đơn β-Ga2O3 được nuôi cấy bằng phương pháp Czochralski
2.2 Phương pháp nạp phim được xác định theo cạnh
Phương pháp nạp màng mỏng xác định theo cạnh được coi là ứng cử viên hàng đầu cho việc sản xuất thương mại vật liệu đơn tinh thể Ga2O3 diện tích lớn. Nguyên lý của phương pháp này là đặt khối nóng chảy vào khuôn có khe mao dẫn, và khối nóng chảy dâng lên khuôn thông qua hoạt động mao dẫn. Ở phía trên, một màng mỏng hình thành và lan ra mọi hướng trong khi được tinh thể hạt tạo ra để kết tinh. Ngoài ra, các cạnh của đỉnh khuôn có thể được kiểm soát để tạo ra các tinh thể ở dạng mảnh, dạng ống hoặc bất kỳ hình dạng mong muốn nào. Phương pháp nạp màng mỏng xác định theo cạnh của Ga2O3 mang lại tốc độ tăng trưởng nhanh và đường kính lớn. Hình 3 thể hiện sơ đồ của đơn tinh thể β-Ga2O3. Ngoài ra, về quy mô kích thước, chất nền β-Ga2O3 2 inch và 4 inch với độ trong suốt và đồng nhất tuyệt vời đã được thương mại hóa, trong khi chất nền 6 inch được thể hiện trong nghiên cứu để thương mại hóa trong tương lai. Gần đây, các vật liệu khối đơn tinh thể hình tròn lớn cũng đã có sẵn với hướng (−201). Ngoài ra, phương pháp cấp màng xác định cạnh β-Ga2O3 còn thúc đẩy quá trình pha tạp các nguyên tố kim loại chuyển tiếp, giúp cho việc nghiên cứu và điều chế Ga2O3 trở nên khả thi.
Hình 3 Tinh thể đơn β-Ga2O3 được nuôi cấy bằng phương pháp nạp màng xác định cạnh
2.3 Phương pháp Bridgeman
Trong phương pháp Bridgeman, các tinh thể được hình thành trong nồi nấu kim loại được di chuyển dần dần qua một gradient nhiệt độ. Quá trình này có thể được thực hiện theo hướng ngang hoặc dọc, thường sử dụng chén nung quay. Điều đáng chú ý là phương pháp này có thể sử dụng hoặc không sử dụng hạt pha lê. Người vận hành Bridgman truyền thống thiếu khả năng trực quan hóa quá trình tan chảy và phát triển tinh thể và phải kiểm soát nhiệt độ với độ chính xác cao. Phương pháp Bridgman dọc chủ yếu được sử dụng để phát triển β-Ga2O3 và được biết đến với khả năng phát triển trong môi trường không khí. Trong quá trình phát triển theo phương pháp Bridgman thẳng đứng, tổng tổn thất khối lượng của nồi nấu và nấu chảy được giữ ở mức dưới 1%, cho phép phát triển các tinh thể đơn β-Ga2O3 lớn với tổn thất tối thiểu.
Hình 4 Tinh thể đơn β-Ga2O3 được nuôi cấy bằng phương pháp Bridgeman
2.4 Phương pháp vùng nổi
Phương pháp vùng nổi giải quyết vấn đề ô nhiễm tinh thể bởi vật liệu nồi nấu kim loại và giảm chi phí cao liên quan đến nồi nấu kim loại hồng ngoại chịu nhiệt độ cao. Trong quá trình tăng trưởng này, chất tan chảy có thể được làm nóng bằng đèn thay vì nguồn RF, do đó đơn giản hóa các yêu cầu đối với thiết bị tăng trưởng. Mặc dù hình dạng và chất lượng tinh thể của β-Ga2O3 được tạo ra bằng phương pháp vùng nổi vẫn chưa tối ưu, nhưng phương pháp này mở ra một phương pháp đầy hứa hẹn để phát triển β-Ga2O3 có độ tinh khiết cao thành các tinh thể đơn thân thiện với ngân sách.
Hình 5 Tinh thể đơn β-Ga2O3 được nuôi cấy bằng phương pháp vùng nổi.
Thời gian đăng: 30-05-2024