Breëbandgaping (WBG) halfgeleiers, verteenwoordig deur silikonkarbied (SiC) en galliumnitried (GaN), het wydverspreide aandag gekry. Mense het hoë verwagtinge vir die toepassingsvooruitsigte van silikonkarbied in elektriese voertuie en kragnetwerke, sowel as die toepassingsvooruitsigte van galliumnitried in vinnige laai. In onlangse jare het navorsing oor Ga2O3-, AlN- en diamantmateriale beduidende vordering gemaak, wat ultrawyebandgaping-halfgeleiermateriale die fokus van aandag maak. Onder hulle is galliumoksied (Ga2O3) 'n opkomende ultrawyebandgaping-halfgeleiermateriaal met 'n bandgaping van 4.8 eV, 'n teoretiese kritieke deurslagveldsterkte van ongeveer 8 MV cm-1, 'n versadigingsnelheid van ongeveer 2E7cm s-1, en 'n hoë Baliga-kwaliteitsfaktor van 3000, wat wydverspreide aandag geniet op die gebied van hoëspanning- en hoëfrekwensie-kragelektronika.
1. Eienskappe van galliumoksiedmateriaal
Ga2O3 het 'n groot bandgaping (4.8 eV), word verwag om beide hoë weerstandspanning en hoë kragvermoëns te bereik, en kan die potensiaal hê vir hoëspanning-aanpasbaarheid teen relatief lae weerstand, wat hulle die fokus van huidige navorsing maak. Daarbenewens het Ga2O3 nie net uitstekende materiaaleienskappe nie, maar bied ook 'n verskeidenheid maklik verstelbare n-tipe doteringstegnologieë, sowel as laekoste-substraatgroei- en epitaksietegnologieë. Tot dusver is vyf verskillende kristalfases in Ga2O3 ontdek, insluitend korund (α), monokliniese (β), defektiewe spinel (γ), kubiese (δ) en ortorombiese (ɛ) fases. Termodinamiese stabiliteite is, in volgorde, γ, δ, α, ɛ en β. Dit is opmerklik dat monokliniese β-Ga2O3 die stabielste is, veral by hoë temperature, terwyl ander fases metastabiel is bo kamertemperatuur en geneig is om onder spesifieke termiese toestande in die β-fase te transformeer. Daarom het die ontwikkeling van β-Ga2O3-gebaseerde toestelle die afgelope paar jaar 'n belangrike fokuspunt in die veld van kragselektronika geword.
Tabel 1 Vergelyking van sommige halfgeleiermateriaalparameters
Die kristalstruktuur van monokliniese β-Ga2O3 word in Tabel 1 getoon. Die roosterparameters sluit in a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, en β = 103.8°. Die eenheidsel bestaan uit Ga(I)-atome met gedraaide tetraëdriese koördinasie en Ga(II)-atome met oktaëdriese koördinasie. Daar is drie verskillende rangskikkings van suurstofatome in die "gedraaide kubiese" skikking, insluitend twee driehoekig gekoördineerde O(I)- en O(II)-atome en een tetraëdries gekoördineerde O(III)-atoom. Die kombinasie van hierdie twee tipes atoomkoördinasie lei tot die anisotropie van β-Ga2O3 met spesiale eienskappe in fisika, chemiese korrosie, optika en elektronika.
Figuur 1 Skematiese struktuurdiagram van monokliniese β-Ga2O3 kristal
Vanuit die perspektief van energiebandteorie word die minimum waarde van die geleidingsband van β-Ga2O3 afgelei van die energietoestand wat ooreenstem met die 4s0-hibriede wentelbaan van die Ga-atoom. Die energieverskil tussen die minimum waarde van die geleidingsband en die vakuumenergievlak (elektronaffiniteitsenergie) word gemeet. is 4 eV. Die effektiewe elektronmassa van β-Ga2O3 word gemeet as 0.28–0.33 me en die gunstige elektroniese geleidingsvermoë daarvan. Die valensbandmaksimum vertoon egter 'n vlak Ek-kromme met 'n baie lae kromming en sterk gelokaliseerde O2p-orbitale, wat daarop dui dat die gate diep gelokaliseerd is. Hierdie eienskappe hou 'n groot uitdaging in om p-tipe dotering in β-Ga2O3 te bereik. Selfs al kan P-tipe dotering bereik word, bly die gat μ op 'n baie lae vlak. 2. Groei van bulk-galliumoksied-enkelkristal Tot dusver is die groeimetode van β-Ga2O3-bulk-enkelkristalsubstraat hoofsaaklik die kristaltrekmetode, soos die Czochralski (CZ), rand-gedefinieerde dunfilmvoedingsmetode (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (regte of horisontale Bridgman, HB of VB) en drywende sone (drywende sone, FZ) tegnologie. Van al die metodes word verwag dat Czochralski- en rand-gedefinieerde dunfilmvoedingsmetodes die belowendste kanale vir massaproduksie van β-Ga2O3-wafers in die toekoms sal wees, aangesien hulle gelyktydig groot volumes en lae defekdigthede kan bereik. Tot dusver het Japan se Novel Crystal Technology 'n kommersiële matriks vir smeltgroei β-Ga2O3 gerealiseer.
1.1 Czochralski-metode
Die beginsel van die Czochralski-metode is dat die saadlaag eers bedek word, en dan word die enkelkristal stadig uit die smelt getrek. Die Czochralski-metode word toenemend belangrik vir β-Ga2O3 as gevolg van die koste-effektiwiteit, grootgrootte-vermoëns en hoë kristalkwaliteit-substraatgroei. As gevolg van termiese spanning tydens die hoëtemperatuurgroei van Ga2O3, sal verdamping van enkelkristalle, smeltmateriale en skade aan die Ir-kroes egter plaasvind. Dit is 'n gevolg van die moeilikheid om lae n-tipe dotering in Ga2O3 te bereik. Die insluiting van 'n gepaste hoeveelheid suurstof in die groeiatmosfeer is een manier om hierdie probleem op te los. Deur optimalisering is hoëgehalte 2-duim β-Ga2O3 met 'n vrye elektronkonsentrasiebereik van 10^16~10^19 cm-3 en 'n maksimum elektrondigtheid van 160 cm2/Vs suksesvol gekweek deur die Czochralski-metode.
Figuur 2 Enkelkristal van β-Ga2O3 gekweek volgens die Czochralski-metode
1.2 Rand-gedefinieerde filmvoedingsmetode
Die randgedefinieerde dunfilmvoedingsmetode word beskou as die voorste mededinger vir die kommersiële produksie van grootskaalse Ga2O3-enkelkristalmateriale. Die beginsel van hierdie metode is om die smelt in 'n vorm met 'n kapillêre spleet te plaas, en die smelt styg deur kapillêre werking na die vorm. Aan die bokant vorm 'n dun film en versprei dit in alle rigtings terwyl dit deur die saadkristal geïnduseer word om te kristalliseer. Daarbenewens kan die rande van die vormbokant beheer word om kristalle in vlokkies, buise of enige verlangde geometrie te produseer. Die randgedefinieerde dunfilmvoedingsmetode van Ga2O3 bied vinnige groeitempo's en groot diameters. Figuur 3 toon 'n diagram van 'n β-Ga2O3-enkelkristal. Daarbenewens is 2-duim en 4-duim β-Ga2O3-substrate met uitstekende deursigtigheid en eenvormigheid gekommersialiseer in terme van grootteskaal, terwyl die 6-duim-substraat in navorsing vir toekomstige kommersialisering gedemonstreer word. Onlangs het groot sirkelvormige enkelkristal-bulkmateriale ook beskikbaar geword met (−201) oriëntasie. Daarbenewens bevorder die β-Ga2O3 randgedefinieerde filmvoedingsmetode ook die dotering van oorgangsmetaalelemente, wat die navorsing en voorbereiding van Ga2O3 moontlik maak.
Figuur 3 β-Ga2O3 enkelkristal gekweek deur rand-gedefinieerde filmvoedingsmetode
1.3 Bridgeman-metode
In die Bridgeman-metode word kristalle gevorm in 'n kroesie wat geleidelik deur 'n temperatuurgradiënt beweeg word. Die proses kan in 'n horisontale of vertikale oriëntasie uitgevoer word, gewoonlik met behulp van 'n roterende kroesie. Dit is opmerklik dat hierdie metode kristalpitte mag gebruik of nie. Tradisionele Bridgman-operateurs het nie direkte visualisering van die smelt- en kristalgroeiprosesse nie en moet temperature met hoë presisie beheer. Die vertikale Bridgman-metode word hoofsaaklik gebruik vir die groei van β-Ga2O3 en is bekend vir sy vermoë om in 'n lugomgewing te groei. Tydens die vertikale Bridgman-metode groeiproses word die totale massaverlies van die smelt en kroesie onder 1% gehou, wat die groei van groot β-Ga2O3 enkelkristalle met minimale verlies moontlik maak.
Figuur 4 Enkelkristal van β-Ga2O3 gekweek volgens die Bridgeman-metode
1.4 Drywende sone-metode
Die drywende sone-metode los die probleem van kristalkontaminasie deur kroesiemateriale op en verminder die hoë koste verbonde aan hoëtemperatuurbestande infrarooi kroesies. Tydens hierdie groeiproses kan die smelt deur 'n lamp verhit word eerder as 'n RF-bron, wat die vereistes vir groeitoerusting vereenvoudig. Alhoewel die vorm en kristalkwaliteit van β-Ga2O3 wat deur die drywende sone-metode gekweek word, nog nie optimaal is nie, bied hierdie metode 'n belowende metode vir die kweek van hoë suiwerheid β-Ga2O3 in begrotingsvriendelike enkelkristalle.
Figuur 5 β-Ga2O3 enkelkristal gekweek deur die drywende sone-metode.
Plasingstyd: 30 Mei 2024