Шыроказонныя паўправаднікі (ШЗЗ), прадстаўленыя карбідам крэмнію (SiC) і нітрыдам галію (GaN), атрымалі шырокую ўвагу. Людзі ўскладаюць вялікія чаканні адносна перспектыў прымянення карбіду крэмнію ў электрамабілях і электрасетках, а таксама перспектыў прымянення нітрыду галію ў хуткай зарадцы. У апошнія гады даследаванні матэрыялаў на аснове Ga2O3, AlN і алмазаў дасягнулі значнага прагрэсу, што зрабіла паўправадніковыя матэрыялы з ультрашырокай забароненай зонай у цэнтры ўвагі. Сярод іх аксід галію (Ga2O3) — гэта новы паўправадніковы матэрыял з ультрашырокай забароненай зонай з шырынёй забароненай зоны 4,8 эВ, тэарэтычнай крытычнай напружанасцю поля прабою каля 8 МВ см-1, хуткасцю насычэння каля 2E7 см с-1 і высокім каэфіцыентам якасці Балігі 3000, які атрымаў шырокую ўвагу ў галіне высокавольтнай і высокачастотнай сілавой электронікі.
1. Характарыстыкі матэрыялу на аснове аксіду галію
Ga2O3 мае вялікую шырыню забароненай зоны (4,8 эВ), як чакаецца, будзе дасягаць як высокіх вытрымлівальных напружанняў, так і высокай магутнасці, а таксама можа мець патэнцыял для адаптацыі да высокага напружання пры адносна нізкім супраціўленні, што робіць яго прадметам сучасных даследаванняў. Акрамя таго, Ga2O3 не толькі валодае выдатнымі матэрыяльнымі ўласцівасцямі, але і забяспечвае разнастайныя лёгка рэгуляваныя тэхналогіі легіравання n-тыпу, а таксама недарагія тэхналогіі вырошчвання падкладак і эпітаксіі. Да гэтага часу ў Ga2O3 было выяўлена пяць розных крышталічных фаз, у тым ліку корунд (α), монаклінная (β), дэфектная шпінель (γ), кубічная (δ) і ромбавая (ɛ) фазы. Тэрмадынамічная стабільнасць мае наступныя парадкі: γ, δ, α, ɛ і β. Варта адзначыць, што монаклінная β-Ga2O3 з'яўляецца найбольш стабільнай, асабліва пры высокіх тэмпературах, у той час як іншыя фазы метастабільныя пры тэмпературы вышэй за пакаёвую і імкнуцца ператварацца ў β-фазу пры пэўных тэрмічных умовах. Такім чынам, распрацоўка прылад на аснове β-Ga2O3 стала адным з галоўных напрамкаў у галіне сілавой электронікі ў апошнія гады.
Табліца 1 Параўнанне некаторых параметраў паўправадніковых матэрыялаў
Крышталічная структура монакліннага β-Ga2O3 паказана ў Табліцы 1. Яе параметры рашоткі ўключаюць a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å і β = 103,8°. Элементарная ячэйка складаецца з атамаў Ga(I) са скручанай тэтраэдрычнай каардынацыяй і атамаў Ga(II) з актаэдрычнай каардынацыяй. У «скручаным кубічным» масіве ёсць тры розныя размяшчэнні атамаў кіслароду, у тым ліку два трохкутна каардынаваныя атамы O(I) і O(II) і адзін тэтраэдрычна каардынаваны атам O(III). Спалучэнне гэтых двух тыпаў атамнай каардынацыі прыводзіць да анізатрапіі β-Ga2O3 з асаблівымі ўласцівасцямі ў фізіцы, хімічнай карозіі, оптыцы і электроніцы.
Малюнак 1. Схематычная структурная дыяграма монакліннага крышталя β-Ga2O3
З пункту гледжання тэорыі энергетычных зон, мінімальнае значэнне зоны праводнасці β-Ga2O3 вызначаецца з энергетычнага стану, які адпавядае гібрыднай арбіце 4s0 атама Ga. Вымераная розніца энергій паміж мінімальным значэннем зоны праводнасці і ўзроўнем энергіі вакууму (энергія сродства да электрона) складае 4 эВ. Эфектыўная маса электронаў β-Ga2O3 вымяраецца як 0,28–0,33 ме і мае спрыяльную электронную праводнасць. Аднак максімум валентнай зоны мае неглыбокую крывую Ek з вельмі нізкай крывізной і моцна лакалізаванымі O2p-арбіталямі, што сведчыць аб глыбокай лакалізацыі дзірак. Гэтыя характарыстыкі ствараюць вялікую праблему для дасягнення p-тыпу легавання ў β-Ga2O3. Нават калі легаванне P-тыпу можа быць дасягнута, μ дзіркі застаецца на вельмі нізкім узроўні. 2. Вырошчванне монакрышталяў аксіду галію ў аб'ёме Да гэтага часу метадам вырошчвання падкладкі для монакрышталяў β-Ga2O3 з'яўляецца ў асноўным метад выцягвання крышталяў, напрыклад, метад падачы тонкай плёнкі з вызначанымі краямі (Edge-Defined film-fed, EFG), метад Брыджмана (вертыкальны або гарызантальны Брыджман, HB або VB) і тэхналогія плаваючай зоны (floating zone, FZ). Сярод усіх метадаў метады падачы тонкай плёнкі з вызначанымі краямі, як чакаецца, будуць найбольш перспектыўнымі напрамкамі масавай вытворчасці пласцін β-Ga2O3 у будучыні, паколькі яны дазваляюць адначасова дасягнуць вялікіх аб'ёмаў і нізкай шчыльнасці дэфектаў. На сённяшні дзень японская кампанія Novel Crystal Technology рэалізаваў камерцыйную матрыцу для росту расплаву β-Ga2O3.
1.1 Метад Чахральскага
Прынцып метаду Чахральскага заключаецца ў тым, што спачатку пакрываецца затраўны пласт, а затым монакрышталь павольна выцягваецца з расплаву. Метад Чахральскага набывае ўсё большае значэнне для β-Ga2O3 з-за яго эканамічнай эфектыўнасці, магчымасцей атрымання вялікіх памераў і высокай якасці крышталяў у якасці падкладкі. Аднак з-за цеплавога напружання падчас росту Ga2O3 пры высокай тэмпературы адбываецца выпарэнне монакрышталяў, матэрыялаў расплаву і пашкоджанне ірыдыянтарнага тыгля. Гэта звязана з цяжкасцю дасягнення нізкага ўзроўню легіравання n-тыпу ў Ga2O3. Адзін са спосабаў вырашэння гэтай праблемы — увядзенне адпаведнай колькасці кіслароду ў атмасферу росту. Дзякуючы аптымізацыі, метадам Чахральскага быў паспяхова вырашчаны высакаякасны 2-цалевы β-Ga2O3 з дыяпазонам канцэнтрацыі свабодных электронаў 10^16~10^19 см-3 і максімальнай шчыльнасцю электронаў 160 см2/Вс.
Малюнак 2. Монакрышталь β-Ga2O3, вырашчаны метадам Чахральскага
1.2 Метад падачы плёнкі з акрэсленымі краямі
Метад падачы тонкай плёнкі з акрэсленымі краямі лічыцца вядучым прэтэндэнтам на камерцыйную вытворчасць монакрышталічных матэрыялаў Ga2O3 вялікай плошчы. Прынцып гэтага метаду заключаецца ў тым, каб змясціць расплав у форму з капілярнай шчылінай, і расплав падымаецца да формы праз капілярны эфект. Уверсе ўтвараецца тонкая плёнка, якая распаўсюджваецца ва ўсіх напрамках, адначасова крышталізуючыся пад уздзеяннем затраўкі. Акрамя таго, краю верхняй часткі формы можна кантраляваць для атрымання крышталяў у выглядзе шматкоў, трубак або любой патрэбнай геаметрыі. Метад падачы тонкай плёнкі Ga2O3 з акрэсленымі краямі забяспечвае высокія тэмпы росту і вялікія дыяметры. На малюнку 3 паказана дыяграма монакрышталя β-Ga2O3. Акрамя таго, што тычыцца маштабу памераў, былі камерцыялізаваны падкладкі β-Ga2O3 памерам 2 і 4 цалі з выдатнай празрыстасцю і аднастайнасцю, у той час як падкладка памерам 6 цаляў прадэманстравана ў даследаваннях для будучай камерцыялізацыі. Нядаўна таксама сталі даступныя вялікія круглыя монакрышталічныя аб'ёмныя матэрыялы з арыентацыяй (−201). Акрамя таго, метад падачы плёнкі β-Ga2O3 з акрэсленымі краямі таксама спрыяе легаванню пераходнымі металічнымі элементамі, што робіць магчымым даследаванне і атрыманне Ga2O3.
Малюнак 3. Монакрышталь β-Ga2O3, вырашчаны метадам падачы плёнкі з акрэсленымі краямі
1.3 Метад Брыджмана
У метадзе Брыджмана крышталі ўтвараюцца ў тыглі, які паступова перамяшчаецца праз градыент тэмпературы. Працэс можа выконвацца ў гарызантальнай або вертыкальнай арыентацыі, звычайна з выкарыстаннем круцільнага тыгля. Варта адзначыць, што гэты метад можа выкарыстоўваць або не выкарыстоўваць зародкі крышталяў. Традыцыйныя аператары Брыджмана не маюць непасрэднай візуалізацыі працэсаў плаўлення і росту крышталяў і павінны кантраляваць тэмпературу з высокай дакладнасцю. Вертыкальны метад Брыджмана ў асноўным выкарыстоўваецца для росту β-Ga2O3 і вядомы сваёй здольнасцю расці ў паветраным асяроддзі. Падчас працэсу росту вертыкальным метадам Брыджмана агульная страта масы расплаву і тыгля трымаецца ніжэй за 1%, што дазваляе вырошчваць вялікія монакрышталі β-Ga2O3 з мінімальнымі стратамі.
Малюнак 4. Монакрышталь β-Ga2O3, вырашчаны метадам Брыджмана
1.4 Метад плаваючай зоны
Метад плаваючай зоны вырашае праблему забруджвання крышталяў матэрыяламі тыгля і зніжае высокія выдаткі, звязаныя з высокатэмпературнымі інфрачырвонымі тыглямі. Падчас гэтага працэсу росту расплаву можна награваць лямпай, а не крыніцай радыёчастотнага выпраменьвання, што спрашчае патрабаванні да абсталявання для росту. Нягледзячы на тое, што форма і якасць крышталяў β-Ga2O3, вырашчанага метадам плаваючай зоны, пакуль не з'яўляюцца аптымальнымі, гэты метад адкрывае перспектыўны спосаб вырошчвання высокачыстага β-Ga2O3 у бюджэтныя монакрышталі.
Малюнак 5. Монакрышталь β-Ga2O3, вырашчаны метадам плаваючай зоны.
Час публікацыі: 30 мая 2024 г.