Широкозондовите (WBG) полупроводници, представени от силициев карбид (SiC) и галиев нитрид (GaN), са получили широко внимание. Хората имат големи очаквания за перспективите за приложение на силициевия карбид в електрически превозни средства и електрически мрежи, както и за перспективите за приложение на галиев нитрид при бързо зареждане. През последните години изследванията върху Ga2O3, AlN и диамантени материали са постигнали значителен напредък, което поставя полупроводниковите материали с ултраширокозонова забрана във фокуса на вниманието. Сред тях, галиевият оксид (Ga2O3) е нововъзникващ полупроводников материал с ултраширокозонова забрана от 4,8 eV, теоретична критична сила на пробивното поле от около 8 MV cm-1, скорост на насищане от около 2E7cm s-1 и висок коефициент на качество на Балига от 3000, който получава широко внимание в областта на високоволтовата и високочестотна силова електроника.
1. Характеристики на материала от галиев оксид
Ga2O3 има голяма забранена зона (4.8 eV), очаква се да постигне както високо издържащо напрежение, така и висока мощност, и може да има потенциал за адаптивност към високо напрежение при относително ниско съпротивление, което го прави фокус на настоящите изследвания. В допълнение, Ga2O3 не само има отлични материални свойства, но също така предоставя разнообразие от лесно регулируеми технологии за n-тип легиране, както и нискобюджетни технологии за растеж на субстрати и епитаксия. Досега в Ga2O3 са открити пет различни кристални фази, включително корунд (α), моноклинна (β), дефектна шпинелна (γ), кубична (δ) и орторомбична (ɛ) фази. Термодинамичните стабилности са, по ред, γ, δ, α, ɛ и β. Заслужава да се отбележи, че моноклинната β-Ga2O3 е най-стабилна, особено при високи температури, докато други фази са метастабилни над стайната температура и са склонни да се трансформират в β фазата при специфични термични условия. Следователно, разработването на устройства на базата на β-Ga2O3 се превърна в основен фокус в областта на силовата електроника през последните години.
Таблица 1 Сравнение на някои параметри на полупроводникови материали
Кристалната структура на моноклинния β-Ga2O3 е показана в Таблица 1. Параметрите на решетката му включват a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å и β = 103.8°. Единичната клетка се състои от атоми Ga(I) с усукана тетраедрична координация и атоми Ga(II) с октаедрична координация. В „усукания кубичен“ масив има три различни подредби на кислородните атоми, включително два триъгълно координирани атома O(I) и O(II) и един тетраедрично координиран атом O(III). Комбинацията от тези два типа атомна координация води до анизотропия на β-Ga2O3 със специални свойства във физиката, химическата корозия, оптиката и електрониката.
Фигура 1 Схематична структурна диаграма на моноклинен β-Ga2O3 кристал
От гледна точка на теорията на енергийните зони, минималната стойност на проводимата зона на β-Ga2O3 се извежда от енергийното състояние, съответстващо на 4s0 хибридната орбита на атома Ga. Измерената енергийна разлика между минималната стойност на проводимата зона и енергийното ниво на вакуума (енергия на афинитета на електроните) е 4 eV. Ефективната електронна маса на β-Ga2O3 се измерва на 0,28–0,33 me и неговата благоприятна електронна проводимост. Максимумът на валентната зона обаче показва плитка Ek крива с много ниска кривина и силно локализирани O2p орбитали, което предполага, че дупките са дълбоко локализирани. Тези характеристики представляват огромно предизвикателство за постигане на p-тип легиране в β-Ga2O3. Дори ако може да се постигне P-тип легиране, μ на дупката остава на много ниско ниво. 2. Растеж на монокристален галиев оксид в насипно състояние Досега методът за растеж на субстрат от монокристален β-Ga2O3 в насипно състояние е основно методът на издърпване на кристали, като например методът на Чохралски (CZ), методът на подаване на тънък филм с дефиниран ръб (Edge-Defined film-fed, EFG), методът на Бриджман (вертикален или хоризонтален Бриджман, HB или VB) и технологията на плаваща зона (floating zone, FZ). Сред всички методи, методите на Чохралски и методите на подаване на тънък филм с дефиниран ръб се очаква да бъдат най-обещаващите пътища за масово производство на β-Ga2O3 пластини в бъдеще, тъй като те могат едновременно да постигнат големи обеми и ниска плътност на дефектите. Досега японската компания Novel Crystal Technology е реализирала търговска матрица за растеж на стопилка β-Ga2O3.
1.1 Метод на Чохралски
Принципът на метода на Чохралски е, че зародишният слой първо се покрива, а след това монокристалът бавно се издърпва от стопилката. Методът на Чохралски е все по-важен за β-Ga2O3 поради своята икономическа ефективност, възможности за големи размери и висококачествен растеж на кристали. Въпреки това, поради термично напрежение по време на високотемпературния растеж на Ga2O3, ще възникне изпаряване на монокристали, стопилка и увреждане на Ir тигела. Това е резултат от трудността при постигане на ниско n-тип легиране в Ga2O3. Въвеждането на подходящо количество кислород в растежната атмосфера е един от начините за решаване на този проблем. Чрез оптимизация, по метода на Чохралски е успешно отгледан висококачествен 2-инчов β-Ga2O3 с диапазон на концентрация на свободни електрони от 10^16~10^19 cm-3 и максимална електронна плътност от 160 cm2/Vs.
Фигура 2 Монокристал на β-Ga2O3, отгледан по метода на Чохралски
1.2 Метод за подаване на филм с дефинирани ръбове
Методът за подаване на тънък филм с дефиниран ръб се счита за водещ претендент за търговското производство на монокристални материали Ga2O3 с голяма площ. Принципът на този метод е стопилката да се постави във форма с капилярен процеп и стопилката да се издига до формата чрез капилярно действие. В горната част се образува тънък филм, който се разпространява във всички посоки, като същевременно се предизвиква кристализация от зародишния кристал. Освен това, ръбовете на горната част на формата могат да бъдат контролирани, за да се получат кристали на люспи, тръбички или всяка желана геометрия. Методът за подаване на тънък филм с дефиниран ръб на Ga2O3 осигурява бързи темпове на растеж и големи диаметри. Фигура 3 показва диаграма на монокристал β-Ga2O3. Освен това, по отношение на мащаба на размера, 2-инчови и 4-инчови β-Ga2O3 субстрати с отлична прозрачност и еднородност са комерсиализирани, докато 6-инчовият субстрат е демонстриран в изследвания за бъдеща комерсиализация. Наскоро станаха достъпни и големи кръгли монокристални насипни материали с ориентация (−201). В допълнение, методът за подаване на β-Ga2O3 филм с дефинирани ръбове също така насърчава легирането на преходни метални елементи, което прави възможно изследването и получаването на Ga2O3.
Фигура 3 β-Ga2O3 монокристал, отгледан чрез метод на подаване на филм с дефиниран ръб
1.3 Метод на Бриджман
При метода на Бриджман кристалите се образуват в тигел, който постепенно се премества през температурен градиент. Процесът може да се извърши в хоризонтална или вертикална ориентация, обикновено с помощта на въртящ се тигел. Струва си да се отбележи, че този метод може да използва или да не използва кристални зародиши. Традиционните оператори на Бриджман нямат директна визуализация на процесите на топене и растеж на кристали и трябва да контролират температурите с висока прецизност. Вертикалният метод на Бриджман се използва главно за растежа на β-Ga2O3 и е известен със способността си да расте във въздушна среда. По време на вертикалния процес на растеж по метода на Бриджман, общата загуба на маса на стопилката и тигела се поддържа под 1%, което позволява растежа на големи монокристали β-Ga2O3 с минимални загуби.
Фигура 4 Монокристал на β-Ga2O3, отгледан по метода на Бриджман
1.4 Метод на плаваща зона
Методът с плаваща зона решава проблема със замърсяването на кристалите от тигелните материали и намалява високите разходи, свързани с инфрачервените тигели, устойчиви на висока температура. По време на този процес на растеж, стопилката може да се нагрява от лампа, а не от радиочестотен източник, като по този начин се опростяват изискванията за оборудване за растеж. Въпреки че формата и качеството на кристалите на β-Ga2O3, отглеждани по метода с плаваща зона, все още не са оптимални, този метод открива обещаващ метод за отглеждане на високочист β-Ga2O3 в бюджетни монокристали.
Фигура 5. Монокристал β-Ga2O3, отгледан по метода на плаващата зона.
Време на публикуване: 30 май 2024 г.