Širokopojasni (WBG) poluprovodnici, predstavljeni silicijum karbidom (SiC) i galijum nitridom (GaN), privukli su široku pažnju. Ljudi imaju velika očekivanja u pogledu izgleda primjene silicijum karbida u električnim vozilima i električnim mrežama, kao i izgleda primjene galijum nitrida u brzom punjenju. Posljednjih godina, istraživanja Ga2O3, AlN i dijamantskih materijala su ostvarila značajan napredak, stavljajući poluprovodničke materijale sa ultraširokopojasnim zabranjenim pojasom u fokus pažnje. Među njima, galijum oksid (Ga2O3) je novi poluprovodnički materijal sa ultraširokopojasnim zabranjenim pojasom, sa zabranjenim pojasom od 4,8 eV, teoretskom kritičnom jačinom probojnog polja od oko 8 MV cm-1, brzinom zasićenja od oko 2E7cm s-1 i visokim Baliga faktorom kvaliteta od 3000, koji privlači široku pažnju u oblasti visokonaponske i visokofrekventne energetske elektronike.
1. Karakteristike materijala od galij oksida
Ga2O3 ima veliki energetski procjep (4,8 eV), očekuje se da će postići i visoku izdržljivost napona i visoku snagu, te može imati potencijal za prilagodljivost visokom naponu pri relativno niskom otporu, što ih čini fokusom trenutnih istraživanja. Osim toga, Ga2O3 ne samo da ima odlična svojstva materijala, već pruža i niz lako podesivih tehnologija dopiranja n-tipa, kao i jeftine tehnologije rasta supstrata i epitaksije. Do sada je u Ga2O3 otkriveno pet različitih kristalnih faza, uključujući korund (α), monoklinsku (β), defektnu spinel (γ), kubnu (δ) i ortorombsku (ɛ) fazu. Termodinamičke stabilnosti su, redom, γ, δ, α, ɛ i β. Vrijedi napomenuti da je monoklinska β-Ga2O3 najstabilnija, posebno na visokim temperaturama, dok su druge faze metastabilne iznad sobne temperature i imaju tendenciju transformacije u β fazu pod specifičnim termičkim uslovima. Stoga je razvoj uređaja baziranih na β-Ga2O3 postao glavni fokus u oblasti energetske elektronike posljednjih godina.
Tabela 1 Poređenje nekih parametara poluprovodničkih materijala
Kristalna struktura monoklinskog β-Ga2O3 prikazana je u Tabeli 1. Njeni parametri rešetke uključuju a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å i β = 103,8°. Jedinična ćelija se sastoji od atoma Ga(I) sa uvijenom tetraedarskom koordinacijom i atoma Ga(II) sa oktaedarskom koordinacijom. Postoje tri različita rasporeda atoma kisika u "uvijenom kubičnom" nizu, uključujući dva trokutasto koordinirana atoma O(I) i O(II) i jedan tetraedarski koordinirani atom O(III). Kombinacija ova dva tipa atomske koordinacije dovodi do anizotropije β-Ga2O3 sa posebnim svojstvima u fizici, hemijskoj koroziji, optici i elektronici.
Slika 1 Shematski strukturni dijagram monoklinskog β-Ga2O3 kristala
Iz perspektive teorije energetskih zona, minimalna vrijednost provodne zone β-Ga2O3 izvedena je iz energetskog stanja koje odgovara 4s0 hibridnoj orbiti atoma Ga. Izmjerena je energetska razlika između minimalne vrijednosti provodne zone i energetskog nivoa vakuuma (energija afiniteta elektrona) od 4 eV. Efektivna masa elektrona β-Ga2O3 izmjerena je kao 0,28–0,33 me i ima povoljnu elektronsku provodljivost. Međutim, maksimum valentne zone pokazuje plitku Ek krivulju s vrlo niskom zakrivljenošću i snažno lokaliziranim O2p orbitalama, što sugerira da su rupe duboko lokalizirane. Ove karakteristike predstavljaju ogroman izazov za postizanje p-tipa dopiranja u β-Ga2O3. Čak i ako se može postići P-tip dopiranja, μ rupe ostaje na vrlo niskom nivou. 2. Rast monokristala galij oksida u rasutom stanju Do sada je metoda rasta supstrata monokristala β-Ga2O3 u rasutom stanju uglavnom metoda izvlačenja kristala, kao što su Czochralski (CZ), metoda tankog filma definiranog rubom (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (vertikalni ili horizontalni Bridgman, HB ili VB) i tehnologija plutajuće zone (floating zone, FZ). Među svim metodama, očekuje se da će Czochralski i metoda tankog filma definiranog rubom biti najperspektivniji putevi za masovnu proizvodnju β-Ga2O3 pločica u budućnosti, jer mogu istovremeno postići velike količine i niske gustoće defekata. Do sada je japanska kompanija Novel Crystal Technology realizovala komercijalnu matricu za rast rastopljenog β-Ga2O3.
1.1 Czochralskijeva metoda
Princip Czochralski metode je da se sloj sjemena prvo prekrije, a zatim se monokristal polako izvlači iz rastopa. Czochralski metoda je sve važnija za β-Ga2O3 zbog svoje isplativosti, mogućnosti velikih dimenzija i rasta visokokvalitetne podloge kristala. Međutim, zbog termičkog naprezanja tokom rasta Ga2O3 na visokim temperaturama, doći će do isparavanja monokristala, materijala rastopa i oštećenja Ir lončića. To je rezultat teškoće u postizanju niskog dopiranja n-tipa u Ga2O3. Uvođenje odgovarajuće količine kisika u atmosferu rasta jedan je od načina za rješavanje ovog problema. Optimizacijom je uspješno uzgojen visokokvalitetni 2-inčni β-Ga2O3 sa rasponom koncentracije slobodnih elektrona od 10^16~10^19 cm-3 i maksimalnom gustoćom elektrona od 160 cm2/Vs Czochralski metodom.
Slika 2 Monokristal β-Ga2O3 uzgojen Czochralskijevom metodom
1.2 Metoda uvlačenja filma po ivicama
Metoda punjenja tankim filmom definiranim rubovima smatra se vodećim kandidatom za komercijalnu proizvodnju monokristalnih materijala Ga2O3 velike površine. Princip ove metode je postavljanje taline u kalup s kapilarnim prorezom, a talina se diže do kalupa kapilarnim djelovanjem. Na vrhu se formira tanki film koji se širi u svim smjerovima dok ga kristalni sjemenski materijal inducira na kristalizaciju. Osim toga, rubovi vrha kalupa mogu se kontrolirati kako bi se proizveli kristali u pahuljicama, cijevima ili bilo kojoj željenoj geometriji. Metoda punjenja tankim filmom definiranim rubovima Ga2O3 omogućuje brze stope rasta i velike promjere. Slika 3 prikazuje dijagram monokristala β-Ga2O3. Osim toga, u smislu veličine, komercijalizirani su β-Ga2O3 supstrati od 2 inča i 4 inča s odličnom transparentnošću i ujednačenošću, dok je supstrat od 6 inča demonstriran u istraživanju za buduću komercijalizaciju. Nedavno su postali dostupni i veliki kružni monokristalni rasuti materijali s orijentacijom (−201). Osim toga, metoda doziranja β-Ga2O3 filma s definiranim rubovima također potiče dopiranje elemenata prelaznih metala, što omogućava istraživanje i pripremu Ga2O3.
Slika 3. Monokristal β-Ga2O3 uzgojen metodom dovođenja filma s definiranim rubom
1.3 Bridgemanova metoda
U Bridgeman metodi, kristali se formiraju u lončiću koji se postepeno pomiče kroz temperaturni gradijent. Proces se može izvoditi u horizontalnoj ili vertikalnoj orijentaciji, obično korištenjem rotirajućeg lončića. Vrijedi napomenuti da ova metoda može, ali i ne mora koristiti kristalne klice. Tradicionalnim Bridgmanovim operaterima nedostaje direktna vizualizacija procesa topljenja i rasta kristala te moraju kontrolirati temperature s visokom preciznošću. Vertikalna Bridgmanova metoda se uglavnom koristi za rast β-Ga2O3 i poznata je po svojoj sposobnosti rasta u okruženju zraka. Tokom procesa rasta vertikalnom Bridgmanovom metodom, ukupni gubitak mase taline i lončića održava se ispod 1%, što omogućava rast velikih β-Ga2O3 monokristala uz minimalne gubitke.
Slika 4 Monokristal β-Ga2O3 uzgojen Bridgemanovom metodom
1.4 Metoda plutajuće zone
Metoda plutajuće zone rješava problem kontaminacije kristala materijalima lončića i smanjuje visoke troškove povezane s lončićima otpornim na visoke temperature za infracrveno zagrijavanje. Tokom ovog procesa rasta, talina se može zagrijavati lampom umjesto RF izvora, što pojednostavljuje zahtjeve za opremu za rast. Iako oblik i kvalitet kristala β-Ga2O3 uzgojenog metodom plutajuće zone još nisu optimalni, ova metoda otvara obećavajuću metodu za uzgoj β-Ga2O3 visoke čistoće u budžetski prihvatljive monokristale.
Slika 5. Monokristal β-Ga2O3 uzgojen metodom plutajuće zone.
Vrijeme objave: 30. maj 2024.