Els semiconductors de banda prohibida àmplia (WBG), representats pel carbur de silici (SiC) i el nitrur de gal·li (GaN), han rebut una atenció generalitzada. La gent té grans expectatives sobre les perspectives d'aplicació del carbur de silici en vehicles elèctrics i xarxes elèctriques, així com sobre les perspectives d'aplicació del nitrur de gal·li en la càrrega ràpida. En els darrers anys, la investigació sobre Ga2O3, AlN i materials de diamant ha fet progressos significatius, convertint els materials semiconductors de banda prohibida ultraampla en el centre d'atenció. Entre ells, l'òxid de gal·li (Ga2O3) és un material semiconductor de banda prohibida ultraampla emergent amb una banda prohibida de 4,8 eV, una intensitat de camp de ruptura crítica teòrica d'uns 8 MV cm-1, una velocitat de saturació d'uns 2E7 cm s-1 i un factor de qualitat Baliga alt de 3000, que ha rebut una atenció generalitzada en el camp de l'electrònica de potència d'alta tensió i alta freqüència.
1. Característiques del material d'òxid de gal·li
El Ga2O3 té una banda prohibida gran (4,8 eV), s'espera que aconsegueixi tant una tensió de resistència elevada com unes altes capacitats de potència, i pot tenir el potencial d'una adaptabilitat a una alta tensió a una resistència relativament baixa, cosa que el converteix en el focus de la recerca actual. A més, el Ga2O3 no només té excel·lents propietats materials, sinó que també proporciona una varietat de tecnologies de dopatge de tipus n fàcilment ajustables, així com tecnologies de creixement de substrats i epitàxia de baix cost. Fins ara, s'han descobert cinc fases cristal·lines diferents al Ga2O3, incloent-hi les fases de corindó (α), monoclínica (β), espinel·la defectuosa (γ), cúbica (δ) i ortoròmbica (ɛ). Les estabilitats termodinàmiques són, per ordre, γ, δ, α, ɛ i β. Cal destacar que el β-Ga2O3 monoclínic és el més estable, especialment a altes temperatures, mentre que altres fases són metaestables per sobre de la temperatura ambient i tendeixen a transformar-se en la fase β en condicions tèrmiques específiques. Per tant, el desenvolupament de dispositius basats en β-Ga2O3 s'ha convertit en un focus important en el camp de l'electrònica de potència en els darrers anys.
Taula 1 Comparació d'alguns paràmetres de materials semiconductors
L'estructura cristal·lina del β-Ga2O3 monoclínic es mostra a la Taula 1. Els seus paràmetres de xarxa inclouen a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å i β = 103,8°. La cel·la unitària consta d'àtoms de Ga(I) amb coordinació tetraèdrica retorçada i àtoms de Ga(II) amb coordinació octaèdrica. Hi ha tres disposicions diferents d'àtoms d'oxigen a la matriu "cúbica retorçada", incloent-hi dos àtoms O(I) i O(II) coordinats triangularment i un àtom O(III) coordinat tetraèdricament. La combinació d'aquests dos tipus de coordinació atòmica condueix a l'anisotropia del β-Ga2O3 amb propietats especials en física, corrosió química, òptica i electrònica.
Figura 1 Diagrama estructural esquemàtic d'un cristall monoclínic de β-Ga2O3
Des de la perspectiva de la teoria de bandes d'energia, el valor mínim de la banda de conducció de β-Ga2O3 es deriva de l'estat energètic corresponent a l'òrbita híbrida 4s0 de l'àtom de Ga. La diferència d'energia entre el valor mínim de la banda de conducció i el nivell d'energia del buit (energia d'afinitat electrònica) mesurada és de 4 eV. La massa efectiva de l'electró de β-Ga2O3 es mesura com a 0,28–0,33 me i la seva conductivitat electrònica és favorable. Tanmateix, el màxim de la banda de valència presenta una corba Ek superficial amb una curvatura molt baixa i orbitals O2p fortament localitzats, cosa que suggereix que els forats estan profundament localitzats. Aquestes característiques representen un gran repte per aconseguir un dopatge de tipus p en β-Ga2O3. Fins i tot si es pot aconseguir un dopatge de tipus P, el forat μ roman a un nivell molt baix. 2. Creixement de monocristalls d'òxid de gal·li a granel Fins ara, el mètode de creixement del substrat de monocristalls a granel de β-Ga2O3 és principalment el mètode d'extracció de cristalls, com ara Czochralski (CZ), el mètode d'alimentació de pel·lícula fina definida per vores (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (Bridgman vertical o horitzontal, HB o VB) i la tecnologia de zona flotant (floating zone, FZ). D'entre tots els mètodes, s'espera que Czochralski i els mètodes d'alimentació de pel·lícula fina definida per vores siguin les vies més prometedores per a la producció massiva d'oblies de β-Ga2O3 en el futur, ja que poden aconseguir simultàniament grans volums i baixes densitats de defectes. Fins ara, Novel Crystal Technology del Japó ha realitzat una matriu comercial per al creixement de la fosa β-Ga2O3.
1.1 Mètode de Czochralski
El principi del mètode de Czochralski és que primer es cobreix la capa de sembra i després s'extreu lentament el monocristall de la fosa. El mètode de Czochralski és cada cop més important per al β-Ga2O3 a causa de la seva rendibilitat, les seves grans capacitats de mida i el creixement del substrat d'alta qualitat cristal·lina. Tanmateix, a causa de l'estrès tèrmic durant el creixement a alta temperatura del Ga2O3, es produirà l'evaporació dels monocristalls, els materials fosos i danys al gresol d'Ir. Això és el resultat de la dificultat d'aconseguir un dopatge baix de tipus n en el Ga2O3. Introduir una quantitat adequada d'oxigen a l'atmosfera de creixement és una manera de resoldre aquest problema. Mitjançant l'optimització, s'ha pogut cultivar amb èxit β-Ga2O3 d'alta qualitat de 2 polzades amb un rang de concentració d'electrons lliures de 10^16~10^19 cm-3 i una densitat màxima d'electrons de 160 cm2/Vs mitjançant el mètode de Czochralski.
Figura 2 Monocristall de β-Ga2O3 cultivat pel mètode de Czochralski
1.2 Mètode d'alimentació de pel·lícula definida per vores
El mètode d'alimentació de pel·lícula fina definida per vores es considera el principal candidat per a la producció comercial de materials monocristallins de Ga2O3 de gran superfície. El principi d'aquest mètode és col·locar la fosa en un motlle amb una ranura capil·lar, i la fosa puja al motlle mitjançant l'acció capil·lar. A la part superior, es forma una pel·lícula fina que s'estén en totes direccions mentre el cristall sembra l'indueix a cristal·litzar. A més, les vores de la part superior del motlle es poden controlar per produir cristalls en escates, tubs o qualsevol geometria desitjada. El mètode d'alimentació de pel·lícula fina definida per vores de Ga2O3 proporciona taxes de creixement ràpides i grans diàmetres. La figura 3 mostra un diagrama d'un monocristall de β-Ga2O3. A més, pel que fa a l'escala de mida, s'han comercialitzat substrats de β-Ga2O3 de 2 i 4 polzades amb excel·lent transparència i uniformitat, mentre que el substrat de 6 polzades s'ha demostrat en la investigació per a la seva futura comercialització. Recentment, també han estat disponibles materials a granel monocristallins circulars grans amb orientació (-201). A més, el mètode d'alimentació de pel·lícules definides per vores de β-Ga2O3 també promou el dopatge d'elements de metalls de transició, fent possible la investigació i la preparació de Ga2O3.
Figura 3 Monocristall de β-Ga2O3 cultivat mitjançant el mètode d'alimentació de pel·lícules definides per vores
1.3 Mètode de Bridgeman
En el mètode Bridgeman, els cristalls es formen en un gresol que es mou gradualment a través d'un gradient de temperatura. El procés es pot dur a terme en orientació horitzontal o vertical, generalment utilitzant un gresol giratori. Val la pena assenyalar que aquest mètode pot utilitzar o no llavors de cristall. Els operadors tradicionals de Bridgman no tenen visualització directa dels processos de fusió i creixement del cristall i han de controlar les temperatures amb alta precisió. El mètode vertical de Bridgman s'utilitza principalment per al creixement de β-Ga2O3 i és conegut per la seva capacitat de créixer en un ambient d'aire. Durant el procés de creixement del mètode vertical de Bridgman, la pèrdua de massa total de la fosa i el gresol es manté per sota de l'1%, cosa que permet el creixement de grans monocristalls de β-Ga2O3 amb una pèrdua mínima.
Figura 4 Monocristall de β-Ga2O3 cultivat pel mètode Bridgeman
1.4 Mètode de zona flotant
El mètode de la zona flotant resol el problema de la contaminació dels cristalls pels materials del gresol i redueix els elevats costos associats amb els gresols d'infrarojos resistents a altes temperatures. Durant aquest procés de creixement, la fosa es pot escalfar amb una làmpada en lloc d'una font de radiofreqüència, simplificant així els requisits per a l'equip de creixement. Tot i que la forma i la qualitat cristal·lina del β-Ga2O3 cultivat pel mètode de la zona flotant encara no són òptimes, aquest mètode obre un mètode prometedor per al creixement de β-Ga2O3 d'alta puresa en monocristalls econòmics.
Figura 5 Monocristall de β-Ga2O3 cultivat pel mètode de zona flotant.
Data de publicació: 30 de maig de 2024