Els semiconductors de banda ampla (WBG) representats per carbur de silici (SiC) i nitrur de gal·li (GaN) han rebut una atenció àmplia.La gent té grans expectatives sobre les perspectives d'aplicació del carbur de silici en vehicles elèctrics i xarxes elèctriques, així com les perspectives d'aplicació del nitrur de gal·li a la càrrega ràpida.En els darrers anys, la investigació sobre materials de Ga2O3, AlN i diamants ha fet un progrés significatiu, fent que els materials semiconductors de banda intermitent ultra ample siguin el focus d'atenció.Entre ells, l'òxid de gal·li (Ga2O3) és un material semiconductor emergent de banda ultra ampla amb una banda intercalada 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 alt factor de qualitat Baliga de 3000, rebent una atenció àmplia en el camp de l'electrònica de potència d'alta tensió i alta freqüència.
1. Característiques del material d'òxid de gal·li
Ga2O3 té una gran bretxa de banda (4,8 eV), s'espera que assoleixi una gran tensió de resistència i capacitats d'alta potència, i pot tenir el potencial d'adaptabilitat a alta tensió amb una resistència relativament baixa, cosa que els converteix en el focus de la investigació actual.A més, Ga2O3 no només té excel·lents propietats del material, sinó que també ofereix una varietat de tecnologies de dopatge de tipus n fàcilment ajustables, així com tecnologies d'epitaxi i creixement de substrats de baix cost.Fins ara, s'han descobert cinc fases cristal·lines diferents a Ga2O3, incloent corindó (α), monoclínica (β), espinela defectuosa (γ), cúbica (δ) i ortorròmbica (ɛ).Les estabilitats termodinàmiques són, per ordre, γ, δ, α, ɛ i β.Val la pena assenyalar 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 a 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 últims anys.
Taula 1 Comparació d'alguns paràmetres de materials semiconductors
L'estructura cristal·lina de la monoclínicaβ-Ga2O3 es mostra a la taula 1. Els seus paràmetres de gelosia inclouen a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å i β = 103,8 °.La cel·la unitat està formada per àtoms de Ga(I) amb coordinació tetraèdrica retorçada i àtoms de Ga(II) amb coordinació octaèdrica.Hi ha tres arranjaments diferents d'àtoms d'oxigen a la matriu "cúbic retorçat", incloent 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 de β-Ga2O3 amb propietats especials en física, corrosió química, òptica i electrònica.
Figura 1 Diagrama estructural esquemàtic del cristall monoclínic β-Ga2O3
Des de la perspectiva de la teoria de la banda 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.Es mesura la diferència d'energia entre el valor mínim de la banda de conducció i el nivell d'energia del buit (energia d'afinitat electrònica).és de 4 eV.La massa d'electrons efectiva de β-Ga2O3 es mesura entre 0,28 i 0,33 me i la seva conductivitat electrònica favorable.Tanmateix, la banda de valència màxima presenta una corba Ek poc profunda amb una curvatura molt baixa i orbitals O2p fortament localitzats, cosa que suggereix que els forats estan profundament localitzats.Aquestes característiques suposen un gran repte per aconseguir un dopatge de tipus p en β-Ga2O3.Fins i tot si es pot aconseguir el dopatge de tipus P, el forat μ es manté a un nivell molt baix.2. Creixement d'òxid de gal·li a granel monocristal Fins ara, el mètode de creixement del substrat monocristal a granel β-Ga2O3 és principalment el mètode d'extracció de cristalls, com Czochralski (CZ), mètode d'alimentació de pel·lícula fina definida per la vora (Edge -Defined pel·lícula alimentada per , EFG), tecnologia Bridgman (Bridgman rtical o horitzontal, HB o VB) i tecnologia de zona flotant (zona flotant, FZ).Entre tots els mètodes, s'espera que Czochralski i els mètodes d'alimentació de pel·lícula fina definits per la vora siguin les vies més prometedores per a la producció massiva d'hòsties de β-Ga 2O3 en el futur, ja que poden aconseguir simultàniament grans volums i baixes densitats de defectes.Fins ara, la Novel Crystal Technology del Japó ha realitzat una matriu comercial per al creixement de la fosa β-Ga2O3.
2.1 Mètode Czochralski
El principi del mètode Czochralski és que primer es cobreix la capa de llavors, i després el cristall únic s'extreu lentament de la fosa.El mètode Czochralski és cada cop més important per a β-Ga2O3 a causa de la seva rendibilitat, capacitats de gran mida i creixement del substrat d'alta qualitat de cristall.Tanmateix, a causa de l'estrès tèrmic durant el creixement a alta temperatura de Ga2O3, es produirà l'evaporació de cristalls únics, materials de fusió i danys al gresol d'Ir.Això és el resultat de la dificultat per aconseguir un dopatge de tipus n baix en Ga2O3.Introduir una quantitat adequada d'oxigen a l'atmosfera de creixement és una manera de resoldre aquest problema.Mitjançant l'optimització, 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 electrònica màxima de 160 cm2 / Vs s'ha crescut amb èxit pel mètode Czochralski.
Figura 2 Monocristall de β-Ga2O3 cultivat pel mètode Czochralski
2.2 Mètode d'alimentació de pel·lícula definit per vora
Es considera que el mètode d'alimentació de pel·lícula fina definit per les vores és el principal competidor per a la producció comercial de materials monocristalls de Ga2O3 de gran superfície.El principi d'aquest mètode és col·locar la fosa en un motlle amb una escletxa capil·lar, i la fosa s'eleva al motlle mitjançant l'acció capil·lar.A la part superior, es forma una pel·lícula fina i s'estén en totes direccions mentre és induïda a cristal·litzar pel cristall de llavors.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 les vores de Ga2O3 proporciona taxes de creixement ràpides i grans diàmetres.La figura 3 mostra un diagrama d'un cristall simple β-Ga2O3.A més, pel que fa a l'escala de mida, s'han comercialitzat substrats β-Ga2O3 de 2 polzades i 4 polzades amb una transparència i uniformitat excel·lents, mentre que el substrat de 6 polzades es demostra en investigacions per a una futura comercialització.Recentment, també s'han disponible grans materials circulars a granel d'un sol cristall amb orientació (-201).A més, el mètode d'alimentació de pel·lícula definida per la vora β-Ga2O3 també promou el dopatge d'elements de metall de transició, fent possible la investigació i la preparació de Ga2O3.
Figura 3 Cristall únic β-Ga2O3 crescut mitjançant el mètode d'alimentació de pel·lícula definida per la vora
2.3 Mètode 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 realitzar en una orientació horitzontal o vertical, normalment 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 una visualització directa dels processos de fusió i creixement dels cristalls i han de controlar les temperatures amb alta precisió.El mètode Bridgman vertical s'utilitza principalment per al creixement de β-Ga2O3 i és conegut per la seva capacitat de créixer en un ambient aeri.Durant el procés de creixement vertical del mètode Bridgman, la pèrdua total de massa de la massa fosa i el gresol es manté per sota de l'1%, permetent el creixement de grans cristalls simples de β-Ga2O3 amb una pèrdua mínima.
Figura 4 Monocristall de β-Ga2O3 cultivat pel mètode Bridgeman
2.4 Mètode de la zona flotant
El mètode de la zona flotant soluciona el problema de la contaminació de cristalls per materials del gresol i redueix els elevats costos associats als gresols infrarojos resistents a altes temperatures.Durant aquest procés de creixement, la fosa es pot escalfar amb una làmpada en lloc d'una font de RF, simplificant així els requisits per a l'equip de creixement.Tot i que la forma i la qualitat del cristall de β-Ga2O3 cultivada pel mètode de la zona flotant encara no són òptimes, aquest mètode obre un mètode prometedor per fer créixer β-Ga2O3 d'alta puresa en cristalls senzills econòmics.
Figura 5 β-Ga2O3 monocristal cultivat pel mètode de la zona flotant.
Hora de publicació: 30-mai-2024