Ang mga wide bandgap (WBG) semiconductors nga girepresentahan sa silicon carbide (SiC) ug gallium nitride (GaN) nakadawat og kaylap nga atensyon. Ang mga tawo adunay taas nga gilauman alang sa mga palaaboton sa aplikasyon sa silicon carbide sa mga de-kuryenteng sakyanan ug mga power grid, ingon man ang mga palaaboton sa aplikasyon sa gallium nitride sa paspas nga pag-charge. Sa bag-ohay nga mga tuig, ang panukiduki sa Ga2O3, AlN ug mga materyales sa diamante nakahimo og dakong pag-uswag, nga naghimo sa mga ultra-wide bandgap semiconductor nga materyales nga sentro sa atensyon. Lakip niini, ang gallium oxide (Ga2O3) usa ka bag-ong ultra-wide-bandgap semiconductor material nga adunay band gap nga 4.8 eV, usa ka theoretical critical breakdown field strength nga mga 8 MV cm-1, usa ka saturation velocity nga mga 2E7cm s-1, ug usa ka taas nga Baliga quality factor nga 3000, nga nakadawat og kaylap nga atensyon sa natad sa high voltage ug high frequency power electronics.
1. Mga kinaiya sa materyal nga Gallium oxide
Ang Ga2O3 adunay dakong band gap (4.8 eV), gilauman nga makab-ot ang taas nga resistensya sa boltahe ug taas nga gahum, ug mahimong adunay potensyal alang sa taas nga boltahe nga adaptability sa medyo ubos nga resistensya, nga naghimo kanila nga sentro sa kasamtangang panukiduki. Dugang pa, ang Ga2O3 dili lamang adunay maayo kaayo nga mga kabtangan sa materyal, apan naghatag usab og lain-laing dali nga ma-adjust nga n-type doping nga mga teknolohiya, ingon man usab sa barato nga pagtubo sa substrate ug mga teknolohiya sa epitaxy. Sa pagkakaron, lima ka lain-laing mga hugna sa kristal ang nadiskobrehan sa Ga2O3, lakip ang corundum (α), monoclinic (β), depektoso nga spinel (γ), cubic (δ) ug orthorhombic (ɛ) nga mga hugna. Ang mga thermodynamic stability, sa han-ay, γ, δ, α, ɛ, ug β. Angayan nga matikdan nga ang monoclinic β-Ga2O3 mao ang labing lig-on, labi na sa taas nga temperatura, samtang ang ubang mga hugna kay metastable labaw sa temperatura sa kwarto ug lagmit nga mausab ngadto sa β nga hugna ubos sa piho nga mga kondisyon sa kainit. Busa, ang pag-uswag sa mga aparato nga nakabase sa β-Ga2O3 nahimong usa ka dakong pokus sa natad sa power electronics sa bag-ohay nga mga tuig.
Talaan 1 Pagtandi sa pipila ka mga parametro sa materyal nga semiconductor
Ang istruktura sa kristal sa monoclinicβ-Ga2O3 gipakita sa Talaan 1. Ang mga parametro sa lattice niini naglakip sa a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, ug β = 103.8°. Ang unit cell gilangkoban sa mga atomo sa Ga(I) nga adunay twisted tetrahedral coordination ug mga atomo sa Ga(II) nga adunay octahedral coordination. Adunay tulo ka lain-laing mga kahikayan sa mga atomo sa oksiheno sa "twisted cubic" array, lakip ang duha ka triangularly coordinated O(I) ug O(II) nga mga atomo ug usa ka tetrahedrally coordinated O(III) nga atomo. Ang kombinasyon niining duha ka matang sa atomic coordination mosangpot sa anisotropy sa β-Ga2O3 nga adunay espesyal nga mga kabtangan sa pisika, kemikal nga kaagnasan, optika ug elektroniko.
Hulagway 1 Eskematikong estruktural nga dayagram sa monoclinic β-Ga2O3 nga kristal
Gikan sa perspektibo sa teorya sa energy band, ang minimum nga kantidad sa conduction band sa β-Ga2O3 gikuha gikan sa estado sa enerhiya nga katumbas sa 4s0 hybrid orbit sa atomo sa Ga. Ang kalainan sa enerhiya tali sa minimum nga kantidad sa conduction band ug sa lebel sa enerhiya sa vacuum (electron affinity energy) gisukod kay 4 eV. Ang epektibo nga masa sa electron sa β-Ga2O3 gisukod nga 0.28–0.33 me ug ang paborableng electronic conductivity niini. Bisan pa, ang valence band maximum nagpakita og mabaw nga Ek curve nga adunay ubos kaayo nga curvature ug kusganong lokal nga O2p orbitals, nga nagsugyot nga ang mga lungag lawom nga lokal. Kini nga mga kinaiya naghatag usa ka dako nga hagit aron makab-ot ang p-type doping sa β-Ga2O3. Bisan kung makab-ot ang P-type doping, ang lungag μ nagpabilin sa ubos kaayo nga lebel. 2. Pagtubo sa bulk gallium oxide single crystal Hangtod karon, ang pamaagi sa pagtubo sa β-Ga2O3 bulk single crystal substrate kasagaran mao ang crystal pulling method, sama sa Czochralski (CZ), edge-defined thin film feeding method (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (rtical o horizontal Bridgman, HB o VB) ug floating zone (floating zone, FZ) nga teknolohiya. Taliwala sa tanang pamaagi, ang Czochralski ug edge-defined thin-film feeding methods gilauman nga mao ang labing maayong paagi alang sa mass production sa β-Ga2O3 wafers sa umaabot, tungod kay dungan nilang makab-ot ang dagkong volume ug ubos nga defect densities. Hangtod karon, ang Novel Crystal Technology sa Japan nakaamgo na og commercial matrix alang sa melt growth β-Ga2O3.
1.1 Pamaagi sa Czochralski
Ang prinsipyo sa pamaagi sa Czochralski mao nga ang lut-od sa liso unang tabunan, ug dayon ang usa ka kristal hinayhinay nga kuhaon gikan sa natunaw. Ang pamaagi sa Czochralski nagkadako ang kahinungdanon alang sa β-Ga2O3 tungod sa pagka-epektibo sa gasto, kapasidad sa dagkong gidak-on, ug taas nga kalidad sa pagtubo sa substrate sa kristal. Bisan pa, tungod sa thermal stress atol sa pagtubo sa Ga2O3 sa taas nga temperatura, mahitabo ang pag-alisngaw sa mga single nga kristal, mga materyales sa natunaw, ug kadaot sa Ir crucible. Kini resulta sa kalisud sa pagkab-ot sa ubos nga n-type doping sa Ga2O3. Ang pagpaila sa angay nga gidaghanon sa oksiheno ngadto sa atmospera sa pagtubo usa ka paagi aron masulbad kini nga problema. Pinaagi sa pag-optimize, ang taas nga kalidad nga 2-pulgada nga β-Ga2O3 nga adunay range sa konsentrasyon sa libre nga electron nga 10^16~10^19 cm-3 ug usa ka maximum nga densidad sa electron nga 160 cm2/Vs malampuson nga napatubo pinaagi sa pamaagi sa Czochralski.
Hulagway 2 Usa ka kristal sa β-Ga2O3 nga gipatubo pinaagi sa pamaagi sa Czochralski
1.2 Pamaagi sa pagpakaon sa pelikula nga gihubit sa ngilit
Ang edge-defined thin film feeding method giisip nga nag-unang kakompetensya alang sa komersyal nga produksiyon sa mga large-area nga Ga2O3 single crystal nga materyales. Ang prinsipyo niini nga pamaagi mao ang pagbutang sa natunaw sa usa ka molde nga adunay capillary slit, ug ang natunaw mosaka sa molde pinaagi sa capillary action. Sa ibabaw, usa ka nipis nga pelikula ang maporma ug mokatap sa tanang direksyon samtang giaghat sa pag-kristal sa kristal sa liso. Dugang pa, ang mga ngilit sa ibabaw sa molde mahimong makontrol aron makahimo og mga kristal sa mga flakes, tubo, o bisan unsang gitinguha nga geometry. Ang edge-defined thin film feeding method sa Ga2O3 naghatag og paspas nga pagtubo ug dagkong mga diametro. Ang Figure 3 nagpakita sa usa ka diagram sa usa ka β-Ga2O3 single crystal. Dugang pa, sa mga termino sa sukod sa gidak-on, ang 2-pulgada ug 4-pulgada nga β-Ga2O3 substrates nga adunay maayo kaayo nga transparency ug uniformity gi-komersyalisa, samtang ang 6-pulgada nga substrate gipakita sa panukiduki alang sa umaabot nga komersiyalisasyon. Bag-ohay lang, ang dagkong lingin nga single-crystal bulk nga mga materyales nahimo usab nga magamit nga adunay (−201) nga orientasyon. Dugang pa, ang β-Ga2O3 edge-defined film feeding method nagpasiugda usab sa doping sa mga transition metal elements, nga naghimo sa panukiduki ug pag-andam sa Ga2O3 nga posible.
Hulagway 3 β-Ga2O3 single crystal nga gipatubo pinaagi sa edge-defined film feeding method
1.3 Pamaagi sa Bridgeman
Sa pamaagi sa Bridgeman, ang mga kristal giporma sa usa ka crucible nga hinayhinay nga gibalhin pinaagi sa usa ka gradient sa temperatura. Ang proseso mahimong himuon sa usa ka pinahigda o bertikal nga oryentasyon, kasagaran gamit ang usa ka nagtuyok nga crucible. Angayan nga matikdan nga kini nga pamaagi mahimong mogamit o dili mogamit sa mga liso sa kristal. Ang tradisyonal nga mga operator sa Bridgman kulang sa direkta nga pagtan-aw sa mga proseso sa pagkatunaw ug pagtubo sa kristal ug kinahanglan nga kontrolon ang mga temperatura nga adunay taas nga katukma. Ang bertikal nga pamaagi sa Bridgman gigamit labi na alang sa pagtubo sa β-Ga2O3 ug nailhan tungod sa abilidad niini nga motubo sa usa ka palibot nga hangin. Atol sa proseso sa pagtubo sa bertikal nga pamaagi sa Bridgman, ang kinatibuk-ang pagkawala sa masa sa natunaw ug crucible gipadayon nga ubos sa 1%, nga nagtugot sa pagtubo sa dagkong β-Ga2O3 nga single nga mga kristal nga adunay gamay nga pagkawala.
Hulagway 4 Usa ka kristal sa β-Ga2O3 nga gipatubo pinaagi sa pamaagi sa Bridgeman
1.4 Pamaagi sa naglutaw nga sona
Ang floating zone method makasulbad sa problema sa kontaminasyon sa kristal sa mga crucible materials ug makapakunhod sa taas nga gasto nga nalangkit sa mga infrared crucible nga makasugakod sa taas nga temperatura. Atol niining proseso sa pagtubo, ang natunaw mahimong ipainit gamit ang lampara imbes nga RF source, sa ingon nagpasimple sa mga kinahanglanon alang sa mga kagamitan sa pagtubo. Bisan kung ang porma ug kalidad sa kristal sa β-Ga2O3 nga gipatubo pinaagi sa floating zone method dili pa maayo, kini nga pamaagi nagbukas sa usa ka maayong pamaagi alang sa pagtubo sa taas nga kaputli nga β-Ga2O3 ngadto sa barato nga single crystals.
Hulagway 5 β-Ga2O3 nga usa ka kristal nga gipatubo pinaagi sa floating zone method.
Oras sa pag-post: Mayo-30-2024