I semiconduttori à banda larga (WBG) rapprisentati da u carburu di siliciu (SiC) è u nitruru di galliu (GaN) anu ricevutu una attenzione diffusa. A ghjente hà grandi aspettative per e prospettive d'applicazione di u carburu di siliciu in i veiculi elettrici è e rete elettriche, è ancu per e prospettive d'applicazione di u nitruru di galliu in a carica rapida. In l'ultimi anni, a ricerca nantu à Ga2O3, AlN è i materiali di diamanti hà fattu progressi significativi, rendendu i materiali semiconduttori à banda larga ultra-larga u centru d'attenzione. Trà questi, l'ossidu di galliu (Ga2O3) hè un materiale semiconduttore emergente à banda larga ultra-larga cù una banda larga di 4,8 eV, una forza di campu di rottura critica teorica di circa 8 MV cm-1, una velocità di saturazione di circa 2E7cm s-1, è un fattore di qualità Baliga elevatu di 3000, chì riceve una attenzione diffusa in u campu di l'elettronica di putenza à alta tensione è alta frequenza.
1. Caratteristiche di u materiale di l'ossidu di galliu
Ga2O3 hà una grande banda lacunare (4,8 eV), si prevede chì ottenga sia capacità di tensione di tenuta elevata sia capacità di putenza elevata, è pò avè u putenziale per l'adattabilità ad alta tensione à resistenza relativamente bassa, ciò chì li rende u focu di a ricerca attuale. Inoltre, Ga2O3 ùn hà micca solu eccellenti proprietà di materiale, ma furnisce ancu una varietà di tecnulugie di doping di tipu n facilmente regulabili, è ancu tecnulugie di crescita di substrati è epitassie à bassu costu. Finu à avà, sò state scuperte cinque diverse fasi cristalline in Ga2O3, cumprese e fasi di corindone (α), monoclina (β), spinello difettoso (γ), cubica (δ) è ortorombica (ɛ). E stabilità termodinamiche sò, in ordine, γ, δ, α, ɛ è β. Vale a pena nutà chì β-Ga2O3 monoclinica hè a più stabile, in particulare à alte temperature, mentre chì altre fasi sò metastabili sopra a temperatura ambiente è tendenu à trasfurmà si in a fase β in specifiche cundizioni termiche. Dunque, u sviluppu di dispositivi basati nantu à β-Ga2O3 hè diventatu un puntu focale maiò in u campu di l'elettronica di putenza in l'ultimi anni.
Tavula 1 Paragone di alcuni parametri di materiali semiconduttori
A struttura cristallina di β-Ga2O3 monoclinicu hè mostrata in a Tavula 1. I so parametri di reticolo includenu a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å, è β = 103,8°. A cellula unitaria hè custituita da atomi di Ga(I) cù coordinazione tetraedrica ritorta è atomi di Ga(II) cù coordinazione ottaedrica. Ci sò trè diverse disposizioni di atomi d'ossigenu in a matrice "cubica ritorta", cumprese dui atomi O(I) è O(II) coordinati triangularmente è un atomu O(III) coordinatu tetraedricamente. A cumminazione di sti dui tipi di coordinazione atomica porta à l'anisotropia di β-Ga2O3 cù proprietà speciali in fisica, currusione chimica, ottica è elettronica.
Figura 1 Schema strutturale di u cristallu monoclinicu β-Ga2O3
Da a perspettiva di a teoria di e bande d'energia, u valore minimu di a banda di conduzione di β-Ga2O3 hè derivatu da u statu energeticu currispundente à l'orbita ibrida 4s0 di l'atomu Ga. A differenza d'energia trà u valore minimu di a banda di conduzione è u livellu d'energia di u vacuum (energia d'affinità elettronica) hè misurata. hè 4 eV. A massa elettronica effettiva di β-Ga2O3 hè misurata cum'è 0,28-0,33 me è a so conduttività elettronica favurevule. Tuttavia, u massimu di a banda di valenza presenta una curva Ek superficiale cù una curvatura assai bassa è orbitali O2p fortemente lucalizati, ciò chì suggerisce chì i lacune sò prufundamente lucalizate. Queste caratteristiche rapprisentanu una sfida enorme per ottene un dopaggio di tipu p in β-Ga2O3. Ancu s'ellu si pò ottene un dopaggio di tipu P, u lacuna μ ferma à un livellu assai bassu. 2. Crescita di u monocristallu d'ossidu di galliu in massa Finu à avà, u metudu di crescita di u sustratu di monocristallu in massa β-Ga2O3 hè principalmente u metudu di tirata di cristalli, cum'è Czochralski (CZ), u metudu di alimentazione di film sottile definitu da i bordi (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (Bridgman verticale o orizzontale, HB o VB) è a tecnulugia di zona flottante (zona flottante, FZ). Frà tutti i metudi, si prevede chì Czochralski è i metudi di alimentazione di film sottile definiti da i bordi saranu e vie più promettenti per a pruduzzione di massa di wafer β-Ga2O3 in u futuru, postu chì ponu ottene simultaneamente grandi volumi è basse densità di difetti. Finu à avà, Novel Crystal Technology giapponese hà realizatu una matrice cummerciale per a crescita di a fusione β-Ga2O3.
1.1 Metudu Czochralski
U principiu di u metudu Czochralski hè chì u stratu di sementi hè prima cupertu, è dopu u monocristallu hè lentamente tiratu fora da a fusione. U metudu Czochralski hè sempre più impurtante per β-Ga2O3 per via di a so rentabilità, e so capacità di grande dimensione è a crescita di u sustratu di alta qualità cristallina. Tuttavia, per via di u stress termicu durante a crescita à alta temperatura di Ga2O3, si verificanu l'evaporazione di monocristalli, materiali fusi è danni à u crogiolu d'Ir. Questu hè u risultatu di a difficultà à ottene un doping di tipu n bassu in Ga2O3. L'introduzione di una quantità adatta d'ossigenu in l'atmosfera di crescita hè un modu per risolve stu prublema. Attraversu l'ottimisazione, β-Ga2O3 di 2 pollici di alta qualità cù un intervallu di concentrazione di elettroni liberi di 10^16~10^19 cm-3 è una densità elettronica massima di 160 cm2/Vs hè statu cultivatu cù successu da u metudu Czochralski.
Figura 2 Monocristallu di β-Ga2O3 cresciutu cù u metudu Czochralski
1.2 Metudu di alimentazione di film definitu da i bordi
U metudu di alimentazione di film sottile definitu da i bordi hè cunsideratu cum'è u principale contendente per a pruduzzione cummerciale di materiali monocristallini di Ga2O3 di grande superficia. U principiu di stu metudu hè di mette a fusione in un stampu cù una fessura capillare, è a fusione sale à u stampu per via di l'azione capillare. In cima, si forma un film sottile è si sparghje in tutte e direzzione mentre hè induttu à cristallizà da u cristallu di sementi. Inoltre, i bordi di a cima di u stampu ponu esse cuntrullati per pruduce cristalli in fiocchi, tubi, o qualsiasi geometria desiderata. U metudu di alimentazione di film sottile definitu da i bordi di Ga2O3 furnisce tassi di crescita rapidi è grandi diametri. A Figura 3 mostra un diagramma di un monocristallu β-Ga2O3. Inoltre, in termini di scala di dimensioni, sò stati cummercializati substrati β-Ga2O3 di 2 pollici è 4 pollici cù una trasparenza è uniformità eccellenti, mentre chì u substratu di 6 pollici hè dimustratu in a ricerca per a futura cummercializazione. Recentemente, sò diventati dispunibili ancu grandi materiali sfusi monocristallini circulari cù orientazione (-201). Inoltre, u metudu di alimentazione di film definitu da bordi β-Ga2O3 prumove ancu u doping di elementi di metalli di transizione, rendendu pussibule a ricerca è a preparazione di Ga2O3.
Figura 3 Monocristallu β-Ga2O3 cresciutu cù u metudu di alimentazione di film definitu da bordi
1.3 Metudu Bridgeman
In u metudu Bridgeman, i cristalli sò furmati in un crucible chì hè spustatu gradualmente attraversu un gradiente di temperatura. U prucessu pò esse realizatu in un orientamentu urizzuntale o verticale, di solitu aduprendu un crucible rotante. Vale a pena nutà chì stu metudu pò o ùn pò micca aduprà semi di cristallu. L'operatori tradiziunali di Bridgman ùn anu micca una visualizazione diretta di i prucessi di fusione è di crescita di i cristalli è devenu cuntrullà e temperature cù alta precisione. U metudu Bridgman verticale hè principalmente adupratu per a crescita di β-Ga2O3 è hè cunnisciutu per a so capacità di cresce in un ambiente aereu. Durante u prucessu di crescita di u metudu Bridgman verticale, a perdita di massa tutale di a fusione è di u crucible hè mantenuta sottu à 1%, permettendu a crescita di grandi monocristalli β-Ga2O3 cù una perdita minima.
Figura 4 Monocristallu di β-Ga2O3 cresciutu cù u metudu Bridgeman
1.4 Metudu di zona flottante
U metudu di a zona flottante risolve u prublema di a contaminazione di i cristalli da i materiali di u crogiolu è riduce i costi elevati assuciati à i crogioli infrarossi resistenti à alte temperature. Durante stu prucessu di crescita, a fusione pò esse riscaldata da una lampada invece di una fonte RF, simplificendu cusì i requisiti per l'attrezzatura di crescita. Ancu s'è a forma è a qualità cristallina di β-Ga2O3 cultivatu da u metudu di a zona flottante ùn sò ancu ottimali, stu metudu apre un metudu promettente per cultivà β-Ga2O3 di alta purezza in monocristalli ecunomichi.
Figura 5 Monocristallu β-Ga2O3 cresciutu cù u metudu di a zona flottante.
Data di publicazione: 30 di maghju di u 2024