Širokopásmové polovodiče (WBG), reprezentované karbidem křemíku (SiC) a nitridem galia (GaN), se těší široké pozornosti. Lidé mají velká očekávání ohledně perspektiv použití karbidu křemíku v elektrických vozidlech a energetických sítích, stejně jako perspektiv použití nitridu galia v rychlém nabíjení. V posledních letech dosáhl výzkum materiálů Ga2O3, AlN a diamantů významného pokroku, což dostalo pozornost na polovodičové materiály s ultraširokým zakázaným pásmem. Mezi nimi je oxid galia (Ga2O3) nově vznikající polovodičový materiál s ultraširokým zakázaným pásmem s šířkou zakázaného pásma 4,8 eV, teoretickou kritickou intenzitou průrazného pole asi 8 MV cm-1, rychlostí nasycení asi 2E7cm s-1 a vysokým Baligovým faktorem jakosti 3000, který se těší široké pozornosti v oblasti výkonové elektroniky vysokého napětí a vysokých frekvencí.
1. Vlastnosti materiálu z oxidu galia
Ga2O3 má velkou šířku zakázaného pásu (4,8 eV), očekává se, že dosáhne jak vysokého výdržného napětí, tak i vysokého výkonu a může mít potenciál pro adaptabilitu na vysoké napětí při relativně nízkém odporu, což z něj činí předmět současného výzkumu. Ga2O3 má navíc nejen vynikající materiálové vlastnosti, ale také poskytuje řadu snadno nastavitelných technologií dopování typu n, stejně jako nízkonákladové technologie růstu substrátů a epitaxe. Dosud bylo v Ga2O3 objeveno pět různých krystalových fází, včetně korundu (α), monoklinického (β), defektního spinelu (γ), kubického (δ) a ortorombického (ɛ) kroku. Termodynamické stability jsou v pořadí γ, δ, α, ɛ a β. Za zmínku stojí, že monoklinický β-Ga2O3 je nejstabilnější, zejména při vysokých teplotách, zatímco ostatní fáze jsou metastabilní nad pokojovou teplotou a mají tendenci se za specifických tepelných podmínek transformovat do fáze β. Proto se vývoj zařízení na bázi β-Ga2O3 v posledních letech stal hlavním zaměřením v oblasti výkonové elektroniky.
Tabulka 1 Porovnání některých parametrů polovodičových materiálů
Krystalová struktura monoklinického β-Ga2O3 je uvedena v tabulce 1. Jeho mřížkové parametry zahrnují a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å a β = 103,8°. Jednotková buňka se skládá z atomů Ga(I) se zkroucenou tetraedrickou koordinací a atomů Ga(II) s oktaedrickou koordinací. V „zkrouceném kubickém“ poli existují tři různá uspořádání atomů kyslíku, včetně dvou trojúhelníkově koordinovaných atomů O(I) a O(II) a jednoho tetraedricky koordinovaného atomu O(III). Kombinace těchto dvou typů atomové koordinace vede k anizotropii β-Ga2O3 se speciálními vlastnostmi ve fyzice, chemické korozi, optice a elektronice.
Obrázek 1 Schéma struktury monoklinického krystalu β-Ga2O3
Z pohledu teorie energetických pásů je minimální hodnota vodivostního pásu β-Ga2O3 odvozena z energetického stavu odpovídajícího hybridní orbitě 4s0 atomu Ga. Naměřený energetický rozdíl mezi minimální hodnotou vodivostního pásu a energetickou hladinou vakua (energie elektronové afinity) je 4 eV. Efektivní hmotnost elektronů β-Ga2O3 je naměřena na 0,28–0,33 me a má příznivou elektronovou vodivost. Maximum valenčního pásu však vykazuje mělkou křivku Ek s velmi nízkým zakřivením a silně lokalizovanými orbitaly O2p, což naznačuje, že díry jsou hluboce lokalizovány. Tyto vlastnosti představují obrovskou výzvu pro dosažení dopování typu p v β-Ga2O3. I když lze dosáhnout dopování typu P, hodnota μ díry zůstává na velmi nízké úrovni. 2. Růst objemového monokrystalu oxidu galia Dosud se jako metoda růstu objemového substrátu monokrystalu β-Ga2O3 používala hlavně metoda tažení krystalů, jako je Czochralského (CZ), metoda nanášení tenkých vrstev s definovanou hranou (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgmanův postup (vertikální nebo horizontální Bridgmanův postup, HB nebo VB) a technologie plovoucí zóny (floating zone, FZ). Ze všech metod se očekává, že Czochralského metoda a metoda nanášení tenkých vrstev s definovanou hranou budou v budoucnu nejslibnějšími cestami pro hromadnou výrobu destiček β-Ga2O3, protože mohou současně dosáhnout velkých objemů a nízké hustoty defektů. Japonská společnost Novel Crystal Technology dosud realizovala komerční matrici pro růst taveniny β-Ga2O3.
1.1 Czochralského metoda
Princip Czochralského metody spočívá v tom, že se nejprve pokryje zárodečná vrstva a poté se monokrystal pomalu vytahuje z taveniny. Czochralského metoda je pro β-Ga2O3 stále důležitější díky své cenové efektivitě, možnostem velkých rozměrů a vysoce kvalitnímu růstu krystalů. V důsledku tepelného namáhání během růstu Ga2O3 za vysokých teplot však dochází k odpařování monokrystalů, taveniny a poškození ir kelímku. To je důsledek obtíží s dosažením nízkého dopování typu n v Ga2O3. Jedním ze způsobů, jak tento problém vyřešit, je zavedení vhodného množství kyslíku do růstové atmosféry. Optimalizací byl Czochralského metodou úspěšně vypěstován vysoce kvalitní 2palcový β-Ga2O3 s koncentrací volných elektronů v rozsahu 10^16~10^19 cm-3 a maximální hustotou elektronů 160 cm2/Vs.
Obrázek 2 Monokrystal β-Ga2O3 vypěstovaný Czochralského metodou
1.2 Metoda podávání filmu s definovanou hranou
Metoda podávání tenkých vrstev s definovanými hranami je považována za hlavního kandidáta na komerční výrobu velkoplošných monokrystalických materiálů Ga2O3. Princip této metody spočívá v umístění taveniny do formy s kapilární štěrbinou a tavenina stoupá do formy kapilárním působením. Nahoře se vytvoří tenký film, který se rozprostírá všemi směry, zatímco je zárodečným krystalem indukován ke krystalizaci. Okraje horní části formy lze navíc regulovat tak, aby se vytvářely krystaly ve vločkách, trubicích nebo jakékoli požadované geometrii. Metoda podávání tenkých vrstev Ga2O3 s definovanými hranami poskytuje rychlé tempo růstu a velké průměry. Obrázek 3 ukazuje diagram monokrystalu β-Ga2O3. Kromě toho byly z hlediska měřítka velikosti komerčně dostupné substráty β-Ga2O3 o velikosti 2 palce a 4 palce s vynikající průhledností a uniformitou, zatímco substrát o velikosti 6 palců je demonstrován ve výzkumu pro budoucí komercializaci. V poslední době jsou k dispozici také velké kruhové monokrystalické sypké materiály s orientací (−201). Metoda nanášení vrstvy β-Ga2O3 s definovanými hranami navíc podporuje dopování přechodných kovů, což umožňuje výzkum a přípravu Ga2O3.
Obrázek 3 Monokrystal β-Ga2O3 vypěstovaný metodou podávání filmu s definovanou hranou
1.3 Bridgemanova metoda
V Bridgemanově metodě se krystaly tvoří v kelímku, který se postupně pohybuje teplotním gradientem. Proces lze provádět v horizontální nebo vertikální orientaci, obvykle za použití rotujícího kelímku. Za zmínku stojí, že tato metoda může, ale nemusí používat krystalická semena. Tradiční Bridgmanovy operátory postrádají přímou vizualizaci procesů tavení a růstu krystalů a musí kontrolovat teploty s vysokou přesností. Vertikální Bridgmanova metoda se používá hlavně pro růst β-Ga2O3 a je známá svou schopností růstu ve vzdušném prostředí. Během vertikálního růstového procesu Bridgmanovou metodou se celková ztráta hmotnosti taveniny a kelímku udržuje pod 1 %, což umožňuje růst velkých monokrystalů β-Ga2O3 s minimálními ztrátami.
Obrázek 4 Monokrystal β-Ga2O3 vypěstovaný Bridgemanovou metodou
1.4 Metoda plovoucí zóny
Metoda plovoucí zóny řeší problém kontaminace krystalů materiály kelímků a snižuje vysoké náklady spojené s infračervenými kelímky odolnými vůči vysokým teplotám. Během tohoto růstového procesu lze taveninu zahřívat lampou namísto zdroje rádiofrekvenčního záření, což zjednodušuje požadavky na růstové zařízení. Ačkoli tvar a kvalita krystalů β-Ga2O3 pěstovaného metodou plovoucí zóny ještě nejsou optimální, tato metoda otevírá slibnou cestu pro pěstování vysoce čistého β-Ga2O3 do cenově dostupných monokrystalů.
Obrázek 5 Monokrystal β-Ga2O3 vypěstovaný metodou plovoucí zóny.
Čas zveřejnění: 30. května 2024