Mae lled-ddargludyddion bwlch band eang (WBG) a gynrychiolir gan silicon carbid (SiC) a gallium nitrid (GaN) wedi derbyn sylw eang. Mae gan bobl ddisgwyliadau uchel ar gyfer rhagolygon cymhwyso silicon carbid mewn cerbydau trydan a gridiau pŵer, yn ogystal â rhagolygon cymhwyso gallium nitrid mewn gwefru cyflym. Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae ymchwil ar ddeunyddiau Ga2O3, AlN a diemwnt wedi gwneud cynnydd sylweddol, gan wneud deunyddiau lled-ddargludyddion bwlch band eang iawn yn ffocws sylw. Yn eu plith, mae gallium ocsid (Ga2O3) yn ddeunydd lled-ddargludyddion bwlch band eang iawn sy'n dod i'r amlwg gyda bwlch band o 4.8 eV, cryfder maes chwalu critigol damcaniaethol o tua 8 MV cm-1, cyflymder dirlawnder o tua 2E7cm s-1, a ffactor ansawdd Baliga uchel o 3000, sy'n derbyn sylw eang ym maes electroneg pŵer foltedd uchel ac amledd uchel.
1. Nodweddion deunydd ocsid galliwm
Mae gan Ga2O3 fwlch band mawr (4.8 eV), disgwylir iddo gyflawni galluoedd gwrthsefyll foltedd uchel a phŵer uchel, a gall fod â'r potensial ar gyfer addasrwydd foltedd uchel ar wrthwynebiad cymharol isel, gan eu gwneud yn ffocws ymchwil cyfredol. Yn ogystal, nid yn unig mae gan Ga2O3 briodweddau deunydd rhagorol, ond mae hefyd yn darparu amrywiaeth o dechnolegau dopio math-n y gellir eu haddasu'n hawdd, yn ogystal â thechnolegau twf swbstrad ac epitacsi cost isel. Hyd yn hyn, mae pum cyfnod crisial gwahanol wedi'u darganfod yn Ga2O3, gan gynnwys cyfnodau corundwm (α), monoclinig (β), spinel diffygiol (γ), ciwbig (δ) ac orthorhombig (ɛ). Sefydlogrwydd thermodynamig yw, yn eu trefn, γ, δ, α, ɛ, a β. Mae'n werth nodi mai monoclinig β-Ga2O3 yw'r mwyaf sefydlog, yn enwedig ar dymheredd uchel, tra bod cyfnodau eraill yn fetastabil uwchlaw tymheredd ystafell ac yn tueddu i drawsnewid i'r cyfnod β o dan amodau thermol penodol. Felly, mae datblygu dyfeisiau sy'n seiliedig ar β-Ga2O3 wedi dod yn ffocws mawr ym maes electroneg pŵer yn ystod y blynyddoedd diwethaf.
Tabl 1 Cymhariaeth o rai paramedrau deunydd lled-ddargludyddion
Dangosir strwythur crisial monoclinigβ-Ga2O3 yn Nhabl 1. Mae ei baramedrau dellt yn cynnwys a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, a β = 103.8°. Mae'r gell uned yn cynnwys atomau Ga(I) gyda chydlyniad tetrahedrol troellog ac atomau Ga(II) gyda chydlyniad octahedrol. Mae tri threfniant gwahanol o atomau ocsigen yn y trefniant "ciwbig troellog", gan gynnwys dau atom O(I) ac O(II) wedi'u cydlynnu'n drionglog ac un atom O(III) wedi'i gydlynnu'n tetrahedrol. Mae cyfuniad y ddau fath hyn o gydlyniad atomig yn arwain at anisotropi β-Ga2O3 gyda phriodweddau arbennig mewn ffiseg, cyrydiad cemegol, opteg ac electroneg.
Ffigur 1 Diagram strwythurol sgematig o grisial monoclinig β-Ga2O3
O safbwynt damcaniaeth band ynni, mae gwerth lleiaf band dargludiad β-Ga2O3 yn deillio o'r cyflwr ynni sy'n cyfateb i orbit hybrid 4s0 yr atom Ga. Mesurir y gwahaniaeth ynni rhwng gwerth lleiaf y band dargludiad a lefel ynni'r gwactod (ynni affinedd electron) yw 4 eV. Mesurir màs electron effeithiol β-Ga2O3 fel 0.28–0.33 me a'i ddargludedd electronig ffafriol. Fodd bynnag, mae uchafswm y band falens yn arddangos cromlin Ek bas gyda chrymedd isel iawn ac orbitalau O2p wedi'u lleoleiddio'n gryf, sy'n awgrymu bod y tyllau wedi'u lleoleiddio'n ddwfn. Mae'r nodweddion hyn yn peri her enfawr i gyflawni dopio math-p yn β-Ga2O3. Hyd yn oed os gellir cyflawni dopio math-P, mae'r twll μ yn parhau ar lefel isel iawn. 2. Twf grisial sengl ocsid galiwm swmp Hyd yn hyn, y dull tyfu ar gyfer swbstrad grisial sengl swmp β-Ga2O3 yw'r dull tynnu crisial yn bennaf, megis Czochralski (CZ), dull bwydo ffilm denau wedi'i diffinio ag ymyl (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (trtical or horizontal Bridgman, HB neu VB) a thechnoleg parth arnofiol (floating zone, FZ). Ymhlith yr holl ddulliau, disgwylir i ddulliau bwydo ffilm denau Czochralski a diffinio ag ymyl fod y llwybrau mwyaf addawol ar gyfer cynhyrchu màs wafferi β-Ga2O3 yn y dyfodol, gan y gallant gyflawni cyfeintiau mawr a dwyseddau diffygion isel ar yr un pryd. Hyd yn hyn, mae Novel Crystal Technology Japan wedi gwireddu matrics masnachol ar gyfer twf toddi β-Ga2O3.
1.1 Dull Czochralski
Egwyddor dull Czochralski yw bod yr haen hadau yn cael ei gorchuddio yn gyntaf, ac yna mae'r grisial sengl yn cael ei dynnu allan yn araf o'r toddiant. Mae dull Czochralski yn gynyddol bwysig ar gyfer β-Ga2O3 oherwydd ei gost-effeithiolrwydd, ei alluoedd maint mawr, a thwf swbstrad o ansawdd uchel y grisial. Fodd bynnag, oherwydd straen thermol yn ystod twf tymheredd uchel Ga2O3, bydd anweddiad crisialau sengl, deunyddiau toddedig, a difrod i'r croeslin Ir yn digwydd. Mae hyn yn ganlyniad i'r anhawster o gyflawni dopio math-n isel yn Ga2O3. Mae cyflwyno swm priodol o ocsigen i'r atmosffer twf yn un ffordd o ddatrys y broblem hon. Trwy optimeiddio, mae β-Ga2O3 2 fodfedd o ansawdd uchel gydag ystod crynodiad electronau rhydd o 10^16~10^19 cm-3 a dwysedd electronau uchaf o 160 cm2/Vs wedi'i dyfu'n llwyddiannus gan ddull Czochralski.
Ffigur 2 Grisial sengl o β-Ga2O3 wedi'i dyfu gan ddull Czochralski
1.2 Dull bwydo ffilm wedi'i ddiffinio gan ymyl
Ystyrir bod y dull bwydo ffilm denau wedi'i ddiffinio gan ymyl yn brif gystadleuydd ar gyfer cynhyrchu masnachol deunyddiau grisial sengl Ga2O3 arwynebedd mawr. Egwyddor y dull hwn yw gosod y toddi mewn mowld gyda hollt capilari, ac mae'r toddi'n codi i'r mowld trwy weithred capilari. Ar y brig, mae ffilm denau yn ffurfio ac yn ymledu i bob cyfeiriad wrth gael ei ysgogi i grisialu gan y grisial hadau. Yn ogystal, gellir rheoli ymylon top y mowld i gynhyrchu crisialau mewn naddion, tiwbiau, neu unrhyw geometreg a ddymunir. Mae'r dull bwydo ffilm denau wedi'i ddiffinio gan ymyl Ga2O3 yn darparu cyfraddau twf cyflym a diamedrau mawr. Mae Ffigur 3 yn dangos diagram o grisial sengl β-Ga2O3. Yn ogystal, o ran graddfa maint, mae swbstradau β-Ga2O3 2 fodfedd a 4 modfedd gyda thryloywder ac unffurfiaeth rhagorol wedi'u masnacheiddio, tra bod y swbstrad 6 modfedd wedi'i ddangos mewn ymchwil ar gyfer masnacheiddio yn y dyfodol. Yn ddiweddar, mae deunyddiau swmp grisial sengl crwn mawr hefyd wedi dod ar gael gyda chyfeiriadedd (−201). Yn ogystal, mae'r dull bwydo ffilm wedi'i diffinio gan ymyl β-Ga2O3 hefyd yn hyrwyddo dopio elfennau metel pontio, gan wneud ymchwil a pharatoi Ga2O3 yn bosibl.
Ffigur 3 Grisial sengl β-Ga2O3 wedi'i dyfu trwy ddull bwydo ffilm wedi'i diffinio gan ymyl
1.3 Dull Bridgeman
Yn null Bridgeman, mae crisialau'n cael eu ffurfio mewn croesbren sy'n cael ei symud yn raddol trwy raddiant tymheredd. Gellir cyflawni'r broses mewn cyfeiriadedd llorweddol neu fertigol, fel arfer gan ddefnyddio croesbren cylchdroi. Mae'n werth nodi y gall y dull hwn ddefnyddio hadau crisial neu beidio. Nid oes gan weithredwyr Bridgman traddodiadol ddelweddu uniongyrchol o'r prosesau toddi a thyfu crisial a rhaid iddynt reoli tymereddau gyda chywirdeb uchel. Defnyddir y dull Bridgman fertigol yn bennaf ar gyfer twf β-Ga2O3 ac mae'n adnabyddus am ei allu i dyfu mewn amgylchedd aer. Yn ystod proses tyfu dull Bridgman fertigol, cedwir cyfanswm y golled màs o'r toddi a'r croesbren o dan 1%, gan alluogi twf crisialau sengl β-Ga2O3 mawr gyda cholled leiaf posibl.
Ffigur 4 Grisial sengl o β-Ga2O3 wedi'i dyfu gan ddull Bridgeman
1.4 Dull parth arnofiol
Mae'r dull parth arnofiol yn datrys problem halogiad crisialau gan ddeunyddiau croeslin ac yn lleihau'r costau uchel sy'n gysylltiedig â chroesliniau is-goch sy'n gwrthsefyll tymheredd uchel. Yn ystod y broses dyfu hon, gellir cynhesu'r toddi gan lamp yn hytrach na ffynhonnell RF, gan symleiddio'r gofynion ar gyfer offer tyfu. Er nad yw siâp ac ansawdd crisial β-Ga2O3 a dyfir gan y dull parth arnofiol yn optimaidd eto, mae'r dull hwn yn agor dull addawol ar gyfer tyfu β-Ga2O3 purdeb uchel yn grisialau sengl sy'n gyfeillgar i'r gyllideb.
Ffigur 5 Grisial sengl β-Ga2O3 wedi'i dyfu gan y dull parth arnofiol.
Amser postio: Mai-30-2024