Bredbåndsgab (WBG) halvledere repræsenteret af siliciumcarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN) har fået udbredt opmærksomhed. Folk har høje forventninger til anvendelsesmulighederne for siliciumcarbid i elbiler og elnet, såvel som anvendelsesmulighederne for galliumnitrid til hurtigopladning. I de senere år har forskning i Ga2O3-, AlN- og diamantmaterialer gjort betydelige fremskridt, hvilket har bragt fokus på halvledermaterialer med ultrabredt båndgab. Blandt dem er galliumoxid (Ga2O3) et fremvoksende halvledermateriale med ultrabredt båndgab med et båndgab på 4,8 eV, en teoretisk kritisk gennemslagsfeltstyrke på ca. 8 MV cm-1, en mætningshastighed på ca. 2E7cm s-1 og en høj Baliga-kvalitetsfaktor på 3000, der får udbredt opmærksomhed inden for højspændings- og højfrekvent effektelektronik.
1. Egenskaber ved galliumoxidmateriale
Ga₂O₃ har et stort båndgab (4,8 eV), forventes at opnå både høje spændingsmodstands- og høje effektegenskaber og kan have potentiale for højspændingstilpasningsevne ved relativt lav modstand, hvilket gør dem til fokus for den nuværende forskning. Derudover har Ga₂O₃ ikke kun fremragende materialeegenskaber, men tilbyder også en række let justerbare n-type dopingteknologier, samt billige substratvækst- og epitaksiteknologier. Indtil videre er der blevet opdaget fem forskellige krystalfaser i Ga₂O₃, herunder korund (α), monoklin (β), defekt spinel (γ), kubisk (δ) og orthorhombisk (ɛ) faser. Termodynamiske stabiliteter er i rækkefølge γ, δ, α, ɛ og β. Det er værd at bemærke, at monoklin β-Ga₂O₃ er den mest stabile, især ved høje temperaturer, mens andre faser er metastabile over stuetemperatur og har tendens til at transformere til β-fasen under specifikke termiske forhold. Derfor er udviklingen af β-Ga2O3-baserede enheder blevet et stort fokus inden for effektelektronik i de senere år.
Tabel 1 Sammenligning af nogle parametre for halvledermaterialer
Krystalstrukturen af monoklinisk β-Ga₂O₃ er vist i tabel 1. Dens gitterparametre inkluderer a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å og β = 103,8°. Enhedscellen består af Ga(I)-atomer med snoet tetraedrisk koordination og Ga(II)-atomer med oktaedrisk koordination. Der er tre forskellige arrangementer af oxygenatomer i det "snoede kubiske" array, herunder to trekantet koordinerede O(I)- og O(II)-atomer og et tetraedrisk koordineret O(III)-atom. Kombinationen af disse to typer atomkoordination fører til anisotropien af β-Ga₂O₃ med særlige egenskaber inden for fysik, kemisk korrosion, optik og elektronik.
Figur 1 Skematisk strukturdiagram af monoklinisk β-Ga2O3 krystal
Fra et energibåndteoriperspektiv er minimumsværdien af ledningsbåndet for β-Ga2O3 afledt af energitilstanden svarende til Ga-atomets 4s0-hybridbane. Energiforskellen mellem minimumsværdien af ledningsbåndet og vakuumenerginiveauet (elektronaffinitetsenergi) måles til 4 eV. Den effektive elektronmasse af β-Ga2O3 måles til 0,28-0,33 me, og dens gunstige elektroniske ledningsevne er gunstig. Valensbåndets maksimum udviser imidlertid en lav Ek-kurve med meget lav krumning og stærkt lokaliserede O2p-orbitaler, hvilket tyder på, at hullerne er dybt lokaliserede. Disse egenskaber udgør en enorm udfordring for at opnå p-type doping i β-Ga2O3. Selv hvis P-type doping kan opnås, forbliver hullets μ på et meget lavt niveau. 2. Vækst af bulk galliumoxid-enkeltkrystal Indtil videre er vækstmetoden for β-Ga2O3 bulk-enkeltkrystalsubstrat primært krystaltrækmetoden, såsom Czochralski (CZ), kantdefineret tyndfilmsfremføringsmetode (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (rtikel eller horisontal Bridgman, HB eller VB) og flydende zone (floating zone, FZ) teknologi. Blandt alle metoder forventes Czochralski og kantdefinerede tyndfilmsfremføringsmetoder at være de mest lovende veje til masseproduktion af β-Ga2O3-wafere i fremtiden, da de samtidig kan opnå store volumener og lave defektdensiteter. Indtil videre har Japans Novel Crystal Technology realiseret en kommerciel matrix til smeltevækst af β-Ga2O3.
1.1 Czochralski-metoden
Princippet bag Czochralski-metoden er, at kimlaget først dækkes, og derefter trækkes enkeltkrystallen langsomt ud af smelten. Czochralski-metoden bliver stadig vigtigere for β-Ga2O3 på grund af dens omkostningseffektivitet, store størrelsesmuligheder og substratvækst af høj krystalkvalitet. På grund af termisk stress under højtemperaturvæksten af Ga2O3 vil der dog forekomme fordampning af enkeltkrystaller, smeltematerialer og beskadigelse af Ir-digelen. Dette er et resultat af vanskeligheden ved at opnå lav n-type doping i Ga2O3. At introducere en passende mængde ilt i vækstatmosfæren er én måde at løse dette problem på. Gennem optimering er der med succes blevet dyrket 2-tommer β-Ga2O3 af høj kvalitet med et frit elektronkoncentrationsområde på 10^16~10^19 cm-3 og en maksimal elektrontæthed på 160 cm2/Vs ved hjælp af Czochralski-metoden.
Figur 2 Enkeltkrystal af β-Ga2O3 dyrket ved Czochralski-metoden
1.2 Kantdefineret filmfremføringsmetode
Den kantdefinerede tyndfilmsfremføringsmetode anses for at være den førende kandidat til kommerciel produktion af Ga2O3-enkeltkrystalmaterialer med stort areal. Princippet bag denne metode er at placere smelten i en form med en kapillærspalte, og smelten stiger op i formen gennem kapillærvirkning. Øverst dannes en tynd film, som spredes i alle retninger, mens den induceres til krystallisering af podekrystallen. Derudover kan kanterne af formtoppen styres til at producere krystaller i flager, rør eller enhver ønsket geometri. Den kantdefinerede tyndfilmsfremføringsmetode af Ga2O3 giver hurtige vækstrater og store diametre. Figur 3 viser et diagram af en β-Ga2O3-enkeltkrystal. Derudover er 2-tommer og 4-tommer β-Ga2O3-substrater med fremragende gennemsigtighed og ensartethed blevet kommercialiseret med hensyn til størrelsesskala, mens 6-tommer-substratet er demonstreret i forskning til fremtidig kommercialisering. For nylig er store cirkulære enkeltkrystalbulkmaterialer også blevet tilgængelige med (-201) orientering. Derudover fremmer β-Ga2O3 kantdefineret filmfodringsmetoden også dotering af overgangsmetalelementer, hvilket muliggør forskning i og fremstilling af Ga2O3.
Figur 3 β-Ga2O3 enkeltkrystal dyrket ved kantdefineret filmfodringsmetode
1.3 Bridgeman-metoden
I Bridgeman-metoden dannes krystaller i en digel, der gradvist bevæges gennem en temperaturgradient. Processen kan udføres i vandret eller lodret retning, normalt ved hjælp af en roterende digel. Det er værd at bemærke, at denne metode kan bruge krystalfrø eller ej. Traditionelle Bridgman-operatører mangler direkte visualisering af smelte- og krystalvækstprocesserne og skal kontrollere temperaturerne med høj præcision. Den vertikale Bridgman-metode bruges hovedsageligt til vækst af β-Ga2O3 og er kendt for sin evne til at vokse i et luftmiljø. Under den vertikale Bridgman-metodevækstproces holdes det samlede massetab af smelten og diglen under 1%, hvilket muliggør vækst af store β-Ga2O3 enkeltkrystaller med minimalt tab.
Figur 4 Enkeltkrystal af β-Ga2O3 dyrket ved Bridgeman-metoden
1.4 Flydende zonemetode
Flydende zone-metoden løser problemet med krystalkontaminering fra digelmaterialer og reducerer de høje omkostninger forbundet med højtemperaturbestandige infrarøde digler. Under denne vækstproces kan smelten opvarmes af en lampe i stedet for en RF-kilde, hvilket forenkler kravene til vækstudstyr. Selvom formen og krystalkvaliteten af β-Ga2O3 dyrket ved flydende zone-metoden endnu ikke er optimal, åbner denne metode op for en lovende metode til at dyrke β-Ga2O3 med høj renhed til budgetvenlige enkeltkrystaller.
Figur 5 β-Ga2O3 enkeltkrystal dyrket ved hjælp af flydende zonemetoden.
Udsendelsestidspunkt: 30. maj 2024