Halbleiter mit großem Bandabstand (WBG), repräsentiert durch Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), haben große Aufmerksamkeit erhalten. Die Erwartungen an die Anwendungsmöglichkeiten von Siliziumkarbid in Elektrofahrzeugen und Stromnetzen sowie an die Anwendungsmöglichkeiten von Galliumnitrid beim Schnellladen sind hoch. In den letzten Jahren wurden in der Forschung an Ga2O3-, AlN- und Diamantmaterialien erhebliche Fortschritte erzielt, wodurch Halbleitermaterialien mit ultraweitem Bandabstand in den Fokus der Aufmerksamkeit gerückt sind. Unter diesen ist Galliumoxid (Ga2O3) ein aufstrebendes Halbleitermaterial mit ultraweitem Bandabstand. Es verfügt über einen Bandabstand von 4,8 eV, eine theoretische kritische Durchbruchfeldstärke von etwa 8 MV cm-1, eine Sättigungsgeschwindigkeit von etwa 2E7 cm s-1 und einen hohen Baliga-Gütefaktor von 3000 und findet große Beachtung im Bereich der Hochspannungs- und Hochfrequenz-Leistungselektronik.
1. Materialeigenschaften von Galliumoxid
Ga2O3 weist eine große Bandlücke (4,8 eV) auf, soll sowohl eine hohe Spannungsfestigkeit als auch eine hohe Leistung erreichen und verfügt über das Potenzial zur Hochspannungsanpassung bei relativ geringem Widerstand, weshalb es zum Schwerpunkt der aktuellen Forschung gehört. Zudem weist Ga2O3 nicht nur hervorragende Materialeigenschaften auf, sondern bietet auch eine Vielzahl leicht anpassbarer n-Typ-Dotierungstechnologien sowie kostengünstige Substratwachstums- und Epitaxietechnologien. Bisher wurden in Ga2O3 fünf verschiedene Kristallphasen entdeckt, darunter Korund (α), monokline (β), defekter Spinell (γ), kubische (δ) und orthorhombische (ɛ) Phasen. Die thermodynamischen Stabilitäten sind in dieser Reihenfolge γ, δ, α, ɛ und β. Es ist erwähnenswert, dass monoklines β-Ga2O3 am stabilsten ist, insbesondere bei hohen Temperaturen, während andere Phasen oberhalb von Raumtemperatur metastabil sind und unter bestimmten thermischen Bedingungen dazu neigen, sich in die β-Phase umzuwandeln. Daher ist die Entwicklung von Geräten auf β-Ga2O3-Basis in den letzten Jahren zu einem Schwerpunkt im Bereich der Leistungselektronik geworden.
Tabelle 1 Vergleich einiger Halbleitermaterialparameter
Die Kristallstruktur von monoklinem β-Ga2O3 ist in Tabelle 1 dargestellt. Seine Gitterparameter betragen a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å und β = 103,8°. Die Elementarzelle besteht aus Ga(I)-Atomen mit verdrillter tetraedrischer Koordination und Ga(II)-Atomen mit oktaedrischer Koordination. In der „verdrillten kubischen“ Anordnung gibt es drei verschiedene Anordnungen von Sauerstoffatomen, darunter zwei dreieckig koordinierte O(I)- und O(II)-Atome und ein tetraedrisch koordiniertes O(III)-Atom. Die Kombination dieser beiden Arten atomarer Koordination führt zur Anisotropie von β-Ga2O3 mit besonderen Eigenschaften in Physik, chemischer Korrosion, Optik und Elektronik.
Abbildung 1 Schematisches Strukturdiagramm eines monoklinen β-Ga2O3-Kristalls
Aus der Perspektive der Energiebandtheorie wird der Minimalwert des Leitungsbandes von β-Ga2O3 aus dem Energiezustand abgeleitet, der der 4s0-Hybridbahn des Ga-Atoms entspricht. Die Energiedifferenz zwischen dem Minimalwert des Leitungsbandes und dem Vakuumenergieniveau (Elektronenaffinitätsenergie) wird gemessen. beträgt 4 eV. Die effektive Elektronenmasse von β-Ga2O3 wird mit 0,28 bis 0,33 me gemessen und hat eine günstige elektronische Leitfähigkeit. Das Maximum des Valenzbandes weist jedoch eine flache Ek-Kurve mit sehr geringer Krümmung und stark lokalisierten O2p-Orbitalen auf, was darauf hindeutet, dass die Löcher tief lokalisiert sind. Diese Eigenschaften stellen eine enorme Herausforderung für die p-Typ-Dotierung in β-Ga2O3 dar. Selbst wenn eine p-Typ-Dotierung erreicht werden kann, bleibt das Loch-μ auf einem sehr niedrigen Niveau. 2. Wachstum von Galliumoxid-Einkristallen Bisher sind als Wachstumsverfahren für β-Ga2O3-Einkristallsubstrate hauptsächlich Kristallziehverfahren wie Czochralski (CZ), Edge-Defined Film-Fed (EFG), Bridgman (horizontales oder horizontales Bridgman, HB oder VB) und Floating-Zone (FZ) üblich. Von allen Verfahren gelten Czochralski und Edge-Defined Dünnschicht-Fed als die vielversprechendsten für die zukünftige Massenproduktion von β-Ga2O3-Wafern, da mit ihnen große Mengen bei geringer Defektdichte erreicht werden können. Bislang hat Japans Novel Crystal Technology eine kommerzielle Matrix für das Schmelzwachstum von β-Ga2O3 realisiert.
1.1 Czochralski-Methode
Das Prinzip der Czochralski-Methode besteht darin, zuerst die Keimschicht aufzutragen und dann den Einkristall langsam aus der Schmelze zu ziehen. Die Czochralski-Methode gewinnt für β-Ga2O3 zunehmend an Bedeutung, da sie kostengünstig ist, große Abmessungen ermöglicht und ein hochwertiges Kristallsubstratwachstum ermöglicht. Aufgrund der thermischen Belastung während des Hochtemperaturwachstums von Ga2O3 verdampfen jedoch Einkristalle und Schmelzmaterialien und der Ir-Tiegel wird beschädigt. Dies liegt daran, dass es schwierig ist, in Ga2O3 eine niedrige n-Dotierung zu erreichen. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht darin, der Wachstumsatmosphäre eine angemessene Menge Sauerstoff zuzuführen. Durch Optimierung konnte mit der Czochralski-Methode erfolgreich hochwertiges 2-Zoll-β-Ga2O3 mit einem freien Elektronenkonzentrationsbereich von 10^16 bis 10^19 cm-3 und einer maximalen Elektronendichte von 160 cm2/Vs gezüchtet werden.
Abbildung 2 Einkristall aus β-Ga2O3, gezüchtet mit der Czochralski-Methode
1.2 Kantenbestimmtes Filmzufuhrverfahren
Das kantendefinierte Dünnschichtzufuhrverfahren gilt als aussichtsreichste Methode zur kommerziellen Herstellung großflächiger Ga2O3-Einkristallmaterialien. Das Prinzip dieses Verfahrens besteht darin, die Schmelze in eine Form mit Kapillarschlitz zu geben, wo sie durch die Kapillarwirkung in die Form aufsteigt. An der Oberfläche bildet sich ein dünner Film, der sich in alle Richtungen ausbreitet und durch den Impfkristall zur Kristallisation angeregt wird. Zudem lassen sich die Kanten der Formoberseite steuern, um Kristalle in Flocken, Röhren oder jeder beliebigen Geometrie zu erzeugen. Das kantendefinierte Dünnschichtzufuhrverfahren von Ga2O3 ermöglicht schnelle Wachstumsraten und große Durchmesser. Abbildung 3 zeigt ein Diagramm eines β-Ga2O3-Einkristalls. Was die Größenskala betrifft, wurden bereits β-Ga2O3-Substrate mit 2 und 4 Zoll und hervorragender Transparenz und Gleichmäßigkeit kommerzialisiert, während das 6-Zoll-Substrat sich in der Forschung für eine künftige Kommerzialisierung befindet. Seit kurzem sind auch große kreisförmige Einkristall-Vollmaterialien mit (−201)-Orientierung verfügbar. Darüber hinaus ermöglicht die kantendefinierte Filmzuführungsmethode von β-Ga2O3 auch die Dotierung mit Übergangsmetallen und ermöglicht so die Erforschung und Herstellung von Ga2O3.
Abbildung 3 β-Ga2O3-Einkristall, gezüchtet durch die Methode der kantendefinierten Filmzufuhr
1.3 Bridgeman-Methode
Bei der Bridgeman-Methode werden Kristalle in einem Tiegel gebildet, der schrittweise durch einen Temperaturgradienten bewegt wird. Der Prozess kann horizontal oder vertikal durchgeführt werden, üblicherweise mit einem rotierenden Tiegel. Es ist zu beachten, dass bei dieser Methode Kristallkeime verwendet werden können, dies aber nicht muss. Herkömmlichen Bridgman-Verfahren fehlt die direkte Visualisierung der Schmelz- und Kristallwachstumsprozesse, und die Temperatur muss hochpräzise geregelt werden. Die vertikale Bridgman-Methode wird hauptsächlich für das Wachstum von β-Ga2O3 verwendet und ist für ihre Fähigkeit bekannt, in einer Luftumgebung zu wachsen. Während des vertikalen Bridgman-Wachstumsprozesses wird der Gesamtmasseverlust von Schmelze und Tiegel unter 1 % gehalten, wodurch das Wachstum großer β-Ga2O3-Einkristalle mit minimalem Verlust ermöglicht wird.
Abbildung 4 Einkristall aus β-Ga2O3, gezüchtet mit der Bridgeman-Methode
1.4 Floating-Zone-Methode
Das Zonenschmelzverfahren löst das Problem der Kristallverunreinigung durch Tiegelmaterialien und reduziert die hohen Kosten für hochtemperaturbeständige Infrarottiegel. Während des Züchtungsprozesses kann die Schmelze mit einer Lampe anstelle einer HF-Quelle erhitzt werden, was den Bedarf an Züchtungsgeräten reduziert. Obwohl Form und Kristallqualität des mit dem Zonenschmelzverfahren gezüchteten β-Ga2O3 noch nicht optimal sind, eröffnet dieses Verfahren eine vielversprechende Möglichkeit, hochreines β-Ga2O3 zu kostengünstigen Einkristallen zu züchten.
Abbildung 5: Mit der Floating-Zone-Methode gezüchteter β-Ga2O3-Einkristall.
Veröffentlichungszeit: 30. Mai 2024