Οι ημιαγωγοί με ευρύ ενεργειακό χάσμα (WBG) που αντιπροσωπεύονται από το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) και το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN) έχουν τραβήξει την προσοχή. Οι άνθρωποι έχουν υψηλές προσδοκίες για τις προοπτικές εφαρμογής του καρβιδίου του πυριτίου σε ηλεκτρικά οχήματα και δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς και για τις προοπτικές εφαρμογής του νιτριδίου του γαλλίου στην ταχεία φόρτιση. Τα τελευταία χρόνια, η έρευνα για τα υλικά Ga2O3, AlN και διαμαντιού έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο, καθιστώντας τα υλικά ημιαγωγών με εξαιρετικά ευρύ ενεργειακό χάσμα το επίκεντρο της προσοχής. Μεταξύ αυτών, το οξείδιο του γαλλίου (Ga2O3) είναι ένα αναδυόμενο υλικό ημιαγωγού με εξαιρετικά ευρύ ενεργειακό χάσμα με ενεργειακό χάσμα 4,8 eV, θεωρητική ένταση κρίσιμου πεδίου διάσπασης περίπου 8 MV cm-1, ταχύτητα κορεσμού περίπου 2E7cm s-1 και υψηλό συντελεστή ποιότητας Baliga 3000, λαμβάνοντας ευρεία προσοχή στον τομέα των ηλεκτρονικών ισχύος υψηλής τάσης και υψηλής συχνότητας.
1. Χαρακτηριστικά υλικού οξειδίου του γαλλίου
Το Ga2O3 έχει μεγάλο ενεργειακό χάσμα (4,8 eV), αναμένεται να επιτύχει τόσο υψηλή τάση αντοχής όσο και δυνατότητες υψηλής ισχύος, και μπορεί να έχει τη δυνατότητα προσαρμοστικότητας υψηλής τάσης σε σχετικά χαμηλή αντίσταση, καθιστώντας το επίκεντρο της τρέχουσας έρευνας. Επιπλέον, το Ga2O3 όχι μόνο έχει εξαιρετικές ιδιότητες υλικών, αλλά παρέχει επίσης μια ποικιλία εύκολα ρυθμιζόμενων τεχνολογιών πρόσμιξης τύπου n, καθώς και τεχνολογίες ανάπτυξης υποστρώματος και επιταξίας χαμηλού κόστους. Μέχρι στιγμής, έχουν ανακαλυφθεί πέντε διαφορετικές κρυσταλλικές φάσεις στο Ga2O3, συμπεριλαμβανομένων φάσεων κορουνδίου (α), μονοκλινούς (β), ελαττωματικού σπινελίου (γ), κυβικού (δ) και ορθορομβικού (ɛ). Οι θερμοδυναμικές σταθερότητες είναι, κατά σειρά, γ, δ, α, ɛ και β. Αξίζει να σημειωθεί ότι το μονοκλινές β-Ga2O3 είναι το πιο σταθερό, ειδικά σε υψηλές θερμοκρασίες, ενώ άλλες φάσεις είναι μετασταθείς πάνω από τη θερμοκρασία δωματίου και τείνουν να μετασχηματίζονται στη φάση β υπό συγκεκριμένες θερμικές συνθήκες. Επομένως, η ανάπτυξη συσκευών που βασίζονται στο β-Ga2O3 έχει γίνει ένα σημαντικό επίκεντρο στον τομέα των ηλεκτρονικών ισχύος τα τελευταία χρόνια.
Πίνακας 1 Σύγκριση ορισμένων παραμέτρων υλικών ημιαγωγών
Η κρυσταλλική δομή του μονοκλινούς β-Ga2O3 παρουσιάζεται στον Πίνακα 1. Οι παράμετροι πλέγματός του περιλαμβάνουν a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å και β = 103,8°. Το μοναδιαίο κελί αποτελείται από άτομα Ga(I) με συνεστραμμένο τετραεδρικό συντονισμό και άτομα Ga(II) με οκταεδρικό συντονισμό. Υπάρχουν τρεις διαφορετικές διατάξεις ατόμων οξυγόνου στη «συνεστραμμένη κυβική» διάταξη, συμπεριλαμβανομένων δύο τριγωνικά συντεταγμένων ατόμων O(I) και O(II) και ενός τετραεδρικά συντεταγμένου ατόμου O(III). Ο συνδυασμός αυτών των δύο τύπων ατομικού συντονισμού οδηγεί στην ανισοτροπία του β-Ga2O3 με ειδικές ιδιότητες στη φυσική, τη χημική διάβρωση, την οπτική και την ηλεκτρονική.
Σχήμα 1 Σχηματικό δομικό διάγραμμα μονοκλινούς κρυστάλλου β-Ga2O3
Από την οπτική γωνία της θεωρίας ενεργειακών ζωνών, η ελάχιστη τιμή της ζώνης αγωγιμότητας του β-Ga2O3 προκύπτει από την ενεργειακή κατάσταση που αντιστοιχεί στην υβριδική τροχιά 4s0 του ατόμου Ga. Η ενεργειακή διαφορά μεταξύ της ελάχιστης τιμής της ζώνης αγωγιμότητας και του επιπέδου ενέργειας κενού (ενέργεια συγγένειας ηλεκτρονίων) μετριέται. Είναι 4 eV. Η ενεργός μάζα ηλεκτρονίων του β-Ga2O3 μετριέται ως 0,28–0,33 me και η ευνοϊκή ηλεκτρονική αγωγιμότητά του. Ωστόσο, το μέγιστο της ζώνης σθένους παρουσιάζει μια ρηχή καμπύλη Ek με πολύ χαμηλή καμπυλότητα και έντονα εντοπισμένα τροχιακά O2p, γεγονός που υποδηλώνει ότι οι οπές είναι βαθιά εντοπισμένες. Αυτά τα χαρακτηριστικά αποτελούν τεράστια πρόκληση για την επίτευξη πρόσμιξης τύπου p στο β-Ga2O3. Ακόμα κι αν μπορεί να επιτευχθεί πρόσμιξη τύπου P, η οπή μ παραμένει σε πολύ χαμηλό επίπεδο. 2. Ανάπτυξη μονοκρυστάλλου χύδην οξειδίου του γαλλίου Μέχρι στιγμής, η μέθοδος ανάπτυξης του χύδην μονοκρυστάλλου β-Ga2O3 είναι κυρίως η μέθοδος έλξης κρυστάλλων, όπως η Czochralski (CZ), η μέθοδος τροφοδοσίας λεπτής μεμβράνης με καθορισμένη άκρη (Edge-Defined film-fed, EFG), η τεχνολογία Bridgman (ortical ή horizontal Bridgman, HB ή VB) και η τεχνολογία πλωτής ζώνης (floating zone, FZ). Μεταξύ όλων των μεθόδων, η μέθοδος Czochralski και η μέθοδος τροφοδοσίας λεπτής μεμβράνης με καθορισμένη άκρη αναμένεται να είναι οι πιο πολλά υποσχόμενες οδοί για μαζική παραγωγή πλακιδίων β-Ga2O3 στο μέλλον, καθώς μπορούν ταυτόχρονα να επιτύχουν μεγάλους όγκους και χαμηλές πυκνότητες ελαττωμάτων. Μέχρι σήμερα, η Ιαπωνική Novel Crystal Technology έχει υλοποιήσει μια εμπορική μήτρα για την ανάπτυξη β-Ga2O3 σε τήξη.
1.1 Μέθοδος Τσοχράλσκι
Η αρχή της μεθόδου Czochralski είναι ότι το στρώμα σπόρων καλύπτεται πρώτα και στη συνέχεια ο μονοκρύσταλλος εξάγεται αργά από το τήγμα. Η μέθοδος Czochralski αποκτά ολοένα και μεγαλύτερη σημασία για το β-Ga2O3 λόγω της σχέσης κόστους-αποτελεσματικότητας, των δυνατοτήτων μεγάλου μεγέθους και της ανάπτυξης υποστρώματος υψηλής ποιότητας κρυστάλλων. Ωστόσο, λόγω της θερμικής καταπόνησης κατά την ανάπτυξη του Ga2O3 σε υψηλή θερμοκρασία, θα συμβεί εξάτμιση μονοκρυστάλλων, υλικών τήξης και ζημιά στο χωνευτήριο Ir. Αυτό οφείλεται στη δυσκολία επίτευξης χαμηλής πρόσμιξης τύπου n στο Ga2O3. Η εισαγωγή κατάλληλης ποσότητας οξυγόνου στην ατμόσφαιρα ανάπτυξης είναι ένας τρόπος για την επίλυση αυτού του προβλήματος. Μέσω βελτιστοποίησης, έχει αναπτυχθεί με επιτυχία β-Ga2O3 υψηλής ποιότητας 2 ιντσών με εύρος συγκέντρωσης ελεύθερων ηλεκτρονίων 10^16~10^19 cm-3 και μέγιστη πυκνότητα ηλεκτρονίων 160 cm2/Vs με τη μέθοδο Czochralski.
Σχήμα 2 Μονοκρύσταλλος β-Ga2O3 που αναπτύχθηκε με τη μέθοδο Czochralski
1.2 Μέθοδος τροφοδοσίας φιλμ με καθορισμένη ακμή
Η μέθοδος τροφοδοσίας λεπτής μεμβράνης με καθορισμένη άκρη θεωρείται ο κορυφαίος υποψήφιος για την εμπορική παραγωγή μονοκρυσταλλικών υλικών Ga2O3 μεγάλης επιφάνειας. Η αρχή αυτής της μεθόδου είναι η τοποθέτηση του τήγματος σε ένα καλούπι με τριχοειδή σχισμή και το τήγμα ανεβαίνει στο καλούπι μέσω τριχοειδούς δράσης. Στην κορυφή, σχηματίζεται μια λεπτή μεμβράνη και εξαπλώνεται προς όλες τις κατευθύνσεις ενώ προκαλείται η κρυστάλλωσή του από τον κρύσταλλο-σπόρο. Επιπλέον, οι άκρες της κορυφής του καλουπιού μπορούν να ελεγχθούν για την παραγωγή κρυστάλλων σε νιφάδες, σωλήνες ή οποιαδήποτε επιθυμητή γεωμετρία. Η μέθοδος τροφοδοσίας λεπτής μεμβράνης Ga2O3 με καθορισμένη άκρη παρέχει γρήγορους ρυθμούς ανάπτυξης και μεγάλες διαμέτρους. Το Σχήμα 3 δείχνει ένα διάγραμμα ενός μονοκρυστάλλου β-Ga2O3. Επιπλέον, όσον αφορά την κλίμακα μεγέθους, έχουν εμπορευματοποιηθεί υποστρώματα β-Ga2O3 2 ιντσών και 4 ιντσών με εξαιρετική διαφάνεια και ομοιομορφία, ενώ το υπόστρωμα 6 ιντσών έχει αποδειχθεί στην έρευνα για μελλοντική εμπορευματοποίηση. Πρόσφατα, έχουν επίσης διατεθεί μεγάλα κυκλικά μονοκρυσταλλικά υλικά χύδην με προσανατολισμό (-201). Επιπλέον, η μέθοδος τροφοδοσίας μεμβράνης β-Ga2O3 με καθορισμένη από την άκρη μεμβράνη προάγει επίσης την πρόσμιξη στοιχείων μεταβατικών μετάλλων, καθιστώντας δυνατή την έρευνα και την παρασκευή του Ga2O3.
Σχήμα 3 Μονοκρύσταλλος β-Ga2O3 που αναπτύχθηκε με μέθοδο τροφοδοσίας μεμβράνης με καθορισμένη άκρη
1.3 Μέθοδος Bridgeman
Στη μέθοδο Bridgeman, οι κρύσταλλοι σχηματίζονται σε ένα χωνευτήριο που μετακινείται σταδιακά μέσω μιας θερμοκρασιακής διαβάθμισης. Η διαδικασία μπορεί να εκτελεστεί σε οριζόντιο ή κατακόρυφο προσανατολισμό, συνήθως χρησιμοποιώντας ένα περιστρεφόμενο χωνευτήριο. Αξίζει να σημειωθεί ότι αυτή η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιεί ή όχι κρυσταλλικούς σπόρους. Οι παραδοσιακοί χειριστές Bridgman δεν έχουν άμεση οπτικοποίηση των διαδικασιών τήξης και ανάπτυξης κρυστάλλων και πρέπει να ελέγχουν τις θερμοκρασίες με υψηλή ακρίβεια. Η κάθετη μέθοδος Bridgman χρησιμοποιείται κυρίως για την ανάπτυξη του β-Ga2O3 και είναι γνωστή για την ικανότητά της να αναπτύσσεται σε περιβάλλον αέρα. Κατά τη διάρκεια της κάθετης διαδικασίας ανάπτυξης με τη μέθοδο Bridgman, η συνολική απώλεια μάζας του τήγματος και του χωνευτηρίου διατηρείται κάτω από 1%, επιτρέποντας την ανάπτυξη μεγάλων μονοκρυστάλλων β-Ga2O3 με ελάχιστη απώλεια.
Σχήμα 4 Μονοκρύσταλλος β-Ga2O3 που αναπτύχθηκε με τη μέθοδο Bridgeman
1.4 Μέθοδος κινητής ζώνης
Η μέθοδος της πλωτής ζώνης λύνει το πρόβλημα της μόλυνσης των κρυστάλλων από τα υλικά του χωνευτηρίου και μειώνει το υψηλό κόστος που σχετίζεται με τα χωνευτήρια υπέρυθρης ακτινοβολίας ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας ανάπτυξης, το τήγμα μπορεί να θερμανθεί με λάμπα αντί για πηγή RF, απλοποιώντας έτσι τις απαιτήσεις για εξοπλισμό ανάπτυξης. Αν και το σχήμα και η ποιότητα των κρυστάλλων του β-Ga2O3 που αναπτύσσεται με τη μέθοδο της πλωτής ζώνης δεν είναι ακόμη βέλτιστα, αυτή η μέθοδος ανοίγει μια πολλά υποσχόμενη μέθοδο για την ανάπτυξη β-Ga2O3 υψηλής καθαρότητας σε οικονομικά προσιτούς μονοκρυστάλλους.
Σχήμα 5 Μονοκρύσταλλος β-Ga2O3 που αναπτύχθηκε με τη μέθοδο της πλωτής ζώνης.
Ώρα δημοσίευσης: 30 Μαΐου 2024