Larĝbendbreĉaj (WBG) duonkonduktaĵoj reprezentitaj de silicia karbido (SiC) kaj galiuma nitrido (GaN) ricevis vastan atenton. Homoj havas altajn atendojn pri la aplikaj perspektivoj de silicia karbido en elektraj veturiloj kaj elektroretoj, same kiel pri la aplikaj perspektivoj de galiuma nitrido en rapida ŝargado. En la lastaj jaroj, esplorado pri Ga2O3, AlN kaj diamantaj materialoj faris signifan progreson, igante ultra-larĝbendbreĉajn duonkonduktaĵajn materialojn la fokuso de atento. Inter ili, galiuma oksido (Ga2O3) estas emerĝanta ultra-larĝbendbreĉa duonkonduktaĵa materialo kun bendbreĉo de 4.8 eV, teoria kritika disfala kampa forto de ĉirkaŭ 8 MV cm⁻¹, saturiĝa rapido de ĉirkaŭ 2E7 cm⁻¹, kaj alta Baliga-kvalitfaktoro de 3000, ricevante vastan atenton en la kampo de alttensia kaj altfrekvenca potencelektroniko.
1. Karakterizaĵoj de galiumoksida materialo
Ga2O3 havas grandan bendbreĉon (4.8 eV), oni atendas, ke ĝi atingos kaj altan elteneman tension kaj altajn potencajn kapablojn, kaj povas havi la potencialon por alt-tensia adaptiĝebleco ĉe relative malalta rezistanco, igante ilin la fokuso de nuna esplorado. Krome, Ga2O3 ne nur havas bonegajn materialajn ecojn, sed ankaŭ provizas diversajn facile alĝustigeblajn n-tipajn dopajn teknologiojn, same kiel malaltkostajn substratajn kresko- kaj epitaksiajn teknologiojn. Ĝis nun, kvin malsamaj kristalaj fazoj estis malkovritaj en Ga2O3, inkluzive de korundo (α), monoklinika (β), difekta spinelo (γ), kuba (δ) kaj ortoromba (ɛ) fazoj. Termodinamikaj stabilecoj estas, laŭorde, γ, δ, α, ɛ, kaj β. Indas rimarki, ke monoklinika β-Ga2O3 estas la plej stabila, precipe ĉe altaj temperaturoj, dum aliaj fazoj estas metastabilaj super ĉambra temperaturo kaj emas transformiĝi al la β-fazo sub specifaj termikaj kondiĉoj. Tial, la disvolviĝo de β-Ga2O3-bazitaj aparatoj fariĝis grava fokuso en la kampo de potencelektroniko en la lastaj jaroj.
Tabelo 1 Komparo de kelkaj parametroj de duonkonduktaĵaj materialoj
La kristala strukturo de monoklinika β-Ga2O3 estas montrita en Tabelo 1. Ĝiaj kradaj parametroj inkluzivas a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å, kaj β = 103,8°. La unuobla ĉelo konsistas el Ga(I) atomoj kun tordita tetrahedra kunordigo kaj Ga(II) atomoj kun oktahedra kunordigo. Ekzistas tri malsamaj aranĝoj de oksigenatomoj en la "tordita kuba" aro, inkluzive de du triangule kunordigitaj O(I) kaj O(II) atomoj kaj unu tetrahedre kunordigita O(III) atomo. La kombinaĵo de ĉi tiuj du tipoj de atomkunordigo kondukas al la anizotropio de β-Ga2O3 kun specialaj ecoj en fiziko, kemia korodo, optiko kaj elektroniko.
Figuro 1 Skema struktura diagramo de monoklinika β-Ga2O3 kristalo
El la perspektivo de la teorio de energio-bendoj, la minimuma valoro de la kondukta bendo de β-Ga2O3 devenas de la energistato korespondanta al la hibrida orbito 4s0 de la Ga-atomo. La energia diferenco inter la minimuma valoro de la kondukta bendo kaj la vakua energinivelo (elektrona afineca energio) estas mezurata. Ĝi estas 4 eV. La efektiva elektrona maso de β-Ga2O3 estas mezurata kiel 0,28–0,33 me kaj ĝia favora elektronika konduktiveco. Tamen, la maksimumo de la valenta bendo montras malprofundan Ek-kurbon kun tre malalta kurbeco kaj forte lokaj O2p-orbitaloj, sugestante, ke la truoj estas profunde lokaj. Ĉi tiuj karakterizaĵoj prezentas grandegan defion por atingi p-tipan dopadon en β-Ga2O3. Eĉ se P-tipa dopado povas esti atingita, la truo μ restas je tre malalta nivelo. 2. Kresko de groca galiumoksida unukristala Ĝis nun, la kreskiga metodo de β-Ga2O3 groca unukristala substrato estas ĉefe la kristala tira metodo, kiel ekzemple Czochralski (CZ), rand-difinita maldika filmnutra metodo (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (rtical aŭ horizontal Bridgman, HB aŭ VB) kaj ŝveba zono (floating zone, FZ) teknologio. Inter ĉiuj metodoj, Czochralski kaj rand-difinitaj maldikaj filmnutraj metodoj estas atendataj esti la plej esperigaj vojoj por amasproduktado de β-Ga2O3-platetoj en la estonteco, ĉar ili povas samtempe atingi grandajn volumojn kaj malaltajn difektajn densecojn. Ĝis nun, la japana Novel Crystal Technology realigis komercan matricon por fandkreskiga β-Ga2O3.
1.1 Metodo de Czochralski
La principo de la metodo de Czochralski estas, ke la semtavolo estas unue kovrita, kaj poste la unuopa kristalo estas malrapide eltirita el la fandita materialo. La metodo de Czochralski fariĝas pli kaj pli grava por β-Ga2O3 pro ĝia kostefikeco, grandaj dimensioj, kaj altkvalita kristala substratkresko. Tamen, pro termika streso dum la alttemperatura kresko de Ga2O3, okazos vaporiĝo de unuopaj kristaloj, fandmaterialoj, kaj difekto al la Ir-kristolo. Ĉi tio estas rezulto de la malfacileco atingi malaltan n-tipan dopadon en Ga2O3. Enkonduki taŭgan kvanton da oksigeno en la kreskigan atmosferon estas unu maniero solvi ĉi tiun problemon. Per optimumigo, altkvalita 2-cola β-Ga2O3 kun libera elektrona koncentriĝa gamo de 10^16~10^19 cm-3 kaj maksimuma elektrona denseco de 160 cm2/Vs estis sukcese kreskigita per la metodo de Czochralski.
Figuro 2 Unuopa kristalo de β-Ga2O3 kreskigita per la metodo de Czochralski
1.2 Rand-difinita filmnutra metodo
La randdifinita maldika filmnutra metodo estas konsiderata la ĉefa konkuranto por la komerca produktado de grand-areaj Ga2O3 unu-kristalaj materialoj. La principo de ĉi tiu metodo estas meti la fanditan materialon en muldilon kun kapilara fendo, kaj la fandita materialo leviĝas al la muldilo per kapilara ago. Ĉe la supro, maldika filmo formiĝas kaj disvastiĝas en ĉiuj direktoj, dum ĝi estas induktita al kristaliĝo per la semkristalo. Plie, la randoj de la muldila supro povas esti kontrolitaj por produkti kristalojn en flokoj, tuboj aŭ ajna dezirata geometrio. La randdifinita maldika filmnutra metodo de Ga2O3 provizas rapidajn kreskorapidecojn kaj grandajn diametrojn. Figuro 3 montras diagramon de β-Ga2O3 unu-kristala materialo. Krome, laŭ grandecskalo, 2-colaj kaj 4-colaj β-Ga2O3 substratoj kun bonega travidebleco kaj homogeneco estis komercigitaj, dum la 6-cola substrato estas montrita en esplorado por estonta komercigo. Lastatempe, grandaj cirklaj unu-kristalaj grocaj materialoj ankaŭ fariĝis haveblaj kun (-201) orientiĝo. Krome, la metodo de β-Ga2O3 laŭrande difinita filmo-nutrado ankaŭ antaŭenigas la dopadon de transiraj metalaj elementoj, ebligante la esploradon kaj preparadon de Ga2O3.
Figuro 3 β-Ga2O3 unuopa kristalo kreskigita per rand-difinita filmnutra metodo
1.3 Bridgeman-metodo
En la Bridgeman-metodo, kristaloj formiĝas en krisolo, kiu iom post iom moviĝas tra temperaturgradiento. La procezo povas esti plenumata horizontale aŭ vertikale, kutime uzante rotaciantan krisolon. Indas rimarki, ke ĉi tiu metodo povas uzi aŭ ne uzi kristalajn semojn. Tradiciaj Bridgman-funkciigistoj ne havas rektan bildigon de la fandaj kaj kristalaj kreskoprocezoj kaj devas kontroli temperaturojn kun alta precizeco. La vertikala Bridgman-metodo estas ĉefe uzata por la kresko de β-Ga2O3 kaj estas konata pro sia kapablo kreski en aera medio. Dum la vertikala Bridgman-metodo, la totala amasperdo de la fandita materialo kaj krisolo estas tenata sub 1%, ebligante la kreskon de grandaj β-Ga2O3 unuopaj kristaloj kun minimuma perdo.
Figuro 4 Unuopa kristalo de β-Ga2O3 kreskigita per la Bridgeman-metodo
1.4 Metodo de ŝveba zono
La metodo de la ŝveba zono solvas la problemon de kristala poluado per krisolmaterialoj kaj reduktas la altajn kostojn asociitajn kun alttemperatur-rezistaj infraruĝaj krisoloj. Dum ĉi tiu kreskoprocezo, la fandita materialo povas esti varmigita per lampo anstataŭ RF-fonto, tiel simpligante la postulojn por kreskoekipaĵo. Kvankam la formo kaj kristala kvalito de β-Ga2O3 kreskigita per la metodo de la ŝveba zono ankoraŭ ne estas optimumaj, ĉi tiu metodo malfermas promesplenan metodon por kreskigi altpurecan β-Ga2O3 en buĝet-amikajn unuopajn kristalojn.
Figuro 5 β-Ga2O3 unuopa kristalo kreskigita per la metodo de ŝveba zono.
Afiŝtempo: 30-a de majo 2024