Los semiconductores de banda prohibida ancha (WBG), representados por el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN), han recibido una atención generalizada. Existen grandes expectativas sobre las aplicaciones del carburo de silicio en vehículos eléctricos y redes eléctricas, así como sobre las del nitruro de galio en la carga rápida. En los últimos años, la investigación sobre materiales como Ga2O3, AlN y diamante ha experimentado un progreso significativo, lo que ha convertido a los semiconductores de banda prohibida ultraancha en el centro de atención. Entre ellos, el óxido de galio (Ga2O3) es un semiconductor emergente de banda prohibida ultraancha con una banda prohibida de 4,8 eV, una rigidez dieléctrica crítica teórica de aproximadamente 8 MV cm-1, una velocidad de saturación de aproximadamente 2E7cm s-1 y un alto factor de calidad Baliga de 3000, lo que ha generado gran interés en el campo de la electrónica de potencia de alta tensión y alta frecuencia.
1. Características del material de óxido de galio
El Ga2O3 tiene una banda prohibida amplia (4,8 eV), se espera que alcance tanto una alta tensión de ruptura como capacidades de alta potencia, y puede tener el potencial de adaptarse a alta tensión con una resistencia relativamente baja, lo que lo convierte en el foco de la investigación actual. Además, el Ga2O3 no solo tiene excelentes propiedades materiales, sino que también proporciona una variedad de tecnologías de dopaje de tipo n fácilmente ajustables, así como tecnologías de crecimiento de sustrato y epitaxia de bajo costo. Hasta ahora, se han descubierto cinco fases cristalinas diferentes en el Ga2O3, incluidas las fases corindón (α), monoclínica (β), espinela defectuosa (γ), cúbica (δ) y ortorrómbica (ɛ). Las estabilidades termodinámicas son, en orden, γ, δ, α, ɛ y β. Cabe destacar que el β-Ga2O3 monoclínico es el más estable, especialmente a altas temperaturas, mientras que las otras fases son metaestables por encima de la temperatura ambiente y tienden a transformarse en la fase β bajo condiciones térmicas específicas. Por lo tanto, el desarrollo de dispositivos basados en β-Ga2O3 se ha convertido en un foco principal en el campo de la electrónica de potencia en los últimos años.
Tabla 1. Comparación de algunos parámetros de materiales semiconductores.
La estructura cristalina del β-Ga₂O₃ monoclínico se muestra en la Tabla 1. Sus parámetros de red incluyen a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å y β = 103,8°. La celda unitaria consta de átomos de Ga(I) con coordinación tetraédrica retorcida y átomos de Ga(II) con coordinación octaédrica. Existen tres disposiciones diferentes de átomos de oxígeno en la red cúbica retorcida, incluyendo dos átomos de O(I) y O(II) con coordinación triangular y un átomo de O(III) con coordinación tetraédrica. La combinación de estos dos tipos de coordinación atómica da lugar a la anisotropía del β-Ga₂O₃, con propiedades especiales en física, corrosión química, óptica y electrónica.
Figura 1. Diagrama estructural esquemático del cristal monoclínico β-Ga2O3.
Desde la perspectiva de la teoría de bandas de energía, el valor mínimo de la banda de conducción de β-Ga2O3 se deriva del estado de energía correspondiente al orbital híbrido 4s0 del átomo de Ga. La diferencia de energía entre el valor mínimo de la banda de conducción y el nivel de energía del vacío (energía de afinidad electrónica) se mide en 4 eV. La masa efectiva del electrón de β-Ga2O3 se mide en 0,28–0,33 me y su conductividad electrónica favorable. Sin embargo, el máximo de la banda de valencia exhibe una curva Ek poco profunda con una curvatura muy baja y orbitales O2p fuertemente localizados, lo que sugiere que los huecos están profundamente localizados. Estas características plantean un gran desafío para lograr el dopaje de tipo p en β-Ga2O3. Incluso si se puede lograr el dopaje de tipo P, la μ de los huecos permanece en un nivel muy bajo. 2. Crecimiento de monocristales de óxido de galio a granel Hasta ahora, el método de crecimiento de sustratos de monocristales a granel de β-Ga2O3 es principalmente el método de extracción de cristal, como Czochralski (CZ), método de alimentación de película delgada definida por borde (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (rtical u horizontal, HB o VB) y tecnología de zona flotante (floating zone, FZ). Entre todos los métodos, se espera que los métodos de Czochralski y de alimentación de película delgada definida por borde sean las vías más prometedoras para la producción en masa de obleas de β-Ga2O3 en el futuro, ya que pueden lograr simultáneamente grandes volúmenes y bajas densidades de defectos. Hasta ahora, Novel Crystal Technology de Japón ha logrado una matriz comercial para el crecimiento por fusión de β-Ga2O3.
1.1 Método de Czochralski
El principio del método Czochralski consiste en cubrir primero la capa semilla y luego extraer lentamente el monocristal del fundido. Este método es cada vez más importante para el β-Ga2O3 debido a su rentabilidad, capacidad para producir cristales de gran tamaño y alta calidad cristalina. Sin embargo, debido al estrés térmico durante el crecimiento a alta temperatura del Ga2O3, se produce la evaporación de monocristales y materiales fundidos, así como daños en el crisol de iridio. Esto se debe a la dificultad de lograr un dopaje de tipo n bajo en el Ga2O3. Introducir una cantidad adecuada de oxígeno en la atmósfera de crecimiento es una solución a este problema. Mediante la optimización, se ha logrado cultivar con éxito, mediante el método Czochralski, β-Ga2O3 de 2 pulgadas de alta calidad con un rango de concentración de electrones libres de 10¹⁶ a 10¹⁹ cm⁻³ y una densidad electrónica máxima de 160 cm²/Vs.
Figura 2. Monocristal de β-Ga2O3 cultivado mediante el método de Czochralski.
1.2 Método de alimentación de película definido por bordes
El método de alimentación de película delgada con bordes definidos se considera el principal candidato para la producción comercial de materiales monocristalinos de Ga2O3 de gran superficie. El principio de este método consiste en colocar el material fundido en un molde con una ranura capilar, y el material fundido asciende al molde por acción capilar. En la parte superior, se forma una película delgada que se extiende en todas direcciones, siendo inducida a cristalizar por el cristal semilla. Además, los bordes de la parte superior del molde se pueden controlar para producir cristales en forma de láminas, tubos o cualquier geometría deseada. El método de alimentación de película delgada con bordes definidos de Ga2O3 proporciona altas tasas de crecimiento y grandes diámetros. La Figura 3 muestra un diagrama de un monocristal de β-Ga2O3. Además, en términos de escala de tamaño, se han comercializado sustratos de β-Ga2O3 de 2 y 4 pulgadas con excelente transparencia y uniformidad, mientras que el sustrato de 6 pulgadas se encuentra en fase de investigación para su futura comercialización. Recientemente, también se han obtenido materiales masivos monocristalinos circulares de gran tamaño con orientación (−201). Además, el método de alimentación de película de β-Ga2O3 con bordes definidos también promueve el dopaje con elementos de metales de transición, lo que posibilita la investigación y preparación de Ga2O3.
Figura 3. Monocristal de β-Ga2O3 cultivado mediante el método de alimentación de película con bordes definidos.
1.3 Método Bridgeman
En el método Bridgman, los cristales se forman en un crisol que se mueve gradualmente a través de un gradiente de temperatura. El proceso puede realizarse en orientación horizontal o vertical, generalmente con un crisol giratorio. Cabe destacar que este método puede o no utilizar semillas de cristal. Los operadores tradicionales de Bridgman carecen de visualización directa de los procesos de fusión y crecimiento de cristales, y deben controlar las temperaturas con alta precisión. El método Bridgman vertical se utiliza principalmente para el crecimiento de β-Ga₂O₃ y se caracteriza por su capacidad para crecer en un ambiente de aire. Durante el proceso de crecimiento mediante el método Bridgman vertical, la pérdida de masa total del material fundido y del crisol se mantiene por debajo del 1%, lo que permite el crecimiento de grandes monocristales de β-Ga₂O₃ con una pérdida mínima.
Figura 4. Monocristal de β-Ga2O3 cultivado mediante el método de Bridgeman.
1.4 Método de zona flotante
El método de zona flotante resuelve el problema de la contaminación de los cristales por los materiales del crisol y reduce los altos costos asociados con los crisoles infrarrojos resistentes a altas temperaturas. Durante este proceso de crecimiento, el material fundido se puede calentar con una lámpara en lugar de una fuente de radiofrecuencia, lo que simplifica los requisitos del equipo de crecimiento. Si bien la forma y la calidad cristalina del β-Ga2O3 cultivado mediante el método de zona flotante aún no son óptimas, este método abre una vía prometedora para el crecimiento de β-Ga2O3 de alta pureza en monocristales económicos.
Figura 5. Monocristal de β-Ga2O3 cultivado mediante el método de zona flotante.
Fecha de publicación: 30 de mayo de 2024