Los semiconductores de banda prohibida ancha (WBG), representados por el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN), han recibido una gran atención. Se tienen grandes expectativas sobre las posibilidades de aplicación 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 de Ga₂O₃, AlN y diamante ha avanzado significativamente, convirtiendo a los materiales semiconductores de banda prohibida ultra ancha en el foco de atención. Entre ellos, el óxido de galio (Ga₂O₃) es un material semiconductor emergente de banda prohibida ultra ancha con una banda prohibida de 4,8 eV, una intensidad de campo crítico teórico de ruptura de aproximadamente 8 MV cm⁻¹, una velocidad de saturación de aproximadamente 2E7 cm s⁻¹ y un alto factor de calidad de Baliga de 3000, que recibe una amplia atención 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 gran banda prohibida (4,8 eV), se espera que alcance capacidades tanto de alta tensión no disruptiva como de alta potencia, y puede tener el potencial de adaptabilidad 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 coste. Hasta ahora, se han descubierto cinco fases cristalinas diferentes en el Ga2O3, incluyendo las fases de 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 otras fases son metaestables por encima de la temperatura ambiente y tienden a transformarse en la fase β en condiciones térmicas específicas. Por lo tanto, el desarrollo de dispositivos basados en β-Ga2O3 se ha convertido en un foco importante 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 reticulares incluyen a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å y β = 103,8°. La celda unitaria está compuesta por 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 matriz "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 produce 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 a la órbita híbrida 4s0 del átomo de Ga. Se mide la diferencia de energía entre el valor mínimo de la banda de conducción y el nivel de energía de vacío (energía de afinidad electrónica). es de 4 eV. La masa electrónica efectiva de β-Ga2O3 se mide como 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, el hueco μ permanece en un nivel muy bajo. 2. Crecimiento de monocristal de óxido de galio a granel Hasta ahora, el método de crecimiento del sustrato monocristalino a granel de β-Ga2O3 es principalmente el método de tracción de cristales, como Czochralski (CZ), el método de alimentación de película delgada de borde definido (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (Bridgman vertical u horizontal, HB o VB) y la tecnología de zona flotante (floating zone, FZ). Entre todos los métodos, se espera que Czochralski y los métodos de alimentación de película delgada de borde definido sean las vías más prometedoras para la producción en masa de obleas de β-Ga 2O3 en el futuro, ya que pueden lograr simultáneamente grandes volúmenes y bajas densidades de defectos. Hasta ahora, Novel Crystal Technology de Japón ha realizado una matriz comercial para el crecimiento de β-Ga2O3 en estado fundido.
1.1 Método de Czochralski
El principio del método Czochralski consiste en cubrir primero la capa de semilla y, a continuación, extraer lentamente el monocristal de la masa fundida. Este método cobra cada vez mayor importancia para el β-Ga₂O₃ debido a su rentabilidad, su gran capacidad de tamaño y la alta calidad del sustrato cristalino. Sin embargo, debido al estrés térmico durante el crecimiento a alta temperatura del Ga₂O₃, se produce la evaporación de los monocristales y los materiales fundidos, lo que daña el crisol de Ir. Esto se debe a la dificultad de lograr un bajo nivel de dopaje de tipo n en el Ga₂O₃. Introducir una cantidad adecuada de oxígeno en la atmósfera de crecimiento es una solución. Mediante optimización, se ha logrado el crecimiento exitoso de β-Ga₂O₃ de 2 pulgadas de alta calidad con un rango de concentración de electrones libres de 10⁻¹⁴~10⁻¹⁴ cm⁻¹ y una densidad electrónica máxima de 160 cm⁻²/V⁻¹.
Figura 2 Cristal único de β-Ga2O3 cultivado mediante el método Czochralski
1.2 Método de alimentación de película con bordes definidos
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 área. El principio de este método consiste en colocar la masa fundida en un molde con una ranura capilar, y la masa fundida asciende al molde por capilaridad. En la parte superior, se forma una película delgada que se extiende en todas direcciones mientras el cristal semilla la induce a cristalizar. Además, los bordes de la parte superior del molde se pueden controlar para producir cristales en escamas, tubos o cualquier geometría deseada. El método de alimentación de película delgada con bordes definidos de Ga₂O₃ proporciona rápidas tasas de crecimiento y grandes diámetros. La Figura 3 muestra un diagrama de un monocristal de β-Ga₂O₃. Además, en cuanto a la 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 comercializado materiales monocristalinos circulares de gran tamaño con orientación (−20₁). Además, el método de alimentación de película de bordes definidos de β-Ga2O3 también promueve el dopaje de elementos metálicos de transición, lo que hace posible la investigación y preparación de Ga2O3.
Figura 3. Cristal único de β-Ga2O3 cultivado mediante el método de alimentación de película con bordes definidos.
1.3 Método de Bridgeman
En el método Bridgeman, 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 utilizando un crisol giratorio. Cabe destacar que este método puede o no utilizar semillas de cristales. Los operadores tradicionales del método Bridgman carecen de visualización directa de los procesos de fusión y crecimiento de los cristales, y deben controlar las temperaturas con alta precisión. El método Bridgman vertical se utiliza principalmente para el crecimiento de β-Ga₂O₃ y es conocido por su capacidad de crecimiento en un ambiente de aire. Durante el proceso de crecimiento del método Bridgman vertical, la pérdida total de masa 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 Cristal único de β-Ga2O3 cultivado mediante el método Bridgeman
1.4 Método de zona flotante
El método de zona flotante soluciona 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, la masa fundida puede calentarse con una lámpara en lugar de una fuente de radiofrecuencia, simplificando así 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 ofrece un método prometedor 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.
Hora de publicación: 30 de mayo de 2024