Lai keelutsooniga (WBG) pooljuhid, mida esindavad ränikarbiid (SiC) ja galliumnitriid (GaN), on pälvinud laialdast tähelepanu. Inimestel on kõrged ootused ränikarbiidi rakendusvõimaluste osas elektriautodes ja elektrivõrkudes, samuti galliumnitriidi rakendusvõimaluste osas kiirlaadimises. Viimastel aastatel on Ga2O3, AlN ja teemantmaterjalide uuringud teinud märkimisväärseid edusamme, pannes ülilaia keelutsooniga pooljuhtmaterjalid tähelepanu keskpunkti. Nende hulgas on galliumoksiid (Ga2O3) esilekerkiv ülilaia keelutsooniga pooljuhtmaterjal, mille keelutsoon on 4,8 eV, teoreetiline kriitiline läbilöögivälja tugevus umbes 8 MV cm-1, küllastuskiirus umbes 2E7cm s-1 ja kõrge Baliga kvaliteeditegur 3000, mis on pälvinud laialdast tähelepanu kõrgepinge ja kõrgsagedusliku jõuelektroonika valdkonnas.
1. Galliumoksiidi materjali omadused
Ga2O3-l on suur keelutsoon (4,8 eV), eeldatavasti saavutab see nii kõrge taluvuspinge kui ka suure võimsuse ning võib omada potentsiaali kõrge pinge kohanemisvõime saavutamiseks suhteliselt madala takistuse juures, mis teeb sellest praeguse uurimistöö keskpunkti. Lisaks sellele on Ga2O3-l mitte ainult suurepärased materjali omadused, vaid see pakub ka mitmesuguseid hõlpsasti reguleeritavaid n-tüüpi dopeerimistehnoloogiaid, samuti odavaid substraatide kasvu ja epitaksia tehnoloogiaid. Seni on Ga2O3-s avastatud viis erinevat kristallfaasi, sealhulgas korund (α), monokliinne (β), defektne spinell (γ), kuubiline (δ) ja ortorombiline (ɛ) faas. Termodünaamilised stabiilsused on järjekorras γ, δ, α, ɛ ja β. Väärib märkimist, et monokliinne β-Ga2O3 on kõige stabiilsem, eriti kõrgetel temperatuuridel, samas kui teised faasid on metastabiilsed toatemperatuurist kõrgemal ja kipuvad teatud termilistes tingimustes muutuma β-faasiks. Seetõttu on β-Ga2O3-põhiste seadmete arendamine viimastel aastatel muutunud jõuelektroonika valdkonnas oluliseks fookuseks.
Tabel 1 Mõnede pooljuhtmaterjalide parameetrite võrdlus
Monokliinilise β-Ga2O3 kristallstruktuur on näidatud tabelis 1. Selle võre parameetrid on järgmised: a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å ja β = 103,8°. Ühikrak koosneb keerdunud tetraeedrilise koordinatsiooniga Ga(I) aatomitest ja oktaeedrilise koordinatsiooniga Ga(II) aatomitest. „Keerdunud kuubilises“ massiivis on hapnikuaatomitel kolm erinevat paigutust, sealhulgas kaks kolmnurkselt koordineeritud O(I) ja O(II) aatomit ning üks tetraeedriliselt koordineeritud O(III) aatom. Nende kahe aatomikoordinatsiooni tüübi kombinatsioon viib β-Ga2O3 anisotroopiani, millel on erilised omadused füüsikas, keemilises korrosioonis, optikas ja elektroonikas.
Joonis 1. Monokliinse β-Ga2O3 kristalli skemaatiline struktuuridiagramm
Energiatsoonide teooria seisukohast tuletatakse β-Ga2O3 juhtivustsooni minimaalne väärtus Ga aatomi 4s0 hübriidorbiidile vastavast energiaseisundist. Mõõdetakse juhtivustsooni minimaalse väärtuse ja vaakumi energiataseme (elektronide afiinsusenergia) vaheline energia erinevus. See on 4 eV. β-Ga2O3 efektiivne elektronmass on 0,28–0,33 me ja selle soodne elektronjuhtivus. Valentsustsooni maksimum näitab aga madalat Ek-kõverat, millel on väga madal kõverus ja tugevalt lokaliseeritud O2p orbitaalid, mis viitab sellele, et augud on sügavalt lokaliseeritud. Need omadused kujutavad endast suurt väljakutset p-tüüpi dopingu saavutamiseks β-Ga2O3-s. Isegi kui P-tüüpi doping on saavutatav, jääb augu μ väärtus väga madalale tasemele. 2. Galliumoksiidi monokristalli kasv Seni on β-Ga2O3 monokristalli substraadi kasvumeetoditeks olnud peamiselt kristallide tõmbamise meetod, näiteks Czochralski (CZ), servadega määratletud õhukese kile söötmise meetod (servadega määratletud kile söötmine, EFG), Bridgmani (ritiline või horisontaalne Bridgman, HB või VB) ja ujuvatsooni (ujuvatsoon, FZ) tehnoloogia. Kõigist meetoditest eeldatakse, et Czochralski ja servadega määratletud õhukese kile söötmise meetodid on tulevikus β-Ga2O3 vahvlite masstootmise kõige lootustandvamad teed, kuna need võimaldavad samaaegselt saavutada suuri mahtusid ja madalat defektide tihedust. Praeguseks on Jaapani Novel Crystal Technology realiseerinud kaubandusliku maatriksi β-Ga2O3 sulami kasvatamiseks.
1.1 Czochralski meetod
Czochralski meetodi põhimõte on, et esmalt kaetakse seemnekiht ja seejärel tõmmatakse monokristall aeglaselt sulamist välja. Czochralski meetod on β-Ga2O3 puhul üha olulisem oma kulutõhususe, suurte mõõtmete ja kõrge kristallikvaliteediga substraadi kasvu tõttu. Ga2O3 kõrgel temperatuuril kasvatamise ajal tekkiva termilise pinge tõttu toimub aga monokristallide ja sulamaterjalide aurustumine ning Ir-tiigli kahjustumine. See on tingitud raskustest saavutada Ga2O3-s madalat n-tüüpi legeerimist. Selle probleemi lahendamiseks on üks viis sobiva hapnikukoguse lisamine kasvuatmosfääri. Optimeerimise abil on Czochralski meetodil edukalt kasvatatud kvaliteetseid 2-tolliseid β-Ga2O3-sid vabade elektronide kontsentratsioonivahemikuga 10^16~10^19 cm-3 ja maksimaalse elektrontihedusega 160 cm2/Vs.
Joonis 2. Czochralski meetodil kasvatatud β-Ga2O3 monokristall
1.2 Äärega määratletud kile söötmise meetod
Servamääratletud õhukese kile söötmise meetodit peetakse suure pindalaga Ga2O3 monokristallmaterjalide kaubandusliku tootmise peamiseks pretendendiks. Selle meetodi põhimõte on asetada sula kapillaarse piluga vormi ja sula tõuseb kapillaarse toime abil vormi. Ülaosas moodustub õhuke kile, mis levib igas suunas, samal ajal kui seemnekristall seda kristalliseerib. Lisaks saab vormi ülaosa servi juhtida, et toota kristalle helvestena, torudena või mis tahes soovitud geomeetriaga. Ga2O3 servamääratletud õhukese kile söötmise meetod tagab kiire kasvukiiruse ja suured läbimõõdud. Joonis 3 näitab β-Ga2O3 monokristalli diagrammi. Lisaks on suurusskaala osas turustatud 2-tolliseid ja 4-tolliseid β-Ga2O3 substraate, millel on suurepärane läbipaistvus ja ühtlus, samas kui 6-tollist substraati demonstreeritakse uuringutes edasiseks turustamiseks. Hiljuti on saadaval ka suured ümmargused monokristallmaterjalid (−201) orientatsiooniga. Lisaks soodustab β-Ga2O3 servapõhine kile söötmise meetod ka siirdemetallide legeerimist, võimaldades Ga2O3 uurimist ja valmistamist.
Joonis 3. β-Ga2O3 monokristall, mida kasvatatakse servapõhise kile söötmise meetodil.
1.3 Bridgemani meetod
Bridgemani meetodis moodustatakse kristallid tiiglis, mida liigutatakse järk-järgult läbi temperatuurigradiendi. Protsessi saab läbi viia horisontaalselt või vertikaalselt, tavaliselt pöörleva tiigli abil. Tasub märkida, et see meetod võib kasutada või mitte kasutada kristalliseemneid. Traditsioonilistel Bridgmani operaatoritel puudub sulamis- ja kristallikasvuprotsesside otsene visualiseerimine ning nad peavad temperatuure suure täpsusega kontrollima. Vertikaalset Bridgmani meetodit kasutatakse peamiselt β-Ga2O3 kasvatamiseks ja see on tuntud oma võime poolest kasvada õhukeskkonnas. Vertikaalse Bridgmani meetodi kasvuprotsessi käigus hoitakse sulami ja tiigli kogumassi kadu alla 1%, mis võimaldab suurte β-Ga2O3 monokristallide kasvu minimaalse kaduga.
Joonis 4. Bridgemani meetodil kasvatatud β-Ga2O3 monokristall
1.4 Ujuva tsooni meetod
Ujuvvööndi meetod lahendab tiiglimaterjalide kristallide saastumise probleemi ja vähendab kõrge temperatuurikindlate infrapunatiiglitega seotud kõrgeid kulusid. Selle kasvuprotsessi ajal saab sulamit kuumutada lambiga, mitte raadiosagedusallikaga, lihtsustades seega kasvuseadmete nõudeid. Kuigi ujuvvööndi meetodil kasvatatud β-Ga2O3 kuju ja kristallide kvaliteet ei ole veel optimaalsed, avab see meetod paljulubava meetodi kõrge puhtusastmega β-Ga2O3 kasvatamiseks eelarvesõbralikeks monokristallideks.
Joonis 5. Ujuvvööndi meetodil kasvatatud β-Ga2O3 monokristall.
Postituse aeg: 30. mai 2024