Silizio karburoak (SiC) eta galio nitruroak (GaN) ordezkatutako banda-tarte zabaleko (WBG) erdieroaleek arreta handia jaso dute. Jendeak itxaropen handiak ditu silizio karburoak ibilgailu elektrikoetan eta sare elektrikoetan dituen aplikazio-aukerei buruz, baita galio nitruroak karga azkarrean dituen aplikazio-aukerei buruz ere. Azken urteotan, Ga2O3, AlN eta diamante materialen inguruko ikerketak aurrerapen handiak egin ditu, banda-tarte ultra-zabaleko erdieroale materialak arretaren erdigune bihurtuz. Horien artean, galio oxidoa (Ga2O3) banda-tarte ultra-zabaleko erdieroale material emergentea da, 4,8 eV-ko banda-tartea, 8 MV cm-1 inguruko haustura-eremu kritiko teorikoa, 2E7 cm s-1 inguruko saturazio-abiadura eta 3000ko Baliga kalitate-faktore altua dituena, eta arreta handia jasotzen ari da tentsio handiko eta maiztasun handiko potentzia-elektronikaren arloan.
1. Galio oxidoaren materialen ezaugarriak
Ga2O3-k banda-tarte handia du (4,8 eV), tentsio-iraunkortasun handia eta potentzia handiko gaitasunak lortzea espero da, eta tentsio-egokitze handiko potentziala izan dezake erresistentzia nahiko baxuan, egungo ikerketaren ardatz bihurtuz. Horrez gain, Ga2O3-k material-propietate bikainak izateaz gain, erraz doi daitezkeen n motako dopatze-teknologia ugari ere eskaintzen ditu, baita substratuen hazkuntza eta epitaxia-teknologia merkeak ere. Orain arte, bost kristal-fase desberdin aurkitu dira Ga2O3-n, besteak beste, korindoia (α), monoklinikoa (β), espinela akastuna (γ), kubikoa (δ) eta ortorronbikoa (ɛ) faseak. Egonkortasun termodinamikoak, hurrenez hurren, γ, δ, α, ɛ eta β dira. Aipatzekoa da β-Ga2O3 monoklinikoa dela egonkorrena, batez ere tenperatura altuetan, beste fase batzuk giro-tenperaturatik gora metaegonkorrak diren bitartean eta β fasera eraldatzeko joera dutela baldintza termiko espezifikoetan. Beraz, β-Ga2O3-n oinarritutako gailuen garapena potentzia elektronikaren arloan arreta nagusia bihurtu da azken urteotan.
1. taula Material erdieroale batzuen parametroen konparaketa
β-Ga2O3 monoklinikoaren kristal-egitura 1. taulan ageri da. Bere sare-parametroen artean daude a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å eta β = 103,8°. Unitate-zelula Ga(I) atomoek osatzen dute, koordinazio tetraedriko bihurritua dutenak, eta koordinazio oktaedrikoa dutenak. Oxigeno atomoen hiru antolamendu desberdin daude "kubiko bihurritua" multzoan, besteak beste, bi O(I) eta O(II) atomo triangeluarki koordinatu eta O(III) atomo tetraedrikoki koordinatu bat. Bi koordinazio atomiko mota hauen konbinazioak β-Ga2O3-ren anisotropia sortzen du, fisikan, korrosio kimikoan, optikan eta elektronikan propietate bereziak dituena.
1. irudia β-Ga2O3 kristal monoklinikoaren egitura-diagrama eskematikoa
Energia-bandaren teoriaren ikuspuntutik, β-Ga2O3-ren eroapen-bandaren balio minimoa Ga atomoaren 4s0 orbita hibridoari dagokion energia-egoeratik eratorria da. Eroapen-bandaren balio minimoaren eta hutseko energia-mailaren (afinitate elektronikoaren energia) arteko energia-diferentzia neurtzen da. 4 eV da. β-Ga2O3-ren elektroi-masa eraginkorra 0,28–0,33 me-koa da eta bere eroankortasun elektroniko faboragarria da. Hala ere, balentzia-bandaren maximoak Ek kurba azalekoa du, kurbadura oso txikiarekin eta O2p orbitalen lokalizazio sendoarekin, zuloak sakon lokalizatuta daudela iradokiz. Ezaugarri hauek erronka handia dira β-Ga2O3-n p motako dopaketa lortzeko. P motako dopaketa lortu badaiteke ere, μ zuloa maila oso baxuan mantentzen da. 2. Galio oxidozko kristal bakarreko hazkuntza Orain arte, β-Ga2O3 kristal bakarreko substratuaren hazkuntza-metodoa batez ere kristala tiratzeko metodoa da, hala nola Czochralski (CZ), ertz-definitutako film meheko elikadura-metodoa (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (Bridgman bertikala edo horizontala, HB edo VB) eta eremu flotatzaileko teknologia (floating zone, FZ). Metodo guztien artean, Czochralski eta ertz-definitutako film meheko elikadura-metodoak etorkizunean β-Ga2O3 obleak ekoizteko biderik itxaropentsuenak izango direla espero da, bolumen handiak eta akats-dentsitate baxuak aldi berean lor ditzaketelako. Orain arte, Japoniako Novel Crystal Technology-k β-Ga2O3 urtutako hazkuntzarako matrize komertzial bat lortu du.
1.1 Czochralski metodoa
Czochralski metodoaren printzipioa da lehenik hazi-geruza estaltzen dela, eta ondoren kristal bakarra poliki-poliki ateratzen dela urtutako materialetik. Czochralski metodoa gero eta garrantzitsuagoa da β-Ga2O3-rentzat, kostu-eraginkortasunagatik, tamaina handiko gaitasunengatik eta kristal-kalitate handiko substratuaren hazkuntzagatik. Hala ere, Ga2O3-ren tenperatura altuko hazkuntzan zehar gertatzen den estres termikoagatik, kristal bakarreko materialak lurruntzea, urtutako materialak eta Ir gurutzadura kaltetzea gertatuko dira. Hau Ga2O3-n n motako dopaketa baxua lortzeko zailtasunaren ondorioz gertatzen da. Oxigeno kopuru egokia hazkuntza-atmosferan sartzea arazo hau konpontzeko modu bat da. Optimizazioaren bidez, 2 hazbeteko β-Ga2O3 kalitate handikoa, 10^16~10^19 cm-3-ko elektroi askeen kontzentrazio-tartearekin eta 160 cm2/Vs-ko elektroi-dentsitate maximoarekin, Czochralski metodoaren bidez arrakastaz hazi da.
2. irudia β-Ga2O3-ren kristal bakarra Czochralski metodoaren bidez hazitakoa
1.2 Ertz-definitutako filmaren elikatze-metodoa
Ertz-definitutako film mehearen elikatze-metodoa Ga2O3 kristal bakarreko materialen azalera handiko ekoizpen komertzialerako lehiakide nagusitzat hartzen da. Metodo honen printzipioa urtutako materiala kapilar-zirrikitu bat duen molde batean jartzea da, eta urtutako materiala moldera igotzen da kapilar-ekintzaren bidez. Goialdean, film mehe bat sortzen da eta norabide guztietan hedatzen da hazi-kristalak kristalizatzen duen bitartean. Gainera, moldearen goiko ertzak kontrola daitezke kristalak malutetan, hodietan edo nahi den edozein geometriatan sortzeko. Ga2O3-ren ertz-definitutako film mehearen elikatze-metodoak hazkunde-tasa azkarrak eta diametro handiak eskaintzen ditu. 3. irudiak β-Ga2O3 kristal bakarreko baten diagrama erakusten du. Horrez gain, tamaina-eskalari dagokionez, 2 hazbeteko eta 4 hazbeteko β-Ga2O3 substratuak merkaturatu dira, gardentasun eta uniformetasun bikainarekin, eta 6 hazbeteko substratua etorkizuneko merkaturatzeko ikerketetan frogatu da. Duela gutxi, (-201) orientazioarekin kristal bakarreko material zirkular handiak ere eskuragarri daude. Gainera, β-Ga2O3 ertz-definitutako filmaren elikatze-metodoak trantsizio-metalezko elementuen dopaketa ere sustatzen du, Ga2O3-ren ikerketa eta prestaketa posible eginez.
3. irudia Ertz-definitutako film-elikadura metodoaren bidez hazitako β-Ga2O3 kristal bakarra
1.3 Bridgeman metodoa
Bridgeman metodoan, kristalak tenperatura-gradiente batean zehar pixkanaka mugitzen den gurutze batean eratzen dira. Prozesua orientazio horizontalean edo bertikalean egin daiteke, normalean biraka ari den gurutze bat erabiliz. Kontuan izan behar da metodo honek kristal-haziak erabil ditzakeela edo ez. Bridgman operadore tradizionalek ez dute urtze- eta kristal-hazkunde-prozesuen bistaratzea zuzena eta tenperaturak zehaztasun handiz kontrolatu behar dituzte. Bridgman metodo bertikala batez ere β-Ga2O3-ren hazkuntzarako erabiltzen da eta aire-ingurune batean hazteko duen gaitasunagatik da ezaguna. Bridgman metodo bertikalaren hazkuntza-prozesuan, urtutako materialaren eta gurutze-materialaren masa-galera osoa % 1etik behera mantentzen da, β-Ga2O3 kristal bakarreko handiak galera minimoarekin haztea ahalbidetuz.
4. irudia Bridgeman metodoaren bidez hazitako β-Ga2O3 kristal bakarra
1.4 Eremu flotagarriaren metodoa
Eremu flotagarriaren metodoak gurutz-materialek kristalen kutsaduraren arazoa konpontzen du eta tenperatura altuko infragorri erresistenteak diren gurutz-materialekin lotutako kostu handiak murrizten ditu. Hazkuntza-prozesu honetan, urtutako materiala RF iturri baten ordez lanpara batekin berotu daiteke, eta horrela hazkuntza-ekipoen eskakizunak sinplifikatu egiten dira. Eremu flotagarriaren metodoaren bidez hazitako β-Ga2O3-ren forma eta kristal-kalitatea oraindik ez diren arren optimoak, metodo honek metodo itxaropentsu bat irekitzen du β-Ga2O3 purutasun handiko kristal bakarreko kostu txikietan hazteko.
5. irudia: β-Ga2O3 kristal bakarra, eremu flotatzailearen metodoaren bidez hazitakoa.
Argitaratze data: 2024ko maiatzaren 30a