Piikarbidin (SiC) ja galliumnitridin (GaN) edustamat leveän kaistanleveyden (WBG) puolijohteet ovat saaneet laajaa huomiota. Piikarbidin sovellusmahdollisuuksiin sähköajoneuvoissa ja sähköverkoissa sekä galliumnitridin sovellusmahdollisuuksiin pikalatauksessa on korkeat odotukset. Viime vuosina Ga2O3-, AlN- ja timanttimateriaalien tutkimus on edistynyt merkittävästi, ja erittäin leveän kaistanleveyden puolijohdemateriaalit ovat nousseet huomion keskipisteeksi. Näistä galliumoksidi (Ga2O3) on nouseva erittäin leveän kaistanleveyden puolijohdemateriaali, jonka energiaväli on 4,8 eV, teoreettinen kriittinen läpilyöntikentän voimakkuus noin 8 MV cm⁻¹, kyllästysnopeus noin 2E7cm s⁻¹ ja korkea Baliga-laatukerroin 3000. Se on saanut laajaa huomiota korkeajännitteisen ja korkeataajuisen tehoelektroniikan alalla.
1. Galliumoksidimateriaalin ominaisuudet
Ga2O3:lla on suuri energiaväli (4,8 eV), sen odotetaan saavuttavan sekä korkean jännitteenkeston että suuren tehonkeston, ja sillä voi olla potentiaalia korkeaan jännitteen sopeutumiskykyyn suhteellisen pienellä resistanssilla, mikä tekee siitä nykyisen tutkimuksen kohteen. Lisäksi Ga2O3:lla on paitsi erinomaiset materiaaliominaisuudet, myös se tarjoaa erilaisia helposti säädettäviä n-tyypin dopingtekniikoita sekä edullisia substraattien kasvatus- ja epitaksitekniikoita. Tähän mennessä Ga2O3:sta on löydetty viisi erilaista kidefaasia, mukaan lukien korundi (α), monokliininen (β), defektiivinen spinelli (γ), kuutiollinen (δ) ja ortorombinen (ɛ) faasi. Termodynaamiset stabiilisuudet ovat järjestyksessä γ, δ, α, ɛ ja β. On syytä huomata, että monokliininen β-Ga2O3 on stabiilein, erityisesti korkeissa lämpötiloissa, kun taas muut faasit ovat metastabiileja huoneenlämpötilan yläpuolella ja pyrkivät muuttumaan β-faasiksi tietyissä lämpöolosuhteissa. Siksi β-Ga2O3-pohjaisten laitteiden kehittämisestä on tullut viime vuosina merkittävä painopiste tehoelektroniikan alalla.
Taulukko 1 Joidenkin puolijohdemateriaalien parametrien vertailu
Monokliinisen β-Ga2O3:n kiderakenne on esitetty taulukossa 1. Sen hilaparametrit ovat a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å ja β = 103,8°. Yksikkösolu koostuu kiertyneen tetraedrisen koordinaation omaavista Ga(I)-atomista ja oktaedrisen koordinaation omaavista Ga(II)-atomista. Happiatomit ovat kolmessa eri järjestyksessä "kiertyneessä kuutiollisessa" rakenteessa, mukaan lukien kaksi kolmiomaisesti koordinoitua O(I)- ja O(II)-atomia ja yksi tetraedrisesti koordinoitu O(III)-atomi. Näiden kahden atomikoordinaatiotyypin yhdistelmä johtaa β-Ga2O3:n anisotropiaan, jolla on erityisominaisuuksia fysiikassa, kemiallisessa korroosiossa, optiikassa ja elektroniikassa.
Kuva 1 Monokliinisen β-Ga2O3-kiteen kaaviomainen rakennekaavio
Energiavyöhyketeorian näkökulmasta β-Ga2O3:n johtavuusvyöhykkeen minimiarvo johdetaan Ga-atomin 4s0-hybridiorbitaalia vastaavasta energiatilasta. Johtavuusvyöhykkeen minimiarvon ja tyhjiön energiatason (elektronin affiniteettienergian) välinen energiaero on 4 eV. β-Ga2O3:n efektiivinen elektronimassa on 0,28–0,33 me, ja sen elektronijohtavuus on suotuisa. Valenssivyöhykkeen maksimissa on kuitenkin matala Ek-käyrä, jolla on hyvin matala kaarevuus ja voimakkaasti lokalisoituneet O2p-orbitaalit, mikä viittaa siihen, että aukot ovat syvälle lokalisoituneita. Nämä ominaisuudet asettavat valtavan haasteen p-tyypin dopingin saavuttamiselle β-Ga2O3:ssa. Vaikka P-tyypin doping onnistuisi, aukon μ-arvo pysyy hyvin alhaisella tasolla. 2. Galliumoksidin yksittäiskiteen kasvatus Tähän mennessä β-Ga2O3-yksittäiskiteen kasvatusmenetelminä on käytetty pääasiassa kiteenvetomenetelmää, kuten Czochralski (CZ), reunarajoitettua ohutkalvosyöttömenetelmää (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman-teknologiaa (riittinen tai horisontaalinen Bridgman, HB tai VB) ja kelluvan vyöhykkeen teknologiaa (floating zone, FZ). Kaikista menetelmistä Czochralski- ja reunarajoitettujen ohutkalvosyöttömenetelmien odotetaan olevan lupaavimpia mahdollisuuksia β-Ga2O3-kiekkojen massatuotantoon tulevaisuudessa, koska ne voivat samanaikaisesti saavuttaa suuria tilavuuksia ja pieniä vikatiheyksiä. Tähän mennessä japanilainen Novel Crystal Technology on kehittänyt kaupallisen matriisin β-Ga2O3:n sulakasvatusta varten.
1.1 Czochralskin menetelmä
Czochralskin menetelmän periaate on, että siemenkerros peitetään ensin ja sitten yksittäinen kide vedetään hitaasti pois sulasta. Czochralskin menetelmä on yhä tärkeämpi β-Ga2O3:lle sen kustannustehokkuuden, suurten kokojen ja korkealaatuisen kiteen kasvun ansiosta. Ga2O3:n korkean lämpötilan kasvun aikana esiintyvän lämpörasituksen vuoksi yksittäiset kiteet ja sulamateriaalit haihtuvat sekä Ir-upokkaaseen muodostuu vaurioita. Tämä johtuu siitä, että Ga2O3:ssa on vaikea saavuttaa alhainen n-tyypin seostus. Sopivan happimäärän lisääminen kasvuatmosfääriin on yksi tapa ratkaista tämä ongelma. Optimoinnin avulla Czochralskin menetelmällä on onnistuneesti kasvatettu korkealaatuista 2 tuuman β-Ga2O3:a, jonka vapaiden elektronien pitoisuusalue on 10^16~10^19 cm-3 ja suurin elektronitiheys 160 cm2/Vs.
Kuva 2. Czochralskin menetelmällä kasvatettu β-Ga2O3:n yksittäiskide
1.2 Reunamääräinen kalvonsyöttömenetelmä
Reunarajainen ohutkalvosyöttömenetelmä on yksi suurimmista vaihtoehdoista laaja-alaisten Ga2O3-yksittäiskristallimateriaalien kaupallisessa tuotannossa. Menetelmän periaatteena on sijoittaa sula muottiin, jossa on kapillaarirako, ja sula nousee muottiin kapillaari-ilmiön avulla. Yläreunaan muodostuu ohut kalvo, joka leviää kaikkiin suuntiin siemenkiteen kiteytyessä. Lisäksi muotin yläreunoja voidaan ohjata kiteiden tuottamiseksi hiutaleina, putkina tai missä tahansa halutussa geometriassa. Ga2O3:n reunarajainen ohutkalvosyöttömenetelmä tarjoaa nopean kasvunopeuden ja suuret halkaisijat. Kuva 3 esittää kaavion β-Ga2O3-yksittäiskristallista. Lisäksi kokoluokituksen suhteen on kaupallistettu 2 tuuman ja 4 tuuman β-Ga2O3-substraatteja, joilla on erinomainen läpinäkyvyys ja tasaisuus, kun taas 6 tuuman substraattia on esitelty tutkimuksessa tulevaa kaupallistamista varten. Viime aikoina on tullut saataville myös suuria pyöreitä yksikiteisiä bulkkimateriaaleja, joilla on (−201)-orientaatio. Lisäksi β-Ga2O3:n reunamääritelty kalvonsyöttömenetelmä edistää siirtymämetallien seostusta, mikä mahdollistaa Ga2O3:n tutkimuksen ja valmistuksen.
Kuva 3. Reunamääräisellä kalvosyöttömenetelmällä kasvatettu β-Ga2O3-yksittäiskide
1.3 Bridgeman-menetelmä
Bridgeman-menetelmässä kiteet muodostetaan upokkaassa, jota liikutetaan vähitellen lämpötilagradientin läpi. Prosessi voidaan suorittaa vaakasuorassa tai pystysuorassa asennossa, yleensä käyttämällä pyörivää upokasta. On syytä huomata, että tässä menetelmässä ei välttämättä käytetä kidealkuaineita. Perinteisillä Bridgman-operaattoreilla ei ole suoraa visualisointia sulamis- ja kiteenkasvuprosesseista, ja heidän on hallittava lämpötiloja erittäin tarkasti. Vertikaalista Bridgman-menetelmää käytetään pääasiassa β-Ga2O3:n kasvatukseen, ja se tunnetaan kyvystään kasvaa ilmaympäristössä. Vertikaalisen Bridgman-menetelmän kasvatusprosessissa sulan ja upokkaan kokonaismassahävikki pidetään alle 1 prosentissa, mikä mahdollistaa suurten β-Ga2O3-yksittäiskiteiden kasvun minimaalisella häviöllä.
Kuva 4. Bridgeman-menetelmällä kasvatettu β-Ga2O3:n yksittäiskide
1.4 Kelluvan vyöhykkeen menetelmä
Kelluva vyöhykemenetelmä ratkaisee kiteiden kontaminaatio-ongelman upokasmateriaaleista ja vähentää korkeita lämpötiloja kestävien infrapunaupokkaiden korkeita kustannuksia. Tämän kasvatusprosessin aikana sulaa voidaan lämmittää lampulla radiotaajuuslähteen sijaan, mikä yksinkertaistaa kasvatuslaitteiden vaatimuksia. Vaikka kelluva vyöhykemenetelmällä kasvatetun β-Ga2O3:n muoto ja kiteiden laatu eivät ole vielä optimaaliset, tämä menetelmä avaa lupaavan menetelmän erittäin puhtaan β-Ga2O3:n kasvattamiseksi edullisiksi yksittäiskiteiksi.
Kuva 5. Kelluva vyöhykemenetelmällä kasvatettu β-Ga2O3-yksittäiskide.
Julkaisun aika: 30.5.2024