Wide bandgap (WBG) healgelieders fertsjintwurdige troch silisiumkarbid (SiC) en galliumnitride (GaN) hawwe wiidferspraat omtinken krigen. Minsken hawwe hege ferwachtingen foar de tapassingsperspektiven fan silisiumkarbid yn elektryske auto's en stroomnetten, lykas de tapassingsperspektiven fan galliumnitride by snelladen. Yn 'e lêste jierren hat ûndersyk nei Ga2O3-, AlN- en diamantmaterialen wichtige foarútgong makke, wêrtroch't ultra-wide bandgap healgeliedermaterialen it fokus fan oandacht binne. Under harren is galliumokside (Ga2O3) in opkommend ultra-wide bandgap healgeliedermateriaal mei in bandgap fan 4,8 eV, in teoretyske krityske trochbraakfjildsterkte fan sawat 8 MV cm-1, in sêdingssnelheid fan sawat 2E7cm s-1, en in hege Baliga-kwaliteitsfaktor fan 3000, dat wiidferspraat omtinken krijt op it mêd fan hege spanning en hege frekwinsje krêftelektronika.
1. Eigenskippen fan galliumoksidemateriaal
Ga2O3 hat in grutte bandgap (4.8 eV), wurdt ferwachte sawol hege wjerstânspanning as hege fermogensmooglikheden te berikken, en kin de potinsje hawwe foar oanpassingsfermogen oan hege spanning by relatyf lege wjerstân, wêrtroch't se it fokus binne fan hjoeddeistich ûndersyk. Derneist hat Ga2O3 net allinich poerbêste materiaaleigenskippen, mar biedt ek in ferskaat oan maklik oanpasbere n-type dopingtechnologyen, lykas ek goedkeape substraatgroei- en epitaksytechnologyen. Oant no ta binne fiif ferskillende kristalfazen ûntdutsen yn Ga2O3, ynklusyf korund (α), monokline (β), defekte spinel (γ), kubyske (δ) en orthorhombyske (ɛ) fazen. Termodynamyske stabiliteiten binne, yn folchoarder, γ, δ, α, ɛ, en β. It is it neamen wurdich dat monokline β-Ga2O3 it meast stabile is, foaral by hege temperatueren, wylst oare fazen metastabyl binne boppe keamertemperatuer en de neiging hawwe om te transformearjen yn 'e β-faze ûnder spesifike termyske omstannichheden. Dêrom is de ûntwikkeling fan apparaten op basis fan β-Ga2O3 de lêste jierren in wichtich fokus wurden op it mêd fan krêftelektronika.
Tabel 1 Ferliking fan guon parameters fan healgeleidermateriaal
De kristalstruktuer fan monoklinysk β-Ga2O3 wurdt werjûn yn Tabel 1. De roosterparameters omfetsje a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, en β = 103.8°. De ienheidsel bestiet út Ga(I)-atomen mei ferdraaide tetraëdryske koördinaasje en Ga(II)-atomen mei oktaëdryske koördinaasje. Der binne trije ferskillende rangskikkingen fan soerstofatomen yn 'e "ferdraaide kubike" array, ynklusyf twa trijehoekich koördinearre O(I)- en O(II)-atomen en ien tetraëdrysk koördinearre O(III)-atoom. De kombinaasje fan dizze twa soarten atoomkoördinaasje liedt ta de anisotropie fan β-Ga2O3 mei spesjale eigenskippen yn natuerkunde, gemyske korrosje, optyk en elektroanika.
Figuer 1 Skematysk struktureel diagram fan monoklinyske β-Ga2O3 kristal
Fanút it perspektyf fan enerzjybânteory wurdt de minimale wearde fan 'e geliedingsbân fan β-Ga2O3 ôflaat fan 'e enerzjytastân dy't oerienkomt mei de 4s0 hybride baan fan it Ga-atoom. It enerzjyferskil tusken de minimale wearde fan 'e geliedingsbân en it fakuüm-enerzjynivo (elektronaffiniteitsenerzjy) wurdt metten. is 4 eV. De effektive elektronmassa fan β-Ga2O3 wurdt metten as 0.28–0.33 me en syn geunstige elektroanyske geliedingsfermogen. It maksimum fan 'e valensbân toant lykwols in ûndjippe Ek-kromme mei in heul lege kromming en sterk lokalisearre O2p-orbitalen, wat suggerearret dat de gatten djip lokalisearre binne. Dizze skaaimerken foarmje in enoarme útdaging om p-type doping te berikken yn β-Ga2O3. Sels as P-type doping berikt wurde kin, bliuwt it gat μ op in heul leech nivo. 2. Groei fan bulk galliumokside ienkristal Oant no ta is de groeimetoade fan β-Ga2O3 bulk ienkristalsubstraat benammen de kristallûkmetoade, lykas Czochralski (CZ), râne-definiearre tinne-filmfiedingmetoade (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (rtikle of horizontale Bridgman, HB of VB) en driuwende sône (floating zone, FZ) technology. Fan alle metoaden wurde ferwachte dat Czochralski en râne-definiearre tinne-filmfiedingmetoaden de meast belofte wegen sille wêze foar massaproduksje fan β-Ga2O3-wafers yn 'e takomst, om't se tagelyk grutte folumes en lege defektdichtheden kinne berikke. Oant no ta hat it Japanske Novel Crystal Technology in kommersjele matrix realisearre foar smeltegroei β-Ga2O3.
1.1 Czochralski-metoade
It prinsipe fan 'e Czochralski-metoade is dat earst de siedlaach bedekt wurdt, en dan wurdt it ienkele kristal stadich út 'e smelt lutsen. De Czochralski-metoade wurdt hieltyd wichtiger foar β-Ga2O3 fanwegen syn kosten-effektiviteit, grutte mooglikheden en substraatgroei fan hege kristalkwaliteit. Fanwegen termyske stress tidens de groei fan Ga2O3 by hege temperatuer sil der lykwols ferdamping fan ienkele kristallen, smeltmaterialen en skea oan 'e Ir-kroes foarkomme. Dit is in gefolch fan 'e muoite om lege n-type doping yn Ga2O3 te berikken. It yntrodusearjen fan in passende hoemannichte soerstof yn 'e groeiatmosfear is ien manier om dit probleem op te lossen. Troch optimalisaasje is β-Ga2O3 fan hege kwaliteit fan 2 inch mei in frije elektronkonsintraasjeberik fan 10^16~10^19 cm-3 en in maksimale elektrondichtheid fan 160 cm2/Vs mei súkses groeid mei de Czochralski-metoade.
Figuer 2 Ienkristal fan β-Ga2O3 groeid mei de Czochralski-metoade
1.2 Râne-definiearre filmfeedmetoade
De râne-definiearre tinne-film-fiedingmetoade wurdt beskôge as de liedende kandidaat foar de kommersjele produksje fan Ga2O3 ienkristalmaterialen mei in grut oerflak. It prinsipe fan dizze metoade is om de smelt yn in mal mei in kapillêre spleet te pleatsen, en de smelt komt troch kapillêre aksje nei de mal. Oan 'e boppekant foarmet in tinne film dy't him yn alle rjochtingen ferspriedt, wylst it troch it siedkristal oantrún wurdt om te kristallisearjen. Derneist kinne de rânen fan 'e maltop kontroleare wurde om kristallen te produsearjen yn flakes, buizen, of elke winske geometry. De râne-definiearre tinne-film-fiedingmetoade fan Ga2O3 soarget foar rappe groeisnelheden en grutte diameters. Figuer 3 lit in diagram sjen fan in β-Ga2O3 ienkristal. Derneist binne, yn termen fan grutteskaal, 2-inch en 4-inch β-Ga2O3-substraten mei poerbêste transparânsje en uniformiteit kommersjalisearre, wylst it 6-inch substraat yn ûndersyk demonstrearre is foar takomstige kommersjalisaasje. Koartlyn binne ek grutte sirkelfoarmige ienkristal bulkmaterialen beskikber wurden mei (−201) oriïntaasje. Derneist befoarderet de β-Ga2O3 râne-definiearre filmfiedingmetoade ek de doping fan oergongsmetaaleleminten, wêrtroch it ûndersyk nei en de tarieding fan Ga2O3 mooglik wurdt.
Figuer 3 β-Ga2O3 ienkristal groeid troch râne-definiearre filmfiedingmetoade
1.3 Bridgeman-metoade
Yn 'e Bridgeman-metoade wurde kristallen foarme yn in kroes dy't stadichoan troch in temperatuergradiënt beweecht wurdt. It proses kin útfierd wurde yn in horizontale of fertikale oriïntaasje, meastentiids mei in rotearjende kroes. It is it neamen wurdich dat dizze metoade kristalsieden wol of net brûke kin. Tradisjonele Bridgman-operators hawwe gjin direkte fisualisaasje fan 'e smelt- en kristalgroeiprosessen en moatte temperatueren mei hege presyzje kontrolearje. De fertikale Bridgman-metoade wurdt benammen brûkt foar de groei fan β-Ga2O3 en is bekend om syn fermogen om te groeien yn in loftomjouwing. Tidens it fertikale groeiproses fan 'e Bridgman-metoade wurdt it totale massaferlies fan 'e smelt en kroes ûnder 1% hâlden, wêrtroch't grutte β-Ga2O3 ienkristallen mei minimaal ferlies groeie kinne.
Figuer 4 Ienkristal fan β-Ga2O3 groeid mei de Bridgeman-metoade
1.4 Drijvende sônemetoade
De driuwende sône-metoade lost it probleem fan kristalfersmoarging troch kroesmaterialen op en ferminderet de hege kosten dy't ferbûn binne mei hege temperatuerbestindige ynfrareadkroezen. Tidens dit groeiproses kin de smelt ferwaarme wurde troch in lampe ynstee fan in RF-boarne, wêrtroch't de easken foar groeiapparatuer ferienfâldige wurde. Hoewol de foarm en kristalkwaliteit fan β-Ga2O3 dy't groeid is mei de driuwende sône-metoade noch net optimaal binne, iepenet dizze metoade in beloftefolle metoade foar it groeien fan β-Ga2O3 mei hege suverens ta budzjetfreonlike ienkristallen.
Figuer 5 β-Ga2O3 ienkristal groeid mei de driuwende sônemetoade.
Pleatsingstiid: 30 maaie 2024