Os semicondutores de banda ancha (WBG), representados polo carburo de silicio (SiC) e o nitruro de galio (GaN), recibiron unha atención xeneralizada. A xente ten grandes expectativas sobre as perspectivas de aplicación do carburo de silicio en vehículos eléctricos e redes eléctricas, así como sobre as perspectivas de aplicación do nitruro de galio na carga rápida. Nos últimos anos, a investigación sobre Ga2O3, AlN e materiais de diamante fixo progresos significativos, convertendo os materiais semicondutores de banda ancha ultra-brecha no foco de atención. Entre eles, o óxido de galio (Ga2O3) é un material semicondutor emerxente de banda ancha ultra-brecha cunha banda brecha de 4,8 eV, unha intensidade de campo de ruptura crítica teórica duns 8 MV cm-1, unha velocidade de saturación duns 2E7 cm s-1 e un factor de calidade Baliga alto de 3000, que recibe unha atención xeneralizada no campo da electrónica de potencia de alta tensión e alta frecuencia.
1. Características do material de óxido de galio
O Ga2O3 ten unha banda prohibida grande (4,8 eV), espérase que alcance unha alta tensión de resistencia e unha alta potencia, e pode ter o potencial de adaptabilidade a alta tensión a unha resistencia relativamente baixa, o que o converte no foco da investigación actual. Ademais, o Ga2O3 non só ten excelentes propiedades materiais, senón que tamén proporciona unha variedade de tecnoloxías de dopaxe de tipo n facilmente axustables, así como tecnoloxías de crecemento de substratos e epitaxia de baixo custo. Ata o de agora, descubríronse cinco fases cristalinas diferentes en Ga2O3, incluíndo fases de corindón (α), monoclínica (β), espinela defectuosa (γ), cúbica (δ) e ortorrómbica (ɛ). As estabilidades termodinámicas son, por orde, γ, δ, α, ɛ e β. Cómpre sinalar que o β-Ga2O3 monoclínico é o máis estable, especialmente a altas temperaturas, mentres que outras fases son metaestables por riba da temperatura ambiente e tenden a transformarse na fase β en condicións térmicas específicas. Polo tanto, o desenvolvemento de dispositivos baseados en β-Ga2O3 converteuse nun foco importante no campo da electrónica de potencia nos últimos anos.
Táboa 1 Comparación dalgúns parámetros de materiais semicondutores
A estrutura cristalina do β-Ga2O3 monoclínico móstrase na Táboa 1. Os seus parámetros de rede inclúen a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å e β = 103,8°. A cela unitaria consta de átomos de Ga(I) con coordinación tetraédrica retorcida e átomos de Ga(II) con coordinación octaédrica. Hai tres disposicións diferentes de átomos de osíxeno na matriz "cúbica retorcida", incluíndo dous átomos de O(I) e O(II) coordinados triangularmente e un átomo de O(III) coordinado tetraedricamente. A combinación destes dous tipos de coordinación atómica leva á anisotropía do β-Ga2O3 con propiedades especiais en física, corrosión química, óptica e electrónica.
Figura 1 Diagrama estrutural esquemático dun cristal monoclínico de β-Ga2O3
Desde a perspectiva da teoría da banda de enerxía, o valor mínimo da banda de condución do β-Ga2O3 derívase do estado de enerxía correspondente á órbita híbrida 4s0 do átomo de Ga. Mídese a diferenza de enerxía entre o valor mínimo da banda de condución e o nivel de enerxía do baleiro (enerxía de afinidade electrónica) de 4 eV. A masa efectiva do electrón do β-Ga2O3 mídese como 0,28–0,33 me e a súa condutividade electrónica é favorable. Non obstante, o máximo da banda de valencia presenta unha curva Ek superficial con curvatura moi baixa e orbitais O2p fortemente localizados, o que suxire que os buratos están profundamente localizados. Estas características supoñen un gran desafío para lograr o dopaxe de tipo p en β-Ga2O3. Mesmo se se pode lograr o dopaxe de tipo P, o burato μ permanece a un nivel moi baixo. 2. Crecemento de monocristais de óxido de galio a granel Ata o de agora, o método de crecemento do substrato de monocristal a granel de β-Ga2O3 é principalmente o método de tracción de cristais, como Czochralski (CZ), o método de alimentación de película fina definida por bordos (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (Bridgman vertical ou horizontal, HB ou VB) e a tecnoloxía de zona flotante (zona flotante, FZ). Entre todos os métodos, espérase que os métodos de alimentación de película fina definida por bordos sexan as vías máis prometedoras para a produción en masa de obleas de β-Ga2O3 no futuro, xa que poden acadar simultaneamente grandes volumes e baixas densidades de defectos. Ata o de agora, Novel Crystal Technology do Xapón conseguiu unha matriz comercial para o crecemento de β-Ga2O3 en estado fundido.
1.1 Método de Czochralski
O principio do método de Czochralski é que primeiro se cobre a capa de semente e, a continuación, o monocristal extráese lentamente da masa fundida. O método de Czochralski é cada vez máis importante para o β-Ga2O3 debido á súa rendibilidade, ás súas grandes capacidades de tamaño e ao crecemento do substrato de alta calidade cristalina. Non obstante, debido á tensión térmica durante o crecemento a alta temperatura do Ga2O3, producirase a evaporación dos monocristais, dos materiais fundidos e danos no crisol de Ir. Isto débese á dificultade para conseguir un baixo dopaxe de tipo n no Ga2O3. Introducir unha cantidade axeitada de osíxeno na atmosfera de crecemento é unha forma de resolver este problema. Mediante a optimización, cultivouse con éxito β-Ga2O3 de 2 polgadas de alta calidade cun rango de concentración de electróns libres de 10^16~10^19 cm-3 e unha densidade máxima de electróns de 160 cm2/Vs mediante o método de Czochralski.
Figura 2 Monocristal de β-Ga2O3 cultivado polo método de Czochralski
1.2 Método de alimentación de película definida por bordos
O método de alimentación de película fina definida por bordos considérase o principal candidato para a produción comercial de materiais monocristalinos de Ga2O3 de gran área. O principio deste método é colocar a masa fundida nun molde cunha fenda capilar, e a masa fundida ascende ao molde mediante a acción capilar. Na parte superior, fórmase unha película fina que se estende en todas as direccións mentres o cristal semente induce a cristalizar. Ademais, os bordos da parte superior do molde pódense controlar para producir cristais en escamas, tubos ou calquera xeometría desexada. O método de alimentación de película fina definida por bordos de Ga2O3 proporciona taxas de crecemento rápidas e grandes diámetros. A figura 3 mostra un diagrama dun monocristal de β-Ga2O3. Ademais, en termos de escala de tamaño, comercializáronse substratos de β-Ga2O3 de 2 e 4 polgadas con excelente transparencia e uniformidade, mentres que o substrato de 6 polgadas demostrouse na investigación para a súa futura comercialización. Recentemente, tamén estiveron dispoñibles materiais a granel monocristalinos circulares grandes con orientación (-201). Ademais, o método de alimentación de películas definidas por bordos de β-Ga2O3 tamén promove o dopado de elementos de metais de transición, o que fai posible a investigación e a preparación de Ga2O3.
Figura 3 Monocristal de β-Ga2O3 cultivado mediante o método de alimentación de película definida por bordos
1.3 Método de Bridgeman
No método Bridgeman, os cristais fórmanse nun crisol que se move gradualmente a través dun gradiente de temperatura. O proceso pódese realizar en orientación horizontal ou vertical, normalmente usando un crisol rotatorio. Cómpre sinalar que este método pode ou non usar sementes de cristal. Os operadores tradicionais de Bridgman carecen de visualización directa dos procesos de fusión e crecemento do cristal e deben controlar as temperaturas con alta precisión. O método Bridgman vertical úsase principalmente para o crecemento de β-Ga2O3 e é coñecido pola súa capacidade para crecer nun ambiente de aire. Durante o proceso de crecemento do método Bridgman vertical, a perda de masa total da masa fundida e do crisol mantense por debaixo do 1 %, o que permite o crecemento de grandes monocristais de β-Ga2O3 cunha perda mínima.
Figura 4 Monocristal de β-Ga2O3 cultivado polo método de Bridgeman
1.4 Método da zona flotante
O método da zona flotante resolve o problema da contaminación dos cristais por materiais de crisol e reduce os altos custos asociados aos crisol infravermellos resistentes a altas temperaturas. Durante este proceso de crecemento, a masa fundida pode ser quentada por unha lámpada en lugar dunha fonte de radiofrecuencia, o que simplifica os requisitos para o equipo de crecemento. Aínda que a forma e a calidade cristalina do β-Ga2O3 cultivado polo método da zona flotante aínda non son óptimas, este método abre un método prometedor para cultivar β-Ga2O3 de alta pureza en monocristais económicos.
Figura 5. Monocristal de β-Ga2O3 cultivado polo método da zona flotante.
Data de publicación: 30 de maio de 2024