Poluvodiči sa širokim energetskim razmakom (WBG), predstavljeni silicijevim karbidom (SiC) i galijevim nitridom (GaN), privukli su široku pozornost. Ljudi imaju velika očekivanja u pogledu izgleda primjene silicijevog karbida u električnim vozilima i električnim mrežama, kao i izgleda primjene galijevog nitrida u brzom punjenju. Posljednjih godina istraživanja Ga2O3, AlN i dijamantnih materijala postigla su značajan napredak, stavljajući poluvodičke materijale s ultraširoko pojasnim razmakom u središte pozornosti. Među njima, galijev oksid (Ga2O3) je novi poluvodički materijal s ultraširoko pojasnim razmakom, s energetskim razmakom od 4,8 eV, teoretskom kritičnom jakošću probojnog polja od oko 8 MV cm-1, brzinom zasićenja od oko 2E7cm s-1 i visokim Baliga faktorom kvalitete od 3000, koji privlači široku pozornost u području visokonaponske i visokofrekventne energetske elektronike.
1. Karakteristike materijala galij oksida
Ga2O3 ima veliki energetski procjep (4,8 eV), očekuje se da će postići i visoku otpornost na napon i visoku snagu te može imati potencijal za prilagodljivost visokom naponu pri relativno niskom otporu, što ih čini fokusom trenutnih istraživanja. Osim toga, Ga2O3 ne samo da ima izvrsna svojstva materijala, već pruža i niz lako podesivih tehnologija dopiranja n-tipa, kao i jeftine tehnologije rasta supstrata i epitaksije. Do sada je u Ga2O3 otkriveno pet različitih kristalnih faza, uključujući korund (α), monoklinsku (β), defektnu spinelnu (γ), kubnu (δ) i ortorombsku (ɛ) fazu. Termodinamičke stabilnosti su, redom, γ, δ, α, ɛ i β. Vrijedi napomenuti da je monoklinska β-Ga2O3 najstabilnija, posebno na visokim temperaturama, dok su druge faze metastabilne iznad sobne temperature i teže transformaciji u β fazu pod određenim toplinskim uvjetima. Stoga je razvoj uređaja baziranih na β-Ga2O3 postao glavni fokus u području energetske elektronike posljednjih godina.
Tablica 1 Usporedba nekih parametara poluvodičkih materijala
Kristalna struktura monoklinskog β-Ga2O3 prikazana je u Tablici 1. Njegovi parametri rešetke uključuju a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å i β = 103,8°. Jedinična ćelija sastoji se od atoma Ga(I) s uvijenom tetraedarskom koordinacijom i atoma Ga(II) s oktaedarskom koordinacijom. Postoje tri različita rasporeda atoma kisika u „uvijenom kubičnom“ nizu, uključujući dva trokutasto koordinirana atoma O(I) i O(II) te jedan tetraedarski koordinirani atom O(III). Kombinacija ove dvije vrste atomske koordinacije dovodi do anizotropije β-Ga2O3 s posebnim svojstvima u fizici, kemijskoj koroziji, optici i elektronici.
Slika 1 Shematski strukturni dijagram monoklinskog β-Ga2O3 kristala
Iz perspektive teorije energetskih pojaseva, minimalna vrijednost vodljivog pojasa β-Ga2O3 izvedena je iz energetskog stanja koje odgovara 4s0 hibridnoj orbiti atoma Ga. Izmjerena je energetska razlika između minimalne vrijednosti vodljivog pojasa i razine energije vakuuma (energija afiniteta elektrona) od 4 eV. Efektivna masa elektrona β-Ga2O3 izmjerena je kao 0,28–0,33 me i ima povoljnu elektroničku vodljivost. Međutim, maksimum valentnog pojasa pokazuje plitku Ek krivulju s vrlo niskom zakrivljenošću i snažno lokaliziranim O2p orbitalama, što sugerira da su rupe duboko lokalizirane. Ove karakteristike predstavljaju ogroman izazov za postizanje p-tipa dopiranja u β-Ga2O3. Čak i ako se može postići P-tip dopiranja, μ rupe ostaje na vrlo niskoj razini. 2. Rast monokristala galijevog oksida u rasutom stanju Do sada je metoda rasta supstrata monokristala β-Ga2O3 u rasutom stanju uglavnom metoda izvlačenja kristala, kao što su Czochralski (CZ), metoda punjenja tankim filmom definiranim rubom (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (vertikalni ili horizontalni Bridgman, HB ili VB) i tehnologija plutajuće zone (floating zone, FZ). Među svim metodama, očekuje se da će Czochralski i metoda punjenja tankim filmom definiranim rubom biti najperspektivniji putevi za masovnu proizvodnju β-Ga2O3 pločica u budućnosti, jer istovremeno mogu postići velike volumene i nisku gustoću defekata. Do sada je japanska tvrtka Novel Crystal Technology ostvarila komercijalnu matricu za rast taline β-Ga2O3.
1.1 Czochralskijeva metoda
Princip Czochralskijeve metode je da se sloj sjemena prvo prekrije, a zatim se monokristal polako izvlači iz taline. Czochralskijeva metoda je sve važnija za β-Ga2O3 zbog svoje isplativosti, mogućnosti velikih dimenzija i rasta visokokvalitetne podloge kristala. Međutim, zbog toplinskog naprezanja tijekom rasta Ga2O3 na visokim temperaturama, doći će do isparavanja monokristala, materijala taline i oštećenja Ir lončića. To je rezultat teškoće u postizanju niskog dopiranja n-tipa u Ga2O3. Uvođenje odgovarajuće količine kisika u atmosferu rasta jedan je od načina rješavanja ovog problema. Optimizacijom je Czochralskijevom metodom uspješno uzgojen visokokvalitetni 2-inčni β-Ga2O3 s rasponom koncentracije slobodnih elektrona od 10^16~10^19 cm-3 i maksimalnom gustoćom elektrona od 160 cm2/Vs.
Slika 2. Monokristal β-Ga2O3 uzgojen Czochralskijevom metodom
1.2 Metoda uvlačenja filma s definiranim rubom
Metoda punjenja tankim filmom s definiranim rubom smatra se vodećim kandidatom za komercijalnu proizvodnju monokristalnih materijala Ga2O3 velike površine. Princip ove metode je stavljanje taline u kalup s kapilarnim prorezom, a talina se diže do kalupa kapilarnim djelovanjem. Na vrhu se formira tanki film koji se širi u svim smjerovima dok ga kristalni sjemenski kristal potiče na kristalizaciju. Osim toga, rubovi vrha kalupa mogu se kontrolirati kako bi se proizveli kristali u pahuljicama, cijevima ili bilo kojoj željenoj geometriji. Metoda punjenja tankim filmom s definiranim rubom Ga2O3 omogućuje brze stope rasta i velike promjere. Slika 3 prikazuje dijagram monokristala β-Ga2O3. Osim toga, što se tiče veličine, komercijalizirani su β-Ga2O3 supstrati od 2 inča i 4 inča s izvrsnom prozirnošću i ujednačenošću, dok je supstrat od 6 inča demonstriran u istraživanju za buduću komercijalizaciju. Nedavno su postali dostupni i veliki kružni monokristalni rasuti materijali s orijentacijom (-201). Osim toga, metoda dopiranja rubno definiranog filma β-Ga2O3 također potiče dopiranje elemenata prijelaznih metala, što omogućuje istraživanje i pripravu Ga2O3.
Slika 3. Monokristal β-Ga2O3 uzgojen metodom dovođenja filma s definiranim rubom
1.3 Bridgemanova metoda
U Bridgemanovoj metodi, kristali se formiraju u lončiću koji se postupno pomiče kroz temperaturni gradijent. Proces se može izvoditi u horizontalnoj ili vertikalnoj orijentaciji, obično pomoću rotirajućeg lončića. Vrijedi napomenuti da ova metoda može, ali i ne mora koristiti kristalne klice. Tradicionalnim Bridgmanovim operatorima nedostaje izravna vizualizacija procesa taljenja i rasta kristala te moraju kontrolirati temperature s visokom preciznošću. Vertikalna Bridgmanova metoda uglavnom se koristi za rast β-Ga2O3 i poznata je po svojoj sposobnosti rasta u zračnom okruženju. Tijekom vertikalnog procesa rasta Bridgmanovom metodom, ukupni gubitak mase taline i lončića održava se ispod 1%, što omogućuje rast velikih monokristala β-Ga2O3 uz minimalne gubitke.
Slika 4. Monokristal β-Ga2O3 uzgojen Bridgemanom metodom
1.4 Metoda plutajuće zone
Metoda plutajuće zone rješava problem kontaminacije kristala materijalima lončića i smanjuje visoke troškove povezane s infracrvenim lončićima otpornim na visoke temperature. Tijekom ovog procesa rasta, talina se može zagrijavati lampom umjesto RF izvora, čime se pojednostavljuju zahtjevi za opremu za rast. Iako oblik i kvaliteta kristala β-Ga2O3 uzgojenog metodom plutajuće zone još nisu optimalni, ova metoda otvara obećavajuću metodu za uzgoj β-Ga2O3 visoke čistoće u povoljnije monokristale.
Slika 5. Monokristal β-Ga2O3 uzgojen metodom plutajuće zone.
Vrijeme objave: 30. svibnja 2024.