Semi-kondiktè ki gen yon espas bann laj (WBG) ki reprezante pa carbure Silisyòm (SiC) ak nitrid galyòm (GaN) te resevwa anpil atansyon. Moun yo gen anpil atant pou aplikasyon carbure Silisyòm nan machin elektrik ak rezo elektrik, ansanm ak aplikasyon nitrid galyòm nan chaj rapid. Nan dènye ane yo, rechèch sou Ga2O3, AlN ak materyèl dyaman te fè pwogrè siyifikatif, sa ki fè materyèl semi-kondiktè ki gen yon espas bann ultra laj vin sant atansyon an. Pami yo, oksid galyòm (Ga2O3) se yon materyèl semi-kondiktè ki gen yon espas bann ultra laj ak yon espas bann 4.8 eV, yon fòs chan mayetik kritik teyorik anviwon 8 MV cm-1, yon vitès saturation anviwon 2E7cm s-1, ak yon faktè kalite Baliga ki wo 3000, ki resevwa anpil atansyon nan domèn elektwonik pouvwa vòltaj segondè ak frekans segondè.
1. Karakteristik materyèl oksid galyòm
Ga2O3 gen yon gwo espas bann (4.8 eV), yo espere reyalize tou de kapasite vòltaj ki wo ak gwo pouvwa, epi li ka gen potansyèl pou adaptabilite vòltaj ki wo nan rezistans relativman ba, sa ki fè yo sant rechèch aktyèl la. Anplis de sa, Ga2O3 pa sèlman gen pwopriyete materyèl ekselan, men tou li bay yon varyete teknoloji dopan tip n ki fasil pou ajiste, osi byen ke teknoloji kwasans substrat ak epitaksi ki pa koute chè. Jiskaprezan, yo te dekouvri senk faz kristal diferan nan Ga2O3, ki gen ladan faz korundòm (α), monoklinik (β), spinèl defektye (γ), kib (δ) ak ortorombik (ɛ). Estabilite termodinamik yo se, nan lòd, γ, δ, α, ɛ, ak β. Li enpòtan pou note ke monoklinik β-Ga2O3 se pi estab la, espesyalman nan tanperati ki wo, pandan ke lòt faz yo metastab pi wo pase tanperati chanm epi yo gen tandans transfòme an faz β anba kondisyon tèmik espesifik. Se poutèt sa, devlopman aparèy ki baze sou β-Ga2O3 vin tounen yon gwo konsantrasyon nan domèn elektwonik pouvwa nan dènye ane yo.
Tablo 1 Konparezon kèk paramèt materyèl semi-kondiktè
Estrikti kristal monoklinik β-Ga2O3 la parèt nan Tablo 1. Paramèt rezo li yo enkli a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, ak β = 103.8°. Selil inite a konsiste de atòm Ga(I) ki gen kowòdinasyon tetraedrik trese ak atòm Ga(II) ki gen kowòdinasyon oktaedrik. Gen twa aranjman diferan atòm oksijèn nan etalaj "kib trese" a, ki gen ladan de atòm O(I) ak O(II) ki kowòdone triyangilèman ak yon atòm O(III) ki kowòdone tetraedrikman. Konbinezon de kalite kowòdinasyon atomik sa yo mennen nan anizotropi β-Ga2O3 ki gen pwopriyete espesyal nan fizik, korozyon chimik, optik ak elektwonik.
Figi 1 Dyagram estriktirèl yon kristal monoklinik β-Ga2O3
Nan pèspektiv teyori bann enèji a, valè minimòm bann kondiksyon β-Ga2O3 la sòti nan eta enèji ki koresponn ak òbit ibrid 4s0 atom Ga a. Diferans enèji ki genyen ant valè minimòm bann kondiksyon an ak nivo enèji vid la (enèji afinite elektwon) mezire a se 4 eV. Mas elektwon efektif β-Ga2O3 la mezire kòm 0.28–0.33 me epi konduktivite elektwonik favorab li. Sepandan, maksimòm bann valans lan montre yon koub Ek sifasyal ak yon koubi ki ba anpil epi orbital O2p ki byen lokalize, sa ki sijere ke twou yo byen lokalize. Karakteristik sa yo poze yon gwo defi pou reyalize dopan tip p nan β-Ga2O3. Menm si yo ka reyalize dopan tip P, twou μ a rete nan yon nivo ki ba anpil. 2. Kwasans monokristal oksid galyòm an mas Jiska prezan, metòd kwasans substrat monokristal β-Ga2O3 an mas la se sitou metòd rale kristal, tankou Czochralski (CZ), metòd alimantasyon fim mens defini pa kwen (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (Bridgman orizontal oswa orizontal, HB oswa VB) ak teknoloji zòn k ap flote (floating zone, FZ). Pami tout metòd yo, yo prevwa metòd Czochralski ak metòd alimantasyon fim mens defini pa kwen yo pral avni ki pi pwomèt pou pwodiksyon an mas waf β-Ga2O3 nan lavni, paske yo ka reyalize gwo volim ak dansite domaj ki ba an menm tan. Jiska prezan, Novel Crystal Technology Japon an te reyalize yon matris komèsyal pou kwasans β-Ga2O3 nan fonn.
1.1 Metòd Czochralski
Prensip metòd Czochralski a se ke yo kouvri kouch grenn nan anvan, epi answit yo rale kristal endividyèl la dousman soti nan fonn lan. Metòd Czochralski a ap vin pi enpòtan pou β-Ga2O3 akòz rentabilité li, kapasite gwo gwosè li, ak kwasans substrat kristal ki gen gwo kalite. Sepandan, akòz estrès tèmik pandan kwasans Ga2O3 nan gwo tanperati, evaporasyon kristal endividyèl yo, materyèl fonn yo, ak domaj nan krisòl Ir a ap rive. Sa a se yon rezilta difikilte pou reyalize yon dopan tip n ki ba nan Ga2O3. Entwodiksyon yon kantite oksijèn apwopriye nan atmosfè kwasans lan se yon fason pou rezoud pwoblèm sa a. Atravè optimize, yo te reyisi kiltive β-Ga2O3 2 pous kalite siperyè ak yon seri konsantrasyon elektwon lib 10^16~10^19 cm-3 ak yon dansite elektwon maksimòm 160 cm2/Vs pa metòd Czochralski a.
Figi 2 Kristal sèl β-Ga2O3 ki grandi pa metòd Czochralski a
1.2 Metòd pou bay fim ki defini sou kwen
Metòd alimantasyon fim mens ki defini sou kwen an konsidere kòm prensipal konpetitè pou pwodiksyon komèsyal materyèl monokristal Ga2O3 ki gen gwo sifas. Prensip metòd sa a se mete fonn lan nan yon mwazi ki gen yon fant kapilè, epi fonn lan monte nan mwazi a atravè aksyon kapilè. Nan tèt la, yon fim mens fòme epi li gaye nan tout direksyon pandan kristal grenn nan ap pouse l kristalize. Anplis de sa, yo ka kontwole kwen tèt mwazi a pou pwodui kristal an flokon, tib, oswa nenpòt jeyometri yo vle. Metòd alimantasyon fim mens Ga2O3 ki defini sou kwen an bay to kwasans rapid ak gwo dyamèt. Figi 3 montre yon dyagram yon monokristal β-Ga2O3. Anplis de sa, an tèm de echèl gwosè, yo te komèsyalize substrats β-Ga2O3 2 pous ak 4 pous ki gen ekselan transparans ak inifòmite, pandan y ap demontre substrats 6 pous la nan rechèch pou komèsyalizasyon nan lavni. Dènyèman, gwo materyèl monokristal sikilè an gwo te vin disponib tou ak oryantasyon (-201). Anplis de sa, metòd alimantasyon fim β-Ga2O3 ki defini pa kwen an ankouraje tou dopaj eleman metal tranzisyon yo, sa ki fè rechèch ak preparasyon Ga2O3 posib.
Figi 3 β-Ga2O3 monokristal ki grandi pa metòd alimantasyon fim defini pa kwen
1.3 Metòd Bridgeman
Nan metòd Bridgeman an, kristal yo fòme nan yon krisòl ki deplase piti piti nan yon gradyan tanperati. Pwosesis la ka fèt nan yon oryantasyon orizontal oswa vètikal, anjeneral lè l sèvi avèk yon krisòl ki wotasyon. Li enpòtan pou note ke metòd sa a ka itilize oswa pa itilize grenn kristal. Operatè Bridgman tradisyonèl yo pa gen vizyalizasyon dirèk sou pwosesis fizyon ak kwasans kristal la epi yo dwe kontwole tanperati yo avèk anpil presizyon. Metòd Bridgman vètikal la sitou itilize pou kwasans β-Ga2O3 epi li konnen pou kapasite li genyen pou grandi nan yon anviwònman lè. Pandan pwosesis kwasans metòd Bridgman vètikal la, pèt mas total fonn lan ak krisòl la kenbe anba 1%, sa ki pèmèt kwasans gwo kristal β-Ga2O3 ak yon pèt minimòm.
Figi 4 Kristal sèl β-Ga2O3 ki grandi pa metòd Bridgeman an
1.4 Metòd zòn k ap flote a
Metòd zòn k ap flote a rezoud pwoblèm kontaminasyon kristal pa materyèl krisòl yo epi li diminye gwo depans ki asosye ak krisòl enfrawouj ki reziste tanperati ki wo. Pandan pwosesis kwasans sa a, yo ka chofe fonn lan pa yon lanp olye de yon sous RF, kidonk senplifye egzijans pou ekipman kwasans. Malgre ke fòm ak kalite kristal β-Ga2O3 ki grandi pa metòd zòn k ap flote a poko optimal, metòd sa a louvri yon metòd pwomèt pou fè β-Ga2O3 ki gen gwo pite grandi an kristal sèl ki pa chè.
Figi 5 β-Ga2O3 monokristal ki grandi pa metòd zòn k ap flote a.
Dat piblikasyon: 30 me 2024