A szilícium-karbid (SiC) és a gallium-nitrid (GaN) által képviselt széles tiltott sávú (WBG) félvezetők széles körű figyelmet kaptak. Az emberek nagy elvárásokat támasztanak a szilícium-karbid elektromos járművekben és villamosenergia-hálózatokban való alkalmazási lehetőségeivel, valamint a gallium-nitrid gyorstöltésben való alkalmazási lehetőségeivel kapcsolatban. Az elmúlt években a Ga2O3, AlN és gyémánt anyagokkal kapcsolatos kutatások jelentős előrelépést tettek, így az ultraszéles tiltott sávú félvezető anyagok kerültek a figyelem középpontjába. Közülük a gallium-oxid (Ga2O3) egy feltörekvő ultraszéles tiltott sávú félvezető anyag, amelynek tiltott sávja 4,8 eV, elméleti kritikus letörési térerőssége körülbelül 8 MV cm⁻¹, telítési sebessége körülbelül 2E7cm s⁻¹, és magas, 3000-es Baliga minőségi tényezője széles körű figyelmet kap a nagyfeszültségű és nagyfrekvenciás teljesítményelektronika területén.
1. Gallium-oxid anyagjellemzők
A Ga2O3 nagy sávszélességgel rendelkezik (4,8 eV), várhatóan nagy feszültségtűrő képességet és nagy teljesítményképességet is képes elérni, és viszonylag alacsony ellenállás mellett nagy feszültségalkalmazkodó képességgel rendelkezik, így a jelenlegi kutatások középpontjában áll. Ezenkívül a Ga2O3 nemcsak kiváló anyagtulajdonságokkal rendelkezik, hanem számos könnyen állítható n-típusú adalékolási technológiát, valamint alacsony költségű szubsztrátnövekedési és epitaxiális technológiákat is lehetővé tesz. A Ga2O3-ban eddig öt különböző kristályfázist fedeztek fel, beleértve a korund (α), a monoklin (β), a hibás spinell (γ), a köbös (δ) és az ortorombos (ɛ) fázisokat. A termodinamikai stabilitások sorrendben a γ, δ, α, ɛ és β. Érdemes megjegyezni, hogy a monoklin β-Ga2O3 a legstabilabb, különösen magas hőmérsékleten, míg más fázisok szobahőmérséklet felett metastabilok, és bizonyos termikus körülmények között hajlamosak β fázissá alakulni. Ezért a β-Ga2O3 alapú eszközök fejlesztése az utóbbi években a teljesítményelektronika területén kiemelt figyelmet kapott.
1. táblázat Néhány félvezető anyagparaméter összehasonlítása
A monoklin β-Ga2O3 kristályszerkezetét az 1. táblázat mutatja. Rácsparaméterei: a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å és β = 103,8°. Az egységcella csavart tetraéderes koordinációjú Ga(I) atomokból és oktaéderes koordinációjú Ga(II) atomokból áll. A „csavart köbös” elrendezésben az oxigénatomok három különböző elrendezésben helyezkednek el, beleértve két háromszögszerűen koordinált O(I) és O(II) atomot, valamint egy tetraéderesen koordinált O(III) atomot. E kétféle atomkoordináció kombinációja a β-Ga2O3 anizotrópiájához vezet, amely különleges tulajdonságokkal rendelkezik a fizikában, a kémiai korrózióban, az optikában és az elektronikában.
1. ábra A monoklin β-Ga2O3 kristály vázlatos szerkezeti ábrája
Az energiasáv-elmélet szempontjából a β-Ga2O3 vezetési sávjának minimumértéke a Ga atom 4s0 hibrid pályájának megfelelő energiaállapotból származik. A vezetési sáv minimumértéke és a vákuum energiaszintje (elektron affinitási energia) közötti energiakülönbséget 4 eV-nak mérik. A β-Ga2O3 effektív elektrontömege 0,28–0,33 me, ami kedvező elektronvezető képességet biztosít. A vegyértéksáv maximuma azonban sekély Ek-görbét mutat, nagyon alacsony görbülettel és erősen lokalizált O2p pályákkal, ami arra utal, hogy a lyukak mélyen lokalizáltak. Ezek a jellemzők hatalmas kihívást jelentenek a p-típusú adalékolás elérése érdekében a β-Ga2O3-ban. Még ha a P-típusú adalékolás elérhető is, a lyuk μ értéke nagyon alacsony szinten marad. 2. Tömbi gallium-oxid egykristály növekedése A β-Ga2O3 tömbi egykristály szubsztrátum növekedésének eddigi módszerei főként a kristályhúzási módszer, mint például a Czochralski (CZ), az élhatárolt vékonyréteg-adagolási módszer (élhatárolt filmfed, EFG), a Bridgman (ritikus vagy vízszintes Bridgman, HB vagy VB) és az úszózónás (úszózóna, FZ) technológia. Az összes módszer közül a Czochralski és az élhatárolt vékonyréteg-adagolási módszerek várhatóan a legígéretesebb utat jelentik a β-Ga2O3 ostyák tömeggyártásához a jövőben, mivel egyszerre képesek nagy térfogatot és alacsony hibasűrűséget elérni. A japán Novel Crystal Technology eddig egy kereskedelmi forgalomban kapható mátrixot valósított meg a β-Ga2O3 olvadéknövesztéséhez.
1.1 Czochralski-módszer
A Czochralski-módszer alapelve, hogy először a vetőréteget vonják be, majd az egykristályt lassan kihúzzák az olvadékból. A Czochralski-módszer egyre nagyobb jelentőséggel bír a β-Ga2O3 esetében a költséghatékonysága, nagy méretbeli képessége és a kiváló minőségű szubsztrátnövekedés miatt. A Ga2O3 magas hőmérsékletű növekedése során azonban fellépő hőfeszültség miatt az egykristályok, az olvadék anyagai és az Ir-tégely károsodása következik be. Ez a Ga2O3 alacsony n-típusú adalékolásának nehézségéből adódik. A probléma megoldásának egyik módja a megfelelő mennyiségű oxigén bevezetése a növekedési légkörbe. Optimalizálás révén a Czochralski-módszerrel sikeresen növesztettek kiváló minőségű 2 hüvelykes β-Ga2O3-at, amelynek szabad elektronkoncentráció-tartománya 10^16~10^19 cm-3, maximális elektronsűrűsége pedig 160 cm2/Vs.
2. ábra Czochralski-módszerrel növesztett β-Ga2O3 egykristály
1.2 Él által meghatározott filmadagolási módszer
Az élhatárolt vékonyréteg-adagolási módszert tartják a nagy felületű Ga2O3 egykristályos anyagok kereskedelmi forgalomba hozatalának vezető esélyesének. A módszer alapelve, hogy az olvadékot egy kapilláris réssel ellátott öntőformába helyezik, és az olvadék kapilláris hatás révén felemelkedik a formába. A tetején egy vékony film alakul ki, amely minden irányban szétterjed, miközben az oltókristály kristályosodásra készteti. Ezenkívül a forma tetejének szélei szabályozhatók, hogy pelyhek, csövek vagy bármilyen kívánt geometriájú kristályokat hozzanak létre. A Ga2O3 élhatárolt vékonyréteg-adagolási módszere gyors növekedési sebességet és nagy átmérőket biztosít. A 3. ábra egy β-Ga2O3 egykristály diagramját mutatja. Ezenkívül méretskálát tekintve 2 hüvelykes és 4 hüvelykes β-Ga2O3 szubsztrátok kerültek kereskedelmi forgalomba, kiváló átlátszósággal és egyenletességgel, míg a 6 hüvelykes szubsztrátot a jövőbeli kereskedelmi forgalomba hozatal céljából demonstrálják a kutatásokban. Az utóbbi időben nagy, kör alakú egykristályos tömbi anyagok is elérhetővé váltak (-201) orientációval. Ezenkívül a β-Ga2O3 éldefiniált filmadagolási módszere az átmenetifémek adalékolását is elősegíti, lehetővé téve a Ga2O3 kutatását és előállítását.
3. ábra Él-meghatározott filmadagolási módszerrel növesztett β-Ga2O3 egykristály
1.3 Bridgeman-módszer
A Bridgeman-módszerben a kristályokat egy olvasztótégelyben képzik, amelyet fokozatosan mozgatnak egy hőmérsékleti gradiensen keresztül. A folyamat vízszintes vagy függőleges irányban végezhető, általában forgó olvasztótégely segítségével. Érdemes megjegyezni, hogy ez a módszer használhat vagy nem használhat kristálymagokat. A hagyományos Bridgman-operátorok nem képesek közvetlenül vizualizálni az olvadási és kristálynövekedési folyamatokat, és nagy pontossággal kell szabályozniuk a hőmérsékletet. A vertikális Bridgman-módszert főként β-Ga2O3 növesztésére használják, és arról ismert, hogy képes levegőn növekedni. A vertikális Bridgman-módszerrel történő növekedési folyamat során az olvadék és a olvasztótégely teljes tömegveszteségét 1% alatt tartják, ami lehetővé teszi nagy β-Ga2O3 egykristályok növekedését minimális veszteséggel.
4. ábra β-Ga2O3 egykristály növesztése Bridgeman-módszerrel
1.4 Lebegő zóna módszer
Az úszózónás módszer megoldja a tégelyanyagok kristályszennyeződésének problémáját, és csökkenti a magas hőmérsékletnek ellenálló infravörös tégelyekkel járó magas költségeket. E növekedési folyamat során az olvadékot lámpával lehet melegíteni rádiófrekvenciás forrás helyett, így egyszerűsítve a növekedési berendezésekre vonatkozó követelményeket. Bár az úszózónás módszerrel növesztett β-Ga2O3 alakja és kristályminősége még nem optimális, ez a módszer ígéretes utat nyit a nagy tisztaságú β-Ga2O3 költségbarát egykristályokká történő növesztésére.
5. ábra A lebegőzónás módszerrel növesztett β-Ga2O3 egykristály.
Közzététel ideje: 2024. május 30.