Széles sávszélességű (WBG) félvezetők, amelyeket szilícium-karbid (SiC) és gallium-nitrid (GaN) képviselnek, széleskörű figyelmet kaptak.Az emberek nagy elvárásokat támasztanak a szilícium-karbid elektromos járművekben és elektromos hálózatokban való felhasználásával, valamint a gallium-nitrid gyorstöltésben való alkalmazási lehetőségeivel kapcsolatban.Az elmúlt években a Ga2O3, AlN és gyémánt anyagokkal kapcsolatos kutatások jelentős előrehaladást értek el, így az ultraszéles sávszélességű félvezető anyagok a figyelem középpontjába kerültek.Közülük a gallium-oxid (Ga2O3) egy feltörekvő ultraszéles sávú félvezető anyag, amelynek sávszélessége 4,8 eV, elméleti kritikus áttörési térerőssége körülbelül 8 MV cm-1, telítési sebessége körülbelül 2E7 cm s-1, és egy magas, 3000-es baligai minőségi tényező, amely széles körű figyelmet kap a nagyfeszültségű és nagyfrekvenciás teljesítményelektronika területén.
1. A gallium-oxid anyag jellemzői
A Ga2O3 nagy sávrésszel (4,8 eV) rendelkezik, várhatóan nagy feszültség- és nagy teljesítményű, és viszonylag alacsony ellenállás mellett is nagy feszültség-alkalmazkodóképességre képes, így a jelenlegi kutatás középpontjába kerül.Ezenkívül a Ga2O3 nemcsak kiváló anyagtulajdonságokkal rendelkezik, hanem számos könnyen állítható n-típusú adalékolási technológiát, valamint olcsó szubsztrát-növekedési és epitaxiás technológiákat is kínál.Eddig öt különböző kristályfázist fedeztek fel a Ga2O3-ban, köztük a korund (α), monoklin (β), hibás spinell (γ), köbös (δ) és ortoromb (ɛ) fázist.A termodinamikai stabilitások sorrendben γ, δ, α, ɛ és β.Érdemes megjegyezni, hogy a monoklin β-Ga2O3 a legstabilabb, különösen magas hőmérsékleten, míg más fázisok szobahőmérséklet felett metastabilak, és hajlamosak β-fázissá átalakulni adott termikus körülmények között.Ezért az elmúlt években a β-Ga2O3 alapú eszközök fejlesztése az erősáramú elektronika egyik fő fókuszába került.
1. táblázat Néhány félvezető anyag paraméter összehasonlítása
A monoklin β-Ga2O3 kristályszerkezetét az 1. táblázat mutatja be. Rácsparaméterei a következők: a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å és β = 103,8°.Az egységcella csavart tetraéder koordinációjú Ga(I) atomokból és oktaéder koordinációjú Ga(II) atomokból áll.Az oxigénatomok három különböző elrendezése található a „csavart köbös” tömbben, köztük két háromszögben koordinált O(I) és O(II) atom, valamint egy tetraéderes koordinációjú O(III) atom.E kétféle atomi koordináció kombinációja a β-Ga2O3 anizotrópiájához vezet, amely különleges tulajdonságokkal rendelkezik a fizika, a kémiai korrózió, az optika és az elektronika területén.
1. ábra A monoklin β-Ga2O3 kristály sematikus szerkezeti diagramja
Az energiasávelmélet szempontjából a β-Ga2O3 vezetési sávjának minimális értéke a Ga atom 4s0 hibrid pályájának megfelelő energiaállapotból adódik.A vezetési sáv minimális értéke és a vákuum energiaszintje (elektron affinitási energia) közötti energiakülönbséget mérjük.4 eV.A β-Ga2O3 effektív elektrontömege 0,28-0,33 me, és kedvező elektronvezetőképessége.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 óriási kihívást jelentenek a p-típusú adalékolás eléréséhez β-Ga2O3-ban.Még ha P-típusú adalékolás is elérhető, a μ lyuk nagyon alacsony szinten marad.2. Tömeges gallium-oxid egykristály növesztése Eddig a β-Ga2O3 ömlesztett egykristály szubsztrát növesztési módszere főleg kristályhúzó módszer volt, mint például Czochralski (CZ), élen meghatározott vékonyréteg-adagoló módszer (Edge-Defined film-feed , EFG), Bridgman (rtical vagy vízszintes Bridgman, HB vagy VB) és lebegőzóna (úszó zóna, FZ) technológia.Az összes módszer közül a Czochralski és az élen meghatározott vékonyréteg-adagolási módszerek várhatóan a legígéretesebb utakat jelentik a β-Ga 2O3 ostyák tömeggyártásában a jövőben, mivel ezekkel egyszerre lehet nagy mennyiséget és alacsony hibasűrűséget elérni.A japán Novel Crystal Technology eddig egy kereskedelmi mátrixot valósított meg a β-Ga2O3 olvadéknövekedésére.
2.1 Czochralski-módszer
A Czochralski-módszer elve az, hogy először a magréteget lefedjük, majd az egykristályt lassan kihúzzuk az olvadékból.A Czochralski-módszer egyre fontosabb a β-Ga2O3 számára költséghatékonysága, nagy méretű képességei és kiváló kristályminőségű szubsztrátnövekedése miatt.Azonban a Ga2O3 magas hőmérsékletű növekedése során fellépő termikus feszültség következtében az egykristályok, az olvadékanyagok elpárolognak, és az Ir tégely károsodik.Ez annak a következménye, hogy nehéz elérni az alacsony n-típusú adalékolást Ga2O3-ban.A probléma megoldásának egyik módja, ha megfelelő mennyiségű oxigént juttatunk a növekedési légkörbe.Optimalizálás révén a Czochralski-módszerrel sikeresen termesztettek kiváló minőségű, 2 hüvelykes β-Ga2O3-at, 10^16-10^19 cm-3 szabad elektronkoncentráció-tartománnyal és 160 cm2/Vs maximális elektronsűrűséggel.
2. ábra Czochralski módszerrel növesztett β-Ga2O3 egykristálya
2.2 Élen meghatározott filmadagolási mód
Az élen meghatározott vékonyréteg-adagolási módszert tekintik vezető esélyesnek a nagy felületű Ga2O3 egykristályos anyagok kereskedelmi gyártásában.Ennek a módszernek az az elve, hogy az olvadékot egy kapillárisrésszel ellátott formába helyezzük, és az olvadék kapilláris hatására felemelkedik a formába.A tetején vékony film képződik, és minden irányba szétterül, miközben a magkristály kristályosodásra készteti.Ezenkívül az öntőforma tetejének szélei szabályozhatók, hogy kristályok képződjenek pelyhekben, csövekben vagy bármilyen kívánt geometriában.A Ga2O3 élen meghatározott vékonyréteg adagolási módszere gyors növekedési sebességet és nagy átmérőt biztosít.A 3. ábra egy β-Ga2O3 egykristály diagramját mutatja.Ezenkívül a méretskálát tekintve 2 hüvelykes és 4 hüvelykes β-Ga2O3 hordozók kerültek kereskedelmi forgalomba, amelyek kiváló átlátszósággal és egyenletességgel rendelkeznek, míg a 6 hüvelykes szubsztrátot a jövőbeni kereskedelmi forgalomba hozatal céljából végzett kutatások demonstrálják.A közelmúltban nagy, kör alakú egykristályos ömlesztett anyagok is elérhetővé váltak (-201) orientációval.Emellett a β-Ga2O3 élhatározott filmadagolási módszer az átmenetifém elemek adalékolását is elősegíti, lehetővé téve a Ga2O3 kutatását és előállítását.
3. ábra β-Ga2O3 egykristály, amelyet élhatározott filmadagoló módszerrel növesztettek
2.3 Bridgeman módszer
A Bridgeman-módszerben kristályok képződnek egy tégelyben, amelyet fokozatosan mozgatnak egy hőmérsékleti gradiensen.Az eljárást vízszintes vagy függőleges irányban is végrehajthatjuk, általában forgó tégely használatával.Érdemes megjegyezni, hogy ez a módszer alkalmazhat kristálymagokat, vagy nem.A hagyományos Bridgman-kezelők nem látják közvetlenül az olvadási és kristálynövekedési folyamatokat, és nagy pontossággal kell szabályozniuk a hőmérsékletet.A vertikális Bridgman-módszert főként a β-Ga2O3 növekedésére használják, és arról ismert, hogy levegőben is képes növekedni.A vertikális Bridgman módszerrel végzett növekedési folyamat során az olvadék és a tégely teljes tömegveszteségét 1% alatt tartják, ami lehetővé teszi nagyméretű β-Ga2O3 egykristályok növekedését minimális veszteséggel.
4. ábra Bridgeman módszerrel növesztett β-Ga2O3 egykristálya
2.4 Lebegőzóna módszer
A lebegőzóna módszer megoldja a tégely anyagok általi kristályszennyeződés problémáját, és csökkenti a magas hőmérsékletnek ellenálló infravörös tégelyekkel kapcsolatos magas költségeket.A növekedési folyamat során az olvadék melegíthető lámpával, nem pedig rádiófrekvenciás forrással, így leegyszerűsítve a növesztőberendezésekkel szemben támasztott követelményeket.Bár a lebegőzóna módszerrel termesztett β-Ga2O3 alakja és kristályminősége még nem optimális, ez a módszer ígéretes módszert nyit a nagy tisztaságú β-Ga2O3 pénztárcabarát egykristályokká történő termesztésére.
5. ábra Lebegőzóna módszerrel növesztett β-Ga2O3 egykristály.
Feladás időpontja: 2024. május 30