Breitt bandbilshálfleiðarar (WBG), sem eru kísillkarbíð (SiC) og gallíumnítríð (GaN), hafa vakið mikla athygli. Fólk hefur miklar væntingar til notkunarmöguleika kísillkarbíðs í rafknúnum ökutækjum og raforkukerfum, sem og notkunarmöguleika gallíumnítríðs í hraðhleðslu. Á undanförnum árum hefur rannsókn á Ga2O3, AlN og demantsefnum náð verulegum árangri, sem gerir hálfleiðaraefni með ofurbreitt bandbil að í brennidepli. Meðal þeirra er gallíumoxíð (Ga2O3) nýtt hálfleiðaraefni með ofurbreitt bandbil, bandbil upp á 4,8 eV, fræðilegan gagnrýninn niðurbrotssviðsstyrk upp á um 8 MV cm-1, mettunarhraða upp á um 2E7cm s-1 og háan Baliga gæðastuðul upp á 3000, sem hefur vakið mikla athygli á sviði háspennu- og hátíðniaflsrafeindatækni.
1. Eiginleikar gallíumoxíðs
Ga2O3 hefur stórt bandgap (4,8 eV), er búist við að það nái bæði mikilli spennuþoli og mikilli afköstum og geti aðlagað sig að mikilli spennu við tiltölulega lága viðnám, sem gerir það að áherslum núverandi rannsókna. Þar að auki hefur Ga2O3 ekki aðeins framúrskarandi efniseiginleika, heldur býður það einnig upp á fjölbreytt úrval af auðveldlega stillanlegum n-gerð lyfjafræðilegum tækni, sem og ódýra undirlagsvaxtar- og epitaxísk tækni. Hingað til hafa fimm mismunandi kristalfasar fundist í Ga2O3, þar á meðal kórund (α), einstofna (β), gallaða spínel (γ), rúmmetra (δ) og rétthyrningsfasa (ɛ). Varmafræðilegur stöðugleiki er, í réttri röð, γ, δ, α, ɛ og β. Það er vert að taka fram að einstofna β-Ga2O3 er stöðugast, sérstaklega við hátt hitastig, en önnur fasar eru stöðugir yfir stofuhita og hafa tilhneigingu til að umbreytast í β-fasa við ákveðnar hitaskilyrði. Þess vegna hefur þróun tækja sem byggja á β-Ga2O3 orðið aðaláhersla á sviði aflrafeindatækni á undanförnum árum.
Tafla 1 Samanburður á nokkrum breytum hálfleiðaraefnis
Kristalbygging einstofna β-Ga2O3 er sýnd í töflu 1. Grindaraðgerðir þess eru a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å og β = 103,8°. Einingarfruman samanstendur af Ga(I) atómum með snúnum fjórflötungslaga samhæfingu og Ga(II) atómum með áttaflötungslaga samhæfingu. Það eru þrjár mismunandi raðanir súrefnisatóma í „snúna rúmmetra“ fylkingunni, þar á meðal tvö þríhyrningslaga samhæfð O(I) og O(II) atóm og eitt fjórflötungslaga samhæft O(III) atóm. Samsetning þessara tveggja gerða atómsamhæfingar leiðir til ósamhverfu β-Ga2O3 með sérstökum eiginleikum í eðlisfræði, efnafræðilegri tæringu, ljósfræði og rafeindatækni.
Mynd 1. Skýringarmynd af einstofna β-Ga2O3 kristöllum
Frá sjónarhóli orkubandskenningarinnar er lágmarksgildi leiðnibandsins fyrir β-Ga2O3 dregið af orkuástandi sem samsvarar 4s0 blendingsbraut Ga atómsins. Orkumunurinn á milli lágmarksgildis leiðnibandsins og tómarúmsorkustigsins (rafeindasækniorka) er mældur. er 4 eV. Virkur rafeindamassi β-Ga2O3 er mældur sem 0,28–0,33 me og rafeindaleiðni þess er hagstæð. Hins vegar sýnir hámark gildisbandsins grunnan Ek-kúrfu með mjög lágri sveigju og sterklega staðbundnum O2p-svigrúmum, sem bendir til þess að holurnar séu djúpt staðbundnar. Þessir eiginleikar eru mikil áskorun við að ná p-gerð dópun í β-Ga2O3. Jafnvel þótt hægt sé að ná P-gerð dópun, þá er gatið μ á mjög lágu stigi. 2. Ræktun gallíumoxíðs einkristalla í lausu Hingað til hefur vaxtaraðferðin fyrir β-Ga2O3 einkristalla í lausu aðallega verið kristaldráttaraðferðin, svo sem Czochralski (CZ), brúnskilgreind þunnfilmufóðrunaraðferð (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (lóðrétt eða lárétt Bridgman, HB eða VB) og fljótandi svæðistækni (floating zone, FZ) tækni. Af öllum aðferðum er búist við að Czochralski og brúnskilgreind þunnfilmufóðrunaraðferðir verði efnilegustu leiðirnar til fjöldaframleiðslu á β-Ga2O3 skífum í framtíðinni, þar sem þær geta samtímis náð miklu magni og lágum gallaþéttleika. Hingað til hefur japanska fyrirtækið Novel Crystal Technology þróað viðskiptalegt grunnefni fyrir bráðinn vöxt β-Ga2O3.
1.1 Czochralski aðferðin
Meginreglan á bak við Czochralski-aðferðina er sú að fyrst er frælagið þakið og síðan er einkristallinn hægt dreginn út úr bráðnuninni. Czochralski-aðferðin er sífellt mikilvægari fyrir β-Ga2O3 vegna hagkvæmni hennar, stærðarmöguleika og hágæða kristallavaxtar undirlags. Hins vegar, vegna hitastreymis við háhitavöxt Ga2O3, mun uppgufun einkristalla, bráðið efni og skemmdir á Ir-deiglunni eiga sér stað. Þetta er afleiðing af erfiðleikum við að ná lágri n-gerð íbót í Ga2O3. Að koma viðeigandi magni af súrefni inn í vaxtarloftið er ein leið til að leysa þetta vandamál. Með bestun hefur verið ræktað með góðum árangri hágæða 2 tommu β-Ga2O3 með styrk frjálsra rafeinda á bilinu 10^16~10^19 cm-3 og hámarks rafeindaþéttleika 160 cm2/Vs með Czochralski-aðferðinni.
Mynd 2 Einkristall af β-Ga2O3 ræktaður með Czochralski aðferðinni
1.2 Aðferð til að fóðra filmu með brún skilgreindrar aðferðar
Aðferðin með þunnfilmufóðrun með brúnum er talin vera fremsta keppinauturinn í atvinnuskyni fyrir stórfellda Ga2O3 einkristalla. Meginreglan á bak við þessa aðferð er að setja bráðna efnin í mót með háræðarauf og bræðan stígur upp í mótið með háræðavirkni. Efst myndast þunn filma sem dreifist í allar áttir á meðan frækristallinn örvar hana til að kristöllast. Að auki er hægt að stjórna brúnum mótsins til að framleiða kristalla í flögum, rörum eða hvaða æskilegri lögun sem er. Aðferðin með þunnfilmufóðrun með brúnum fyrir Ga2O3 býður upp á hraðan vaxtarhraða og stórt þvermál. Mynd 3 sýnir skýringarmynd af β-Ga2O3 einkristalli. Að auki, hvað varðar stærðarkvarða, hafa 2 tommu og 4 tommu β-Ga2O3 undirlag með frábæru gegnsæi og einsleitni verið markaðssett, en 6 tommu undirlagið hefur verið sýnt fram á í rannsóknum til framtíðarmarkaðssetningar. Nýlega hafa stór hringlaga einkristalla lausaefni einnig orðið fáanleg með (-201) stefnu. Að auki stuðlar β-Ga2O3 kantskilgreind filmufóðrunaraðferðin einnig að efnablöndun frumefna í umbreytingarmálmum, sem gerir rannsóknir og undirbúning Ga2O3 mögulega.
Mynd 3 β-Ga2O3 einkristall ræktaður með brúnaskilgreindri filmufóðrunaraðferð
1.3 Bridgeman-aðferðin
Í Bridgeman-aðferðinni eru kristallar myndaðir í deiglu sem er smám saman færður í gegnum hitastigshalla. Ferlið er hægt að framkvæma lárétt eða lóðrétt, venjulega með því að nota snúningsdeiglu. Það er vert að taka fram að þessi aðferð getur notað kristallafræ eða ekki. Hefðbundnir Bridgman-notendur skortir beina myndræna mynd af bræðslu- og kristallavaxtarferlunum og verða að stjórna hitastigi með mikilli nákvæmni. Lóðrétta Bridgman-aðferðin er aðallega notuð til vaxtar β-Ga2O3 og er þekkt fyrir getu sína til að vaxa í loftræstum umhverfi. Við lóðrétta vaxtarferlið með Bridgman-aðferðinni er heildarmassatap bráðins og deiglunnar haldið undir 1%, sem gerir kleift að vaxa stóra β-Ga2O3 einkristalla með lágmarks tapi.
Mynd 4 Einkristall af β-Ga2O3 ræktaður með Bridgeman aðferðinni
1.4 Fljótandi svæðisaðferð
Fljótandi svæðisaðferðin leysir vandamálið með kristallamengun frá deiglum og dregur úr miklum kostnaði sem fylgir hitþolnum innrauðum deiglum. Í þessu vaxtarferli er hægt að hita bráðna efnið með lampa frekar en útvarpsbylgjugjafa, sem einfaldar kröfur um vaxtarbúnað. Þó að lögun og kristalgæði β-Ga2O3 sem ræktað er með fljótandi svæðisaðferðinni séu ekki enn sem best, þá opnar þessi aðferð fyrir efnilega aðferð til að rækta hágæða β-Ga2O3 í hagkvæma einkristalla.
Mynd 5 β-Ga2O3 einkristall ræktaður með fljótandi svæðisaðferð.
Birtingartími: 30. maí 2024