I semiconduttori a banda larga (WBG), rappresentati da carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN), hanno ricevuto grande attenzione. Le aspettative per le prospettive applicative del carburo di silicio nei veicoli elettrici e nelle reti elettriche, così come per le prospettive applicative del nitruro di gallio nella ricarica rapida, sono elevate. Negli ultimi anni, la ricerca su materiali a base di Ga2O3, AlN e diamante ha compiuto progressi significativi, ponendo i materiali semiconduttori a banda larga ultra larga al centro dell'attenzione. Tra questi, l'ossido di gallio (Ga2O3) è un materiale semiconduttore emergente a banda larga ultra larga con una banda larga di 4,8 eV, un'intensità di campo critico di breakdown teorica di circa 8 MV cm-1, una velocità di saturazione di circa 2E7 cm-1 e un elevato fattore di qualità Baliga di 3000, che sta ricevendo grande attenzione nel campo dell'elettronica di potenza ad alta tensione e alta frequenza.
1. Caratteristiche del materiale in ossido di gallio
Il Ga2O3 ha un ampio band gap (4,8 eV), si prevede che raggiunga sia un'elevata tensione di tenuta che elevate capacità di potenza e può avere il potenziale per l'adattabilità ad alta tensione a una resistenza relativamente bassa, rendendolo il fulcro della ricerca attuale. Inoltre, il Ga2O3 non solo presenta eccellenti proprietà materiali, ma offre anche una varietà di tecnologie di drogaggio di tipo n facilmente regolabili, nonché tecnologie di crescita del substrato ed epitassia a basso costo. Finora, sono state scoperte cinque diverse fasi cristalline nel Ga2O3, tra cui corindone (α), monoclina (β), spinello difettoso (γ), cubica (δ) e ortorombica (ɛ). Le stabilità termodinamiche sono, nell'ordine, γ, δ, α, ɛ e β. È importante notare che la fase monoclina β-Ga2O3 è la più stabile, soprattutto ad alte temperature, mentre le altre fasi sono metastabili al di sopra della temperatura ambiente e tendono a trasformarsi nella fase β in specifiche condizioni termiche. Per questo motivo, negli ultimi anni lo sviluppo di dispositivi basati su β-Ga2O3 è diventato un obiettivo fondamentale nel campo dell'elettronica di potenza.
Tabella 1 Confronto di alcuni parametri dei materiali semiconduttori
La struttura cristallina del β-Ga2O3 monoclino è mostrata nella Tabella 1. I suoi parametri reticolari includono a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å e β = 103,8°. La cella unitaria è costituita da atomi di Ga(I) con coordinazione tetraedrica intrecciata e atomi di Ga(II) con coordinazione ottaedrica. Ci sono tre diverse disposizioni di atomi di ossigeno nella struttura "cubica intrecciata", inclusi due atomi di O(I) e O(II) coordinati triangolarmente e un atomo di O(III) coordinato tetraedricamente. La combinazione di questi due tipi di coordinazione atomica porta all'anisotropia del β-Ga2O3 con proprietà speciali in fisica, corrosione chimica, ottica ed elettronica.
Figura 1 Diagramma strutturale schematico del cristallo monoclino β-Ga2O3
Dal punto di vista della teoria delle bande energetiche, il valore minimo della banda di conduzione di β-Ga2O3 è derivato dallo stato energetico corrispondente all'orbita ibrida 4s0 dell'atomo di Ga. La differenza di energia misurata tra il valore minimo della banda di conduzione e il livello energetico del vuoto (energia di affinità elettronica) è di 4 eV. La massa effettiva dell'elettrone di β-Ga2O3 è misurata come 0,28-0,33 μ e la sua conduttività elettronica è favorevole. Tuttavia, il massimo della banda di valenza mostra una curva Ek poco profonda con curvatura molto bassa e orbitali O2p fortemente localizzati, suggerendo che le lacune siano profondamente localizzate. Queste caratteristiche rappresentano una sfida enorme per ottenere un drogaggio di tipo p in β-Ga2O3. Anche se fosse possibile ottenere un drogaggio di tipo p, la lacuna μ rimane a un livello molto basso. 2. Crescita di monocristalli di ossido di gallio in massa. Finora, il metodo di crescita del substrato monocristallino in massa di β-Ga2O3 è principalmente il metodo di trazione dei cristalli, come il metodo Czochralski (CZ), il metodo di alimentazione a film sottile con bordi definiti (Edge-Defined Film-Fed, EFG), il Bridgman (Bridgman orizzontale o verticale, HB o VB) e la tecnologia a zona flottante (floating zone, FZ). Tra tutti i metodi, si prevede che il metodo Czochralski e l'alimentazione a film sottile con bordi definiti siano le strade più promettenti per la produzione in massa di wafer di β-Ga2O3 in futuro, poiché possono raggiungere contemporaneamente grandi volumi e basse densità di difetti. Finora, la giapponese Novel Crystal Technology ha realizzato una matrice commerciale per la crescita del fuso β-Ga2O3.
1.1 Metodo Czochralski
Il principio del metodo Czochralski consiste nel ricoprire prima lo strato di seme e poi estrarre lentamente il monocristallo dalla massa fusa. Il metodo Czochralski sta diventando sempre più importante per il β-Ga2O3 grazie al suo rapporto costo-efficacia, alle grandi dimensioni e all'elevata qualità della crescita del substrato cristallino. Tuttavia, a causa dello stress termico durante la crescita ad alta temperatura del Ga2O3, si verificano l'evaporazione dei monocristalli e dei materiali fusi e il danneggiamento del crogiolo di Ir. Ciò è dovuto alla difficoltà di ottenere un basso drogaggio di tipo n nel Ga2O3. L'introduzione di una quantità adeguata di ossigeno nell'atmosfera di crescita è un modo per risolvere questo problema. Grazie all'ottimizzazione, è stato possibile coltivare con successo, con il metodo Czochralski, β-Ga2O3 da 2 pollici di alta qualità con un intervallo di concentrazione di elettroni liberi di 10^16~10^19 cm-3 e una densità elettronica massima di 160 cm-2/Vs.
Figura 2 Monocristallo di β-Ga2O3 coltivato con il metodo Czochralski
1.2 Metodo di alimentazione della pellicola con bordi definiti
Il metodo di alimentazione a film sottile con bordi definiti è considerato il principale candidato per la produzione commerciale di materiali monocristallini di Ga2O3 di ampia superficie. Il principio di questo metodo consiste nel posizionare il fuso in uno stampo con una fessura capillare, e il fuso sale verso lo stampo per capillarità. Nella parte superiore, si forma un film sottile che si diffonde in tutte le direzioni, mentre viene indotto a cristallizzare dal cristallo di innesco. Inoltre, i bordi della parte superiore dello stampo possono essere controllati per produrre cristalli in scaglie, tubi o in qualsiasi forma desiderata. Il metodo di alimentazione a film sottile con bordi definiti di Ga2O3 garantisce velocità di crescita elevate e grandi diametri. La Figura 3 mostra uno schema di un monocristallo di β-Ga2O3. Inoltre, in termini di scala dimensionale, sono stati commercializzati substrati di β-Ga2O3 da 2 pollici e 4 pollici con eccellente trasparenza e uniformità, mentre il substrato da 6 pollici è in fase di sperimentazione per una futura commercializzazione. Recentemente, sono diventati disponibili anche materiali monocristallini circolari di grandi dimensioni con orientamento (−201). Inoltre, il metodo di alimentazione del film β-Ga2O3 con bordi definiti favorisce anche il drogaggio di elementi di metalli di transizione, rendendo possibile la ricerca e la preparazione di Ga2O3.
Figura 3 Monocristallo di β-Ga2O3 cresciuto con il metodo di alimentazione della pellicola con bordi definiti
1.3 Metodo Bridgeman
Nel metodo Bridgeman, i cristalli si formano in un crogiolo che viene gradualmente mosso attraverso un gradiente di temperatura. Il processo può essere eseguito in orientamento orizzontale o verticale, solitamente utilizzando un crogiolo rotante. È importante notare che questo metodo può utilizzare o meno i semi cristallini. Gli operatori tradizionali del metodo Bridgman non hanno una visualizzazione diretta dei processi di fusione e crescita dei cristalli e devono controllare le temperature con elevata precisione. Il metodo Bridgman verticale è utilizzato principalmente per la crescita di β-Ga₂O₂ ed è noto per la sua capacità di crescere in un ambiente ventilato. Durante il processo di crescita verticale del metodo Bridgman, la perdita di massa totale del fuso e del crogiolo viene mantenuta al di sotto dell'1%, consentendo la crescita di grandi monocristalli di β-Ga₂O₂ con perdite minime.
Figura 4 Monocristallo di β-Ga2O3 coltivato con il metodo Bridgeman
1.4 Metodo della zona flottante
Il metodo della zona flottante risolve il problema della contaminazione dei cristalli da parte dei materiali del crogiolo e riduce gli elevati costi associati ai crogioli a infrarossi resistenti alle alte temperature. Durante questo processo di crescita, il fuso può essere riscaldato da una lampada anziché da una sorgente RF, semplificando così i requisiti delle apparecchiature di crescita. Sebbene la forma e la qualità cristallina del β-Ga2O3 coltivato con il metodo della zona flottante non siano ancora ottimali, questo metodo apre le porte a un metodo promettente per la coltivazione di β-Ga2O3 ad alta purezza in monocristalli economici.
Figura 5 Monocristallo di β-Ga2O3 cresciuto con il metodo della zona flottante.
Data di pubblicazione: 30 maggio 2024