I semiconduttori a banda proibita ampia (WBG), rappresentati dal carburo di silicio (SiC) e dal nitruro di gallio (GaN), hanno suscitato grande interesse. Si nutrono grandi aspettative per le prospettive applicative del carburo di silicio nei veicoli elettrici e nelle reti elettriche, così come per quelle del nitruro di gallio nella ricarica rapida. Negli ultimi anni, la ricerca sui materiali Ga2O3, AlN e diamante ha compiuto progressi significativi, rendendo i materiali semiconduttori a banda proibita ultra-ampia (UBG) il fulcro dell'attenzione. Tra questi, l'ossido di gallio (Ga2O3) è un materiale semiconduttore UBG emergente con una banda proibita di 4,8 eV, una rigidità dielettrica critica teorica di circa 8 MV cm-1, una velocità di saturazione di circa 2E7 cm s-1 e un elevato fattore di qualità Baliga pari a 3000, che sta ricevendo grande attenzione nel campo dell'elettronica di potenza ad alta tensione e alta frequenza.
1. Caratteristiche del materiale ossido di gallio
Il Ga2O3 possiede 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 un'elevata adattabilità alla tensione con una resistenza relativamente bassa, il che lo rende oggetto di ricerca attuale. Inoltre, il Ga2O3 non solo ha eccellenti proprietà dei 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 le fasi corindone (α), monoclina (β), spinello difettoso (γ), cubica (δ) e ortorombica (ɛ). Le stabilità termodinamiche sono, in ordine, γ, δ, α, ɛ e β. Vale la pena notare che il β-Ga2O3 monoclino è il 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. Pertanto, lo sviluppo di dispositivi basati su β-Ga2O3 è diventato negli ultimi anni un obiettivo primario 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 composta da atomi di Ga(I) con coordinazione tetraedrica distorta e atomi di Ga(II) con coordinazione ottaedrica. Ci sono tre diverse disposizioni di atomi di ossigeno nella struttura "cubica distorta", tra cui due atomi di O(I) e O(II) con coordinazione triangolare e un atomo di O(III) con coordinazione tetraedrica. 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 di energia, il valore minimo della banda di conduzione del β-Ga2O3 è derivato dallo stato energetico corrispondente all'orbitale ibrido 4s0 dell'atomo di Ga. La differenza di energia tra il valore minimo della banda di conduzione e il livello energetico del vuoto (energia di affinità elettronica) è misurata ed è pari a 4 eV. La massa effettiva dell'elettrone del β-Ga2O3 è misurata come 0,28–0,33 me e la sua favorevole conduttività elettronica. Tuttavia, il massimo della banda di valenza mostra una curva Ek poco profonda con una curvatura molto bassa e orbitali O2p fortemente localizzati, suggerendo che le lacune sono profondamente localizzate. Queste caratteristiche rappresentano un'enorme sfida per ottenere il drogaggio di tipo p nel β-Ga2O3. Anche se si potesse ottenere il drogaggio di tipo p, la mobilità delle lacune μ rimarrebbe a un livello molto basso. 2. Crescita di monocristalli massivi di ossido di gallio Finora, il metodo di crescita del substrato di monocristalli massivi di β-Ga2O3 è principalmente il metodo di estrazione del cristallo, come Czochralski (CZ), il metodo di alimentazione a film sottile definito dai bordi (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (Bridgman torale o orizzontale, HB o VB) e la tecnologia a zona flottante (FZ). Tra tutti i metodi, Czochralski e il metodo di alimentazione a film sottile definito dai bordi sono considerati le vie più promettenti per la produzione di massa di wafer di β-Ga2O3 in futuro, in quanto possono raggiungere simultaneamente grandi volumi e basse densità di difetti. Ad oggi, la giapponese Novel Crystal Technology ha realizzato una matrice commerciale per la crescita da fusione di β-Ga2O3.
1.1 Metodo Czochralski
Il principio del metodo Czochralski consiste nel ricoprire prima lo strato di germinazione e poi estrarre lentamente il monocristallo dal fuso. Il metodo Czochralski sta acquisendo sempre maggiore importanza per la produzione di β-Ga2O3 grazie alla sua economicità, alla capacità di raggiungere grandi dimensioni e all'elevata qualità cristallina del substrato. Tuttavia, a causa dello stress termico durante la crescita ad alta temperatura del Ga2O3, si verificano evaporazione dei monocristalli, del materiale fuso e danni al crogiolo di iridio. Ciò è dovuto alla difficoltà di ottenere un basso drogaggio di tipo n nel Ga2O3. L'introduzione di una quantità appropriata di ossigeno nell'atmosfera di crescita rappresenta una soluzione a questo problema. Attraverso l'ottimizzazione, è stato possibile far crescere con successo, mediante il metodo Czochralski, β-Ga2O3 di alta qualità da 2 pollici con una concentrazione di elettroni liberi compresa tra 10^16 e 10^19 cm-3 e una densità elettronica massima di 160 cm2/Vs.
Figura 2 Monocristallo di β-Ga2O3 cresciuto con il metodo Czochralski
1.2 Metodo di alimentazione del film 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 grandi dimensioni. Il principio di questo metodo consiste nel posizionare il fuso in uno stampo con una fessura capillare, e il fuso risale verso lo stampo per capillarità. Nella parte superiore, si forma un film sottile che si diffonde in tutte le direzioni, indotto a cristallizzare dal cristallo seme. Inoltre, i bordi della parte superiore dello stampo possono essere controllati per produrre cristalli a forma di scaglie, tubi o qualsiasi geometria desiderata. Il metodo di alimentazione a film sottile con bordi definiti per il Ga2O3 offre 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 e 4 pollici con eccellente trasparenza e uniformità, mentre un substrato da 6 pollici è in fase di sviluppo per una futura commercializzazione. Recentemente, sono diventati disponibili anche materiali massivi monocristallini circolari di grandi dimensioni con orientazione (−201). Inoltre, il metodo di alimentazione del film β-Ga2O3 con bordi definiti favorisce anche il drogaggio con elementi di metalli di transizione, rendendo possibile la ricerca e la preparazione del Ga2O3.
Figura 3 Monocristallo di β-Ga2O3 cresciuto mediante il metodo di alimentazione a film definito dai bordi
1.3 Metodo Bridgeman
Nel metodo Bridgeman, i cristalli si formano in un crogiolo che viene gradualmente spostato 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 o meno utilizzare germi cristallini. Gli operatori del metodo Bridgeman tradizionale non hanno una visualizzazione diretta dei processi di fusione e crescita dei cristalli e devono controllare le temperature con elevata precisione. Il metodo Bridgeman verticale è utilizzato principalmente per la crescita di β-Ga2O3 ed è noto per la sua capacità di crescita in ambiente atmosferico. Durante il processo di crescita con il metodo Bridgeman verticale, 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-Ga2O3 con perdite minime.
Figura 4 Monocristallo di β-Ga2O3 cresciuto 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 a radiofrequenza, semplificando così i requisiti per le apparecchiature di crescita. Sebbene la forma e la qualità cristallina del β-Ga2O3 cresciuto con il metodo della zona flottante non siano ancora ottimali, questo metodo apre la strada a una promettente via per la crescita di β-Ga2O3 ad alta purezza in monocristalli a costi contenuti.
Figura 5. Cristallo singolo di β-Ga2O3 cresciuto con il metodo della zona flottante.
Data di pubblicazione: 30 maggio 2024