Semikonduktor celah pita amba (WBG) sing diwakili dening silikon karbida (SiC) lan galium nitrida (GaN) wis entuk perhatian sing akeh. Wong-wong duwe pangarep-arep sing dhuwur kanggo prospek aplikasi silikon karbida ing kendaraan listrik lan jaringan listrik, uga prospek aplikasi galium nitrida ing pangisian daya cepet. Ing taun-taun pungkasan, riset babagan bahan Ga2O3, AlN lan berlian wis nggawe kemajuan sing signifikan, nggawe bahan semikonduktor celah pita ultra-amba dadi fokus perhatian. Antarane, galium oksida (Ga2O3) minangka bahan semikonduktor celah pita ultra-amba sing muncul kanthi celah pita 4,8 eV, kekuatan medan kerusakan kritis teoretis udakara 8 MV cm-1, kecepatan saturasi udakara 2E7cm s-1, lan faktor kualitas Baliga sing dhuwur yaiku 3000, entuk perhatian sing akeh ing bidang elektronika daya tegangan dhuwur lan frekuensi dhuwur.
1. Karakteristik bahan galium oksida
Ga2O3 nduweni celah pita sing gedhe (4,8 eV), diarepake bisa entuk kemampuan voltase tahan dhuwur lan daya dhuwur, lan bisa nduweni potensi adaptasi voltase dhuwur kanthi resistensi sing relatif kurang, saengga dadi fokus riset saiki. Kajaba iku, Ga2O3 ora mung nduweni sifat materi sing apik banget, nanging uga nyedhiyakake macem-macem teknologi doping tipe-n sing gampang diatur, uga teknologi pertumbuhan substrat lan epitaksi sing murah. Nganti saiki, limang fase kristal sing beda wis ditemokake ing Ga2O3, kalebu fase korundum (α), monoklinik (β), spinel cacat (γ), kubik (δ) lan ortorombik (ɛ). Stabilitas termodinamika, miturut urutan, yaiku γ, δ, α, ɛ, lan β. Perlu dicathet yen β-Ga2O3 monoklinik paling stabil, utamane ing suhu dhuwur, dene fase liyane metastabil ing ndhuwur suhu ruangan lan cenderung malih dadi fase β ing kahanan termal tartamtu. Mulane, pangembangan piranti berbasis β-Ga2O3 wis dadi fokus utama ing bidang elektronika daya ing taun-taun pungkasan.
Tabel 1 Perbandingan sawetara parameter bahan semikonduktor
Struktur kristal monoklinikβ-Ga2O3 dituduhake ing Tabel 1. Parameter kisi-kisi kasebut kalebu a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å, lan β = 103,8°. Sel unit kasusun saka atom Ga(I) kanthi koordinasi tetrahedral bengkong lan atom Ga(II) kanthi koordinasi oktahedral. Ana telung susunan atom oksigen sing beda ing susunan "kubik bengkong", kalebu rong atom O(I) lan O(II) sing dikoordinasi kanthi segitiga lan siji atom O(III) sing dikoordinasi kanthi tetrahedral. Kombinasi saka rong jinis koordinasi atom iki ndadékaké anisotropi β-Ga2O3 kanthi sifat khusus ing fisika, korosi kimia, optik lan elektronik.
Gambar 1 Diagram struktur skematis kristal β-Ga2O3 monoklinik
Saka perspektif teori pita energi, nilai minimal pita konduksi β-Ga2O3 dijupuk saka kahanan energi sing cocog karo orbit hibrida 4s0 saka atom Ga. Bedane energi antarane nilai minimal pita konduksi lan tingkat energi vakum (energi afinitas elektron) sing diukur yaiku 4 eV. Massa elektron efektif β-Ga2O3 diukur minangka 0,28–0,33 me lan konduktivitas elektronik sing disenengi. Nanging, pita valensi maksimum nuduhake kurva Ek sing cethek kanthi kelengkungan sing sithik banget lan orbital O2p sing terlokalisasi kanthi kuat, sing nuduhake yen bolongan kasebut terlokalisasi kanthi jero. Karakteristik kasebut dadi tantangan gedhe kanggo entuk doping tipe-p ing β-Ga2O3. Sanajan doping tipe-P bisa digayuh, bolongan μ tetep ana ing tingkat sing sithik banget. 2. Pertumbuhan kristal tunggal galium oksida massal Nganti saiki, metode pertumbuhan substrat kristal tunggal massal β-Ga2O3 utamane metode penarikan kristal, kayata Czochralski (CZ), metode pemberian film tipis sing ditemtokake pinggiran (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (rtical utawa horizontal Bridgman, HB utawa VB) lan teknologi zona ngambang (floating zone, FZ). Saka kabeh metode kasebut, metode pemberian film tipis Czochralski lan edge-defined diarepake dadi dalan sing paling janjeni kanggo produksi massal wafer β-Ga2O3 ing mangsa ngarep, amarga bisa bebarengan entuk volume gedhe lan kapadhetan cacat sing sithik. Nganti saiki, Teknologi Kristal Novel Jepang wis nyadari matriks komersial kanggo pertumbuhan leleh β-Ga2O3.
1.1 Metode Czochralski
Prinsip metode Czochralski yaiku lapisan wiji ditutup dhisik, banjur kristal tunggal ditarik metu saka leleh alon-alon. Metode Czochralski saya penting kanggo β-Ga2O3 amarga efektifitas biaya, kemampuan ukuran gedhe, lan pertumbuhan substrat kualitas kristal sing dhuwur. Nanging, amarga stres termal sajrone pertumbuhan Ga2O3 ing suhu dhuwur, penguapan kristal tunggal, bahan leleh, lan kerusakan ing wadah Ir bakal kedadeyan. Iki minangka akibat saka kangelan kanggo entuk doping tipe-n sing rendah ing Ga2O3. Ngenalake jumlah oksigen sing cocog menyang atmosfer pertumbuhan minangka salah sawijining cara kanggo ngatasi masalah iki. Liwat optimasi, β-Ga2O3 2 inci kualitas dhuwur kanthi kisaran konsentrasi elektron bebas 10^16~10^19 cm-3 lan kapadhetan elektron maksimum 160 cm2/Vs wis kasil ditandur kanthi metode Czochralski.
Gambar 2 Kristal tunggal β-Ga2O3 sing dituwuhake kanthi metode Czochralski
1.2 Cara pakan film sing ditemtokake pinggiran
Metode pakan film tipis sing ditemtokake pinggir dianggep minangka pesaing utama kanggo produksi komersial bahan kristal tunggal Ga2O3 area gedhe. Prinsip metode iki yaiku nyelehake leleh ing cetakan kanthi celah kapiler, lan leleh munggah menyang cetakan liwat aksi kapiler. Ing sisih ndhuwur, film tipis kawangun lan nyebar ing kabeh arah nalika diinduksi kanggo ngristal dening kristal wiji. Kajaba iku, pinggiran ndhuwur cetakan bisa dikontrol kanggo ngasilake kristal ing serpihan, tabung, utawa geometri sing dikarepake. Metode pakan film tipis sing ditemtokake pinggir saka Ga2O3 nyedhiyakake tingkat pertumbuhan sing cepet lan diameter gedhe. Gambar 3 nuduhake diagram kristal tunggal β-Ga2O3. Kajaba iku, babagan skala ukuran, substrat β-Ga2O3 2 inci lan 4 inci kanthi transparansi lan keseragaman sing apik banget wis dikomersialake, dene substrat 6 inci dituduhake ing riset kanggo komersialisasi ing mangsa ngarep. Bubar, bahan massal kristal tunggal bunder gedhe uga wis kasedhiya kanthi orientasi (−201). Saliyané iku, metode edge-defined film feeding β-Ga2O3 uga ningkataké doping unsur logam transisi, saéngga riset lan persiapan Ga2O3 bisa ditindakake.
Gambar 3 kristal tunggal β-Ga2O3 sing dituwuhake kanthi metode feeding film sing ditemtokake pinggir
1.3 Metode Bridgeman
Ing metode Bridgeman, kristal dibentuk ing wadhah sing dipindhah kanthi bertahap liwat gradien suhu. Proses iki bisa ditindakake kanthi orientasi horisontal utawa vertikal, biasane nggunakake wadhah sing muter. Perlu dicathet yen metode iki bisa uga nggunakake wiji kristal utawa ora. Operator Bridgman tradisional ora duwe visualisasi langsung babagan proses peleburan lan pertumbuhan kristal lan kudu ngontrol suhu kanthi presisi sing dhuwur. Metode Bridgman vertikal utamane digunakake kanggo pertumbuhan β-Ga2O3 lan dikenal amarga kemampuane kanggo tuwuh ing lingkungan udara. Sajrone proses pertumbuhan metode Bridgman vertikal, total massa sing ilang saka leburan lan wadhah dijaga ing ngisor 1%, sing ndadekake pertumbuhan kristal tunggal β-Ga2O3 gedhe kanthi kerugian minimal.
Gambar 4 Kristal tunggal β-Ga2O3 sing dituwuhake kanthi metode Bridgeman
1.4 Metode zona ngambang
Metode zona ngambang ngatasi masalah kontaminasi kristal dening bahan wadah lan nyuda biaya dhuwur sing ana gandhengane karo wadah inframerah tahan suhu dhuwur. Sajrone proses pertumbuhan iki, lelehan bisa dipanasake nganggo lampu tinimbang sumber RF, saengga nyederhanakake syarat kanggo peralatan pertumbuhan. Sanajan bentuk lan kualitas kristal β-Ga2O3 sing ditumbuhake nganggo metode zona ngambang durung optimal, metode iki mbukak metode sing janjeni kanggo numbuhake β-Ga2O3 kanthi kemurnian dhuwur dadi kristal tunggal sing ramah anggaran.
Gambar 5 kristal tunggal β-Ga2O3 sing dituwuhake kanthi metode zona ngambang.
Wektu kiriman: 30 Mei 2024