Semiconductores lati intervalli electrici (WBG), a carburo silicii (SiC) et nitrido gallii (GaN) repraesentati, late attentionem attraxerunt. Magnae exspectationes hominum de applicationibus carburi silicii in vehiculis electricis et retibus electricis, necnon de applicationibus nitridi gallii in celeriter onerandis, fiunt. Recentibus annis, investigatio de Ga₂O₃, AlN, et materiis adamantis progressum magnum fecit, ita ut materiae semiconductrices latissimo intervallo electrico in centrum attentionis positae sint. Inter eas, oxidum gallii (Ga₂O₃) est materia semiconductrix latissimo intervallo electrico emergentis, cum intervallo electrico 4.8 eV, campo disruptionis critico theoretico circiter 8 MV cm⁻¹, velocitate saturationis circiter 2E7 cm⁻¹, et factore qualitatis Baliga alto 3000, quae late in campo electronicarum potentiae altae tensionis et altae frequentiae attentionem accipit.
1. Proprietates materiae oxidi gallii
Ga₂O₃ magnum intervallum zonae (4.8 eV) habet, et tolerantiae tensionis magnae et potentiae magnae facultates consequi expectatur, et adaptabilitatem altae tensionis ad resistentiam relative humilem habere potest, quod eum in centrum investigationum hodiernarum facit. Praeterea, Ga₂O₃ non solum proprietates materiales excellentes habet, sed etiam varietatem technologiarum dopationis typi n facile adaptabilium, necnon technologias accretionis substrati et epitaxiae vilis pretii praebet. Hactenus, quinque phases crystallinae diversae in Ga₂O₃ inventae sunt, inter quas corundum (α), monoclinica (β), spinella defectiva (γ), cubica (δ) et orthorhombica (ɛ). Stabilitates thermodynamicae, ordine, sunt γ, δ, α, ɛ, et β. Notandum est monoclinicum β-Ga₂O₃ esse stabilissimum, praesertim ad altas temperaturas, dum aliae phases supra temperaturam ambientem metastabiliores sunt et sub certis condicionibus thermalibus in phasem β transformari tendunt. Quapropter, progressus instrumentorum β-Ga2O3 fundatorum magnum momentum in campo electronicae potentiae annis proximis facta est.
Tabula 1 Comparatio aliquorum parametrorum materiarum semiconductricium
Structura crystallina β-Ga₂O₃ monoclini in Tabula 1 ostenditur. Inter parametri reticuli eius sunt a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, et β = 103.8°. Cellula unitaria constat ex atomis Ga(I) cum coordinatione tetrahedrica contorta et atomis Ga(II) cum coordinatione octahedrica. Tres ordinationes diversae atomorum oxygenii in ordine "cubico contorto" inveniuntur, inter quas duo atomi O(I) et O(II) triangulatim coordinati et unus atomus O(III) tetrahedrice coordinatus. Combinatio horum duorum generum coordinationis atomicae ad anisotropiam β-Ga₂O₃ cum proprietatibus specialibus in physica, corrosione chemica, optica et electronica ducit.
Figura 1 Schema structurae crystalli monoclinici β-Ga₂O₃
Ex prospectu theoriae fasciae energiae, valor minimus fasciae conductionis β-Ga₂O₃ derivatur ex statu energiae correspondente orbitae hybridae 4s0 atomi Ga. Differentia energiae inter minimum valorem fasciae conductionis et gradum energiae vacui (energiam affinitatis electronicae) mensuratur, est 4 eV. Massa electronica effectiva β-Ga₂O₃ mensuratur ut 0.28–0.33 me et eius conductivitas electronica favorabilis. Attamen, maximum fasciae valentiae ostendit curvam Ek superficialem cum curvatura perquam humili et orbitalibus O₂p valde localizatis, quod suggerit foramina alte localizata esse. Hae proprietates magnum impedimentum praebent ad dopationem typi p in β-Ga₂O₃ assequendam. Etiam si dopatio typi P obtineri potest, foramen μ in gradu perquam humili manet. 2. Incrementum crystalli singularis oxidi gallii in massa. Hactenus, methodus accretionis substrati crystalli singularis β-Ga2O3 in massa est praecipue methodus extractionis crystalli, qualis est Czochralski (CZ), methodus alimentationis pelliculae tenuis marginibus definitis (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (Bridgman verticalis vel horizontalis, HB vel VB) et technologia zonae fluitantis (floating zone, FZ). Inter omnes methodos, Czochralski et methodi alimentationis pelliculae tenuis marginibus definitis viae optimae pro productione massali laminarum β-Ga2O3 in futuro exspectantur, cum simul volumina magna et densitates vitiorum humiles consequi possint. Hactenus, Novel Crystal Technology Iaponiae matricem commercialem ad accretionem liquefactionis β-Ga2O3 effecit.
1.1 Methodus Czochralskiana
Principium methodi Czochralski est ut stratum seminum primum tegitur, deinde crystallus singularis paulatim e materia fusa extrahatur. Methodus Czochralski magis magisque momenti est pro β-Ga₂O₃ propter sumptus parcitatem, capacitatem magnitudinis magnae, et incrementum substrati altae qualitatis. Attamen, propter tensionem thermalem durante incremento Ga₂O₃ alta temperatura, evaporatio crystallorum singularium, materiarum fusarum, et damnum in crucibulo Ir fiet. Hoc ex difficultate consequendi dopationem typi n humilem in Ga₂O₃ oritur. Introductio quantitatis oxygenii aptae in atmosphaeram incrementi una via est ad hanc quaestionem solvendam. Per optimizationem, β-Ga₂O₃ altae qualitatis, 2 unciarum latae, cum ambitu concentrationis electronum liberorum 10^16~10^19 cm⁻³ et densitate electronica maxima 160 cm⁻²/Vs, per methodum Czochralski feliciter incrementum est.
Figura 2 Crystallum singulare β-Ga₂O₃ methodo Czochralskiana auctum
1.2 Methodus pelliculae marginibus definitis alimentationis
Methodus alimentationis pelliculae tenuis marginibus definitis habetur princeps competitor ad productionem commercialem materiarum monocrystallinarum Ga2O3 magnae areae. Principium huius methodi est materiam fusam in forma cum fissura capillari ponere, et materia fusa per actionem capillarem ad formam ascendit. In summo, pellicula tenuis formatur et in omnes directiones expandit dum a crystallo seminis ad crystallizandum inducitur. Praeterea, margines summitatis formae regi possunt ad crystallos in laminis, tubis, vel quavis geometria desiderata producendos. Methodus alimentationis pelliculae tenuis marginibus definitis Ga2O3 celeres incrementum et diametros magnos praebet. Figura 3 diagramma crystalli singularis β-Ga2O3 ostendit. Accedit quod, secundum scalam magnitudinis, substrata β-Ga2O3 2 et 4 unciarum cum excellenti perspicuitate et uniformitate commercializata sunt, dum substratum 6 unciarum in investigatione ad futuram commercialisationem demonstratur. Nuper, magnae materiae monocrystallinae circulares etiam cum orientatione (-201) praesto factae sunt. Praeterea, methodus pelliculae β-Ga₂O₃ marginibus definitis pascendae etiam dopationem elementorum metallorum transitionalium promovet, investigationem et praeparationem Ga₂O₃ possibilem reddens.
Figura 3: Crystallum singulare β-Ga₂O₃ per modum pelliculae marginibus definitis alimentorum crevit.
1.3 Methodus Bridgemaniana
In methodo Bridgeman, crystalli in crucibulo formantur quod gradatim per gradientem temperaturae movetur. Processus fieri potest horizontaliter vel verticaliter, plerumque crucibulo rotante utendo. Notandum est hanc methodum semina crystallina uti vel non uti posse. Operarii Bridgman traditionales carent visualisatione directa processuum liquefactionis et accretionis crystallinae et temperaturas magna cum praecisione moderari debent. Methodus Bridgman verticalis praecipue ad accretionem β-Ga₂O₃ adhibetur et nota est propter facultatem suam crescendi in ambiente aereo. Per processum accretionis methodi Bridgman verticalis, totalis amissio massae liquefactae et crucibuli infra 1% servatur, quod accretionem magnorum crystallorum singularium β-Ga₂O₃ cum minima amissione permittit.
Figura 4 Crystallum singulare β-Ga₂O₃ methodo Bridgeman auctum
1.4 Methodus zonae fluitantis
Methodus zonae fluitantis problema contaminationis crystallorum materiis crucibuli solvit et sumptus altos, qui crucibulis infrarubris resistentibus altae temperaturae coniunguntur, minuit. Per hunc processum accretionis, materia fusa lucerna potius quam fonte radiophonico calefieri potest, ita requisita instrumentorum accretionis simplificando. Quamquam forma et qualitas crystalli β-Ga2O3 per methodum zonae fluitantis culti nondum optimae sunt, haec methodus viam promittentem aperit ad β-Ga2O3 puritatis altae in crystallos singulares pretio modico crescendos.
Figura 5: Crystallum singulare β-Ga2O3 methodo zonae fluitantis cultum.
Tempus publicationis: XXX Maii, MMXXIV