Breetbandlücke-Halbleiter (WBG), déi duerch Siliziumkarbid (SiC) a Galliumnitrid (GaN) representéiert ginn, hunn eng breet Opmierksamkeet kritt. D'Leit hunn héich Erwaardungen un d'Uwendungsperspektive vu Siliziumkarbid an Elektroautoen a Stroumnetzer, souwéi un d'Uwendungsperspektive vu Galliumnitrid beim Schnellladen. An de leschte Joren huet d'Fuerschung iwwer Ga2O3-, AlN- an Diamantmaterialien bedeitend Fortschrëtter gemaach, wouduerch ultra-breetbandlücke-Halbleitermaterialien an de Fokus vun der Opmierksamkeet geréckelt sinn. Dorënner ass Galliumoxid (Ga2O3) en opkomend ultra-breetbandlücke-Halbleitermaterial mat enger Bandlück vu 4,8 eV, enger theoretescher kritescher Duerchbrochfeldstäerkt vu ronn 8 MV cm-1, enger Sättigungsgeschwindegkeet vu ronn 2E7cm s-1 an engem héije Baliga-Qualitéitsfaktor vun 3000, deen eng breet Opmierksamkeet am Beräich vun der Héichspannungs- an Héichfrequenz-Leeschtungselektronik kritt.
1. Charakteristike vum Galliumoxidmaterial
Ga2O3 huet eng grouss Bandlück (4,8 eV), et gëtt erwaart, datt et souwuel héich Widderstandsspannungen ewéi och héich Leeschtungskapazitéiten erreeche kann, a kann de Potenzial fir Héichspannungsadaptatioun bei relativ niddregem Widderstand hunn, wat se zum Fokus vun der aktueller Fuerschung mécht. Zousätzlech huet Ga2O3 net nëmmen exzellent Materialeigenschaften, mä bitt och eng Vielfalt vun einfach justierbaren n-Typ Dotierungstechnologien, souwéi bëlleg Substratwuesstums- an Epitaxietechnologien. Bis elo goufen fënnef verschidde Kristallphasen am Ga2O3 entdeckt, dorënner Korund (α), monoklin (β), defekt Spinell (γ), kubesch (δ) an orthorhombesch (ɛ) Phasen. Thermodynamesch Stabilitéite sinn, an der Reiefolleg, γ, δ, α, ɛ a β. Et ass derwäert ze bemierken, datt de monoklinen β-Ga2O3 am stabilsten ass, besonnesch bei héijen Temperaturen, während aner Phasen iwwer Raumtemperatur metastabill sinn an ënner spezifesche thermesche Konditiounen an d'β-Phas transforméieren. Dofir ass d'Entwécklung vun Apparater op Basis vun β-Ga2O3 an de leschte Joren zu engem grousse Schwéierpunkt am Beräich vun der Leeschtungselektronik ginn.
Tabelle 1 Vergläich vun e puer Parameteren vun Hallefleedermaterialien
D'Kristallstruktur vum monoklinen β-Ga2O3 gëtt an der Tabell 1 gewisen. Seng Gitterparameter enthalen a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å a β = 103,8°. D'Eenheetszell besteet aus Ga(I)-Atomer mat verdréiter tetraederescher Koordinatioun a Ga(II)-Atomer mat oktaederescher Koordinatioun. Et ginn dräi verschidden Uerdnunge vun Sauerstoffatome am "verdréite kubesche" Array, dorënner zwee dräieckeg koordinéiert O(I)- an O(II)-Atomer an een tetraederesch koordinéierten O(III)-Atom. D'Kombinatioun vun dësen zwou Zorte vun atomarer Koordinatioun féiert zu der Anisotropie vu β-Ga2O3 mat spezielle Eegeschaften an der Physik, chemescher Korrosioun, Optik an Elektronik.
Figur 1 Schematescht Strukturdiagramm vun engem monoklinen β-Ga2O3 Kristall
Aus der Perspektiv vun der Energiebandtheorie gëtt de Mindestwäert vum Leitungsband vu β-Ga2O3 vum Energiezoustand ofgeleet, deen der 4s0 Hybridëmlafbunn vum Ga-Atom entsprécht. Den Energieënnerscheed tëscht dem Mindestwäert vum Leitungsband an dem Vakuumenergieniveau (Elektroneaffinitéitsenergie) gëtt gemooss. ass 4 eV. Déi effektiv Elektronemass vu β-Ga2O3 gëtt als 0,28–0,33 me gemooss an huet eng favorabel elektronesch Leetfäegkeet. Wéi och ëmmer, weist de Maximum vum Valenzband eng flaach Ek-Kurve mat ganz gerénger Krümmung a staark lokaliséierten O2p-Orbitalen, wat drop hiweist, datt d'Lächer déif lokaliséiert sinn. Dës Charakteristike stellen eng grouss Erausfuerderung duer fir p-Typ Dotierung a β-Ga2O3 z'erreechen. Och wann P-Typ Dotierung erreecht ka ginn, bleift d'Lach μ op engem ganz nidderegen Niveau. 2. Wuesstum vu Bulk-Galliumoxid-Eenkristall Bis elo ass d'Wuesstumsmethod vu β-Ga2O3 Bulk-Eenkristallsubstrat haaptsächlech d'Kristallzuchmethod, wéi z. B. d'Czochralski (CZ), d'kantdefinéiert Dënnfilm-Fütterungsmethod (Edge-Defined Film-fed, EFG), d'Bridgman-Technologie (rtikal oder horizontal Bridgman, HB oder VB) an d'Schwiewendzonentechnologie (Floating Zone, FZ). Ënnert all de Methoden gëtt erwaart, datt d'Czochralski- an d'kantdefinéiert Dënnfilm-Fütterungsmethoden déi villverspriechendst Weeër fir d'Masseproduktioun vu β-Ga2O3-Waferen an der Zukunft sinn, well se gläichzäiteg grouss Volumen a geréng Defektdichte erreeche kënnen. Bis elo huet déi japanesch Firma Novel Crystal Technology eng kommerziell Matrix fir de Schmelzwuesstum vu β-Ga2O3 realiséiert.
1.1 Czochralski-Method
De Prinzip vun der Czochralski-Method besteet doran, datt d'Some-Schicht als éischt bedeckt gëtt, an dann den Eenzelkristall lues a lues aus der Schmelz erausgezunn gëtt. D'Czochralski-Method gëtt ëmmer méi wichteg fir β-Ga2O3 wéinst senger Käschteeffizienz, senger grousser Gréisst a sengem Substratwuesstum mat héijer Kristallqualitéit. Wéinst der thermescher Belaaschtung beim Héichtemperaturwuesstum vu Ga2O3 kann et awer zu Verdampfung vun Eenzelkristaller, Schmelzmaterialien a Schied un der Ir-Dichel kommen. Dëst ass eng Konsequenz vun der Schwieregkeet, eng niddreg n-Typ Dotéierung am Ga2O3 z'erreechen. D'Aféierung vun enger entspriechender Quantitéit u Sauerstoff an d'Wuestumsatmosphär ass eng Méiglechkeet, dëst Problem ze léisen. Duerch Optimiséierung gouf mat der Czochralski-Method erfollegräich en héichwäertegen 2-Zoll β-Ga2O3 mat engem Konzentratiounsberäich vu fräien Elektronen vun 10^16~10^19 cm-3 an enger maximaler Elektronendicht vun 160 cm2/Vs ugebaut.
Figur 2 Eenzelkristall vu β-Ga2O3, dee mat der Czochralski-Method gewuess ass
1.2 Kantdefinéiert Filmzufuhrmethod
D'Kante-definéiert Dënnfilm-Fütterungsmethod gëllt als de féierende Kandidat fir d'kommerziell Produktioun vu Ga2O3-Eenkristallmaterialien mat grousser Fläch. De Prinzip vun dëser Method besteet doran, d'Schmëlz an eng Form mat engem Kapillarschlitz ze placéieren, an d'Schmëlz klëmmt duerch Kapillarwierkung an d'Form. Uewen bilt sech eng dënn Film déi sech a all Richtungen ausbreet, während se vum Keimkristall zum Kristalliséiere bruecht gëtt. Zousätzlech kënnen d'Kante vun der Formuewerfläch kontrolléiert ginn, fir Kristaller a Flacken, Réier oder all gewënschter Geometrie ze produzéieren. D'Kante-definéiert Dënnfilm-Fütterungsmethod vu Ga2O3 bitt séier Wuestumsraten a grouss Duerchmiesser. Figur 3 weist en Diagramm vun engem β-Ga2O3-Eenkristall. Zousätzlech goufen, wat d'Gréisst ugeet, 2-Zoll an 4-Zoll β-Ga2O3-Substrater mat exzellenter Transparenz an Uniformitéit kommerzialiséiert, während de 6-Zoll-Substrat an der Fuerschung fir zukünfteg Kommerzialiséierung demonstréiert gouf. An der leschter Zäit sinn och grouss kreesfërmeg Eenkristall-Groussmaterialien mat (-201) Orientéierung verfügbar ginn. Zousätzlech fërdert d'β-Ga2O3 kantdefinéiert Filmzoufuhrmethod och d'Dotierung vun Iwwergangsmetallelementer, wat d'Fuerschung an d'Virbereedung vu Ga2O3 méiglech mécht.
Figur 3 β-Ga2O3 Eenzelkristall gewuess duerch d'Kante-definéiert Filmzufuhrmethod
1.3 Bridgeman-Method
Bei der Bridgeman-Method ginn Kristaller an engem Tiegel geformt, deen no an no duerch en Temperaturgradient beweegt gëtt. De Prozess kann an enger horizontaler oder vertikaler Orientéierung duerchgefouert ginn, normalerweis mat engem rotéierende Tiegel. Et ass derwäert ze bemierken, datt dës Method Kristallkären benotze kann oder net. Traditionell Bridgman-Operateuren hunn keng direkt Visualiséierung vun de Schmelz- a Kristallwuesstumsprozesser a mussen d'Temperaturen mat héijer Präzisioun kontrolléieren. Déi vertikal Bridgman-Method gëtt haaptsächlech fir de Wuesstum vu β-Ga2O3 benotzt an ass bekannt fir seng Fäegkeet, an enger loftëmfeld ze wuessen. Wärend dem vertikale Wuesstumsprozess vun der Bridgman-Method gëtt de gesamte Masseverloscht vun der Schmelz an dem Tiegel ënner 1% gehalen, wat de Wuesstum vu grousse β-Ga2O3 Eenzelkristaller mat minimale Verloscht erméiglecht.
Figur 4 Eenzelkristall vu β-Ga2O3, dee mat der Bridgeman-Method gezücht gouf
1.4 Method vun der schwiewender Zone
D'Schwimmzonenmethod léist de Problem vun der Kristallkontaminatioun duerch Tiegelmaterialien a reduzéiert déi héich Käschten, déi mat héichtemperaturbeständegen Infrarout-Tiegel verbonne sinn. Wärend dësem Wuessprozess kann d'Schmëlz duerch eng Lampe amplaz vun enger HF-Quell erhëtzt ginn, wat d'Ufuerderunge fir Wuessausrüstung vereinfacht. Och wann d'Form an d'Kristallqualitéit vum β-Ga2O3, deen duerch d'Schwimmzonenmethod ugebaut gëtt, nach net optimal sinn, mécht dës Method eng villverspriechend Method fir héichreine β-Ga2O3 zu budgetfrëndleche Eenzelkristaller ze wuessen.
Figur 5 β-Ga2O3 Eenzelkristall, deen mat der Floating Zone Method gezücht gouf.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 30. Mee 2024