Plačiajuostės draudžiamosios juostos (WBG) puslaidininkiai, kuriuos reprezentuoja silicio karbidas (SiC) ir galio nitridas (GaN), sulaukė didelio dėmesio. Žmonės deda didelius lūkesčius dėl silicio karbido taikymo perspektyvų elektrinėse transporto priemonėse ir elektros tinkluose, taip pat dėl galio nitrido taikymo perspektyvų greitame įkrovime. Pastaraisiais metais Ga2O3, AlN ir deimantų medžiagų tyrimai padarė didelę pažangą, todėl dėmesio centre atsidūrė itin plačios draudžiamosios juostos puslaidininkinės medžiagos. Tarp jų galio oksidas (Ga2O3) yra sparčiai populiarėjanti itin plačios draudžiamosios juostos puslaidininkinė medžiaga, kurios draudžiamoji juosta yra 4,8 eV, teorinis kritinio pramušimo lauko stipris yra apie 8 MV cm⁻¹, soties greitis yra apie 2E7cm s⁻¹ ir aukštas Baliga kokybės koeficientas – 3000, sulaukiantis didelio dėmesio aukštos įtampos ir aukšto dažnio galios elektronikos srityje.
1. Galio oksido medžiagos charakteristikos
Ga2O3 turi didelę draudžiamąją juostą (4,8 eV), tikimasi, kad ji pasieks tiek aukštą atlaikymo įtampą, tiek didelės galios galimybes, ir gali turėti potencialą prisitaikyti prie didelės įtampos esant santykinai mažai varžai, todėl ji yra dabartinių tyrimų dėmesio centre. Be to, Ga2O3 ne tik pasižymi puikiomis medžiagų savybėmis, bet ir suteikia galimybę taikyti įvairias lengvai reguliuojamas n tipo legiravimo technologijas, taip pat nebrangias substratų auginimo ir epitaksijos technologijas. Iki šiol Ga2O3 buvo atrastos penkios skirtingos kristalinės fazės, įskaitant korundo (α), monoklininę (β), defektinio spinelio (γ), kubinę (δ) ir ortorombinę (ɛ) fazes. Termodinaminis stabilumas yra γ, δ, α, ɛ ir β. Verta paminėti, kad monoklininė β-Ga2O3 yra stabiliausia, ypač aukštoje temperatūroje, o kitos fazės yra metastabilios aukštesnėje nei kambario temperatūroje ir linkusios virsti β faze esant tam tikroms terminėms sąlygoms. Todėl pastaraisiais metais β-Ga2O3 pagrindu sukurtų prietaisų kūrimas tapo pagrindiniu dėmesio centru galios elektronikos srityje.
1 lentelė. Kai kurių puslaidininkinių medžiagų parametrų palyginimas.
Monoklininės β-Ga₂O₃ kristalinė struktūra parodyta 1 lentelėje. Jos gardelės parametrai yra šie: a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å ir β = 103,8°. Elementariąją gardelę sudaro Ga(I) atomai su susukta tetraedrine koordinacija ir Ga(II) atomai su oktaedrine koordinacija. „Susuktoje kubinėje“ struktūroje yra trys skirtingi deguonies atomų išsidėstymai, įskaitant du trikampiu būdu koordinuotus O(I) ir O(II) atomus ir vieną tetraedriniu būdu koordinuotą O(III) atomą. Šių dviejų atomų koordinacijos tipų derinys lemia β-Ga₂O₃ anizotropiją, pasižyminčią ypatingomis savybėmis fizikoje, cheminėje korozijoje, optikoje ir elektronikoje.
1 pav. Monoklininio β-Ga2O3 kristalo schema struktūrinė diagrama
Energijos juostų teorijos požiūriu, minimali β-Ga2O3 laidumo juostos vertė gaunama iš energijos būsenos, atitinkančios Ga atomo 4s0 hibridinę orbitą. Išmatuojamas energijos skirtumas tarp minimalios laidumo juostos vertės ir vakuumo energijos lygio (elektronų giminingumo energijos) yra 4 eV. Efektyvi β-Ga2O3 elektronų masė yra 0,28–0,33 mE, o jos elektroninis laidumas yra palankus. Tačiau valentinės juostos maksimumas pasižymi negilia Ek kreive su labai mažu išlinkimu ir stipriai lokalizuotomis O2p orbitalėmis, o tai rodo, kad skylės yra giliai lokalizuotos. Šios savybės kelia didžiulį iššūkį siekiant p tipo legiravimo β-Ga2O3. Net jei pavyksta pasiekti P tipo legiravimą, skylės μ lygis išlieka labai žemas. 2. Tūrinio galio oksido monokristalo auginimas Iki šiol β-Ga2O3 tūrinio monokristalo substrato auginimo metodas daugiausia yra kristalų traukimo metodas, pavyzdžiui, Czochralski (CZ), kraštais apibrėžto plonų plėvelių padavimo metodas (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (artical or horizontal Bridgman, HB arba VB) ir slankiosios zonos (floating zone, FZ) technologija. Iš visų metodų Czochralski ir kraštais apibrėžto plonų plėvelių padavimo metodai turėtų būti perspektyviausios β-Ga2O3 plokštelių masinės gamybos kryptys ateityje, nes jie vienu metu gali pasiekti didelius kiekius ir mažą defektų tankį. Iki šiol Japonijos „Novel Crystal Technology“ sukūrė komercinę matricą β-Ga2O3 lydalo auginimui.
1.1 Čochralskio metodas
Čochralskio metodo principas yra tas, kad pirmiausia padengiamas užsėjimo sluoksnis, o tada monokristalas lėtai ištraukiamas iš lydalo. Čochralskio metodas tampa vis svarbesnis β-Ga2O3 dėl savo ekonomiškumo, didelių matmenų galimybių ir aukštos kristalų kokybės substrato augimo. Tačiau dėl terminio įtempio auginant Ga2O3 aukštoje temperatūroje monokristalai, lydalo medžiagos išgaruoja ir pažeidžiamas Ir tiglis. Taip yra dėl to, kad sunku pasiekti mažą n tipo legiravimą Ga2O3. Vienas iš būdų išspręsti šią problemą yra tinkamo deguonies kiekio įvedimas į augimo atmosferą. Optimizavus, Čochralskio metodu sėkmingai išaugintas aukštos kokybės 2 colių β-Ga2O3, kurio laisvųjų elektronų koncentracijos diapazonas yra 10^16~10^19 cm-3, o maksimalus elektronų tankis - 160 cm2/Vs.
2 pav. Čochralskio metodu išaugintas β-Ga₂O₃ monokristalas
1.2 Kraštais apibrėžto plėvelės padavimo metodas
Plonasluoksnės plėvelės padavimo kraštais metodas laikomas pagrindiniu pretendentu į didelio ploto Ga2O3 monokristalų medžiagų komercinę gamybą. Šio metodo principas yra tas, kad lydalas dedamas į formą su kapiliariniu plyšiu, ir lydalas kapiliariniu būdu kyla į formą. Viršuje susidaro plona plėvelė, kuri plinta visomis kryptimis, o sėklų kristalas skatina ją kristalizuotis. Be to, formos viršaus kraštus galima valdyti, kad kristalai būtų dribsnių, vamzdelių ar bet kokios norimos geometrijos pavidalu. Ga2O3 plonasluoksnės plėvelės padavimo kraštais metodas užtikrina greitą augimo greitį ir didelius skersmenis. 3 paveiksle parodyta β-Ga2O3 monokristalo schema. Be to, kalbant apie dydžio skalę, buvo komercializuoti 2 colių ir 4 colių β-Ga2O3 substratai, pasižymintys puikiu skaidrumu ir vienodumu, o 6 colių substratas demonstruojamas tyrimuose, siekiant ateityje komercializuoti. Neseniai taip pat tapo prieinamos didelės apvalios monokristalinės birių medžiagų medžiagos su (-201) orientacija. Be to, β-Ga2O3 plėvelės padavimo kraštais metodas taip pat skatina pereinamųjų metalų elementų legiravimą, todėl galima atlikti Ga2O3 tyrimus ir gamybą.
3 pav. β-Ga2O3 monokristalas, išaugintas briaunomis apibrėžto plėvelės padavimo metodu
1.3 Bridžmano metodas
Taikant Bridgemano metodą, kristalai formuojami tiglyje, kuris palaipsniui judinamas per temperatūros gradientą. Procesas gali būti atliekamas horizontaliai arba vertikaliai, dažniausiai naudojant besisukantį tiglį. Verta paminėti, kad šis metodas gali naudoti arba nenaudoti kristalų užuomazgų. Tradiciniai Bridgmano operatoriai neturi tiesioginės lydymosi ir kristalų augimo procesų vizualizacijos ir turi labai tiksliai kontroliuoti temperatūrą. Vertikalus Bridgmano metodas daugiausia naudojamas β-Ga2O3 auginimui ir yra žinomas dėl savo gebėjimo augti oro aplinkoje. Vertikalaus Bridgmano metodo augimo proceso metu bendras lydalo ir tiglio masės nuostolis yra mažesnis nei 1 %, todėl galima auginti didelius β-Ga2O3 monokristalus su minimaliais nuostoliais.
4 pav. β-Ga2O3 monokristalas, išaugintas Bridgemano metodu.
1.4 Plaukiojančios zonos metodas
Plaukiojančios zonos metodas išsprendžia kristalų užterštumo tiglio medžiagomis problemą ir sumažina dideles išlaidas, susijusias su aukštai temperatūrai atspariais infraraudonųjų spindulių tigliais. Šio auginimo proceso metu lydalas gali būti šildomas lempa, o ne radijo dažnių šaltiniu, taip supaprastinant auginimo įrangos reikalavimus. Nors plūduriuojančios zonos metodu auginamo β-Ga2O3 forma ir kristalų kokybė dar nėra optimali, šis metodas atveria perspektyvų būdą auginti didelio grynumo β-Ga2O3 į biudžetui prieinamus monokristalus.
5 pav. β-Ga2O3 monokristalas, išaugintas plūduriuojančios zonos metodu.
Įrašo laikas: 2024 m. gegužės 30 d.