Plašu uzmanību ir piesaistījuši platjoslas pusvadītāji, ko pārstāv silīcija karbīds (SiC) un gallija nitrīds (GaN). Cilvēkiem ir lielas cerības uz silīcija karbīda pielietojuma perspektīvām elektriskajos transportlīdzekļos un elektrotīklos, kā arī uz gallija nitrīda pielietojuma perspektīvām ātrajā uzlādē. Pēdējos gados pētījumi par Ga2O3, AlN un dimanta materiāliem ir guvuši ievērojamus panākumus, pievēršot uzmanību īpaši platjoslas pusvadītāju materiāliem. Starp tiem gallija oksīds (Ga2O3) ir jauns īpaši platjoslas pusvadītāju materiāls ar joslas atstarpi 4,8 eV, teorētisko kritisko sabrukšanas lauka intensitāti aptuveni 8 MV cm-1, piesātinājuma ātrumu aptuveni 2E7cm s-1 un augstu Baliga kvalitātes koeficientu 3000, kas piesaista plašu uzmanību augstsprieguma un augstfrekvences jaudas elektronikas jomā.
1. Gallija oksīda materiāla īpašības
Ga2O3 ir liela joslas sprauga (4,8 eV), ir paredzams, ka tā sasniegs gan augstu izturības spriegumu, gan lielas jaudas iespējas, un tai var būt potenciāls pielāgoties augstam spriegumam ar relatīvi zemu pretestību, padarot to par pašreizējo pētījumu uzmanības centru. Turklāt Ga2O3 ir ne tikai izcilas materiāla īpašības, bet tā arī nodrošina dažādas viegli regulējamas n-tipa dopinga tehnoloģijas, kā arī lētas substrātu augšanas un epitaksijas tehnoloģijas. Līdz šim Ga2O3 ir atklātas piecas dažādas kristāla fāzes, tostarp korunda (α), monoklīnā (β), defektīvā spinela (γ), kubiskā (δ) un ortorombiskā (ɛ) fāze. Termodinamiskās stabilitātes ir šādas: γ, δ, α, ɛ un β. Jāatzīmē, ka monoklīnā β-Ga2O3 ir visstabilākā, īpaši augstās temperatūrās, savukārt citas fāzes ir metastabilas virs istabas temperatūras un mēdz pārveidoties par β fāzi noteiktos termiskos apstākļos. Tāpēc pēdējos gados β-Ga2O3 bāzes ierīču izstrāde ir kļuvusi par galveno uzmanības objektu jaudas elektronikas jomā.
1. tabula. Dažu pusvadītāju materiālu parametru salīdzinājums.
Monoklīniskās β-Ga2O3 kristāla struktūra ir parādīta 1. tabulā. Tās režģa parametri ietver a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å un β = 103,8°. Šūna sastāv no Ga(I) atomiem ar savītu tetraedrisku koordināciju un Ga(II) atomiem ar oktaedrisku koordināciju. "Savītā kubiskā" masīvā ir trīs dažādi skābekļa atomu izvietojumi, tostarp divi trīsstūrveida koordinēti O(I) un O(II) atomi un viens tetraedriski koordinēts O(III) atoms. Šo divu atomu koordinācijas veidu kombinācija noved pie β-Ga2O3 anizotropijas ar īpašām īpašībām fizikā, ķīmiskajā korozijā, optikā un elektronikā.
1. attēls. Monoklīniskā β-Ga2O3 kristāla shematiska struktūras diagramma.
No enerģijas joslu teorijas viedokļa β-Ga2O3 vadītspējas joslas minimālā vērtība ir atvasināta no enerģijas stāvokļa, kas atbilst Ga atoma 4s0 hibrīdajai orbītai. Tiek mērīta enerģijas starpība starp vadītspējas joslas minimālo vērtību un vakuuma enerģijas līmeni (elektronu afinitātes enerģija). Tā ir 4 eV. β-Ga2O3 efektīvā elektronu masa ir 0,28–0,33 me, un tās elektroniskā vadītspēja ir labvēlīga. Tomēr valences joslas maksimumam ir sekla Ek līkne ar ļoti zemu izliekumu un spēcīgi lokalizētām O2p orbitālēm, kas liecina, ka caurumi ir dziļi lokalizēti. Šīs īpašības rada milzīgu izaicinājumu panākt p-tipa dopingu β-Ga2O3. Pat ja var panākt P-tipa dopingu, cauruma μ līmenis saglabājas ļoti zems. 2. Gallija oksīda monokristāla tilpuma audzēšana Līdz šim β-Ga2O3 tilpuma monokristāla substrāta audzēšanas metode galvenokārt ir kristālu vilkšanas metode, piemēram, Čohralska (CZ), ar malām definētas plāno kārtiņu padeves metode (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridžmana (rullveida vai horizontālā Bridžmana, HB vai VB) un peldošās zonas (peldošās zonas, FZ) tehnoloģija. Starp visām metodēm Čohralska un ar malām definētas plāno kārtiņu padeves metodes, domājams, būs visdaudzsološākie β-Ga2O3 plākšņu masveida ražošanas virzieni nākotnē, jo tās var vienlaikus sasniegt lielus apjomus un zemu defektu blīvumu. Līdz šim Japānas uzņēmums “Novel Crystal Technology” ir izveidojis komerciālu matricu β-Ga2O3 kausējuma audzēšanai.
1.1 Čohraļska metode
Čohraļska metodes princips ir tāds, ka vispirms tiek pārklāts sēklas slānis, un pēc tam monokristāls tiek lēnām izvilkts no kausējuma. Čohraļska metode kļūst arvien svarīgāka β-Ga2O3 audzēšanai, pateicoties tās izmaksu efektivitātei, lielajam izmēram un augstas kristālu kvalitātes substrāta augšanai. Tomēr termiskā sprieguma dēļ Ga2O3 augšanas laikā augstā temperatūrā notiks monokristālu, kausējuma materiālu iztvaikošana un Ir tīģeļa bojājumi. Tas ir saistīts ar grūtībām panākt zemu n-tipa dopingu Ga2O3. Viens no veidiem, kā atrisināt šo problēmu, ir atbilstoša skābekļa daudzuma ievadīšana augšanas atmosfērā. Optimizējot, ar Čohraļska metodi ir veiksmīgi izaudzēts augstas kvalitātes 2 collu β-Ga2O3 ar brīvo elektronu koncentrācijas diapazonu 10^16~10^19 cm-3 un maksimālo elektronu blīvumu 160 cm2/Vs.
2. attēls. β-Ga2O3 monokristāls, kas audzēts ar Čohraļska metodi.
1.2 Malu definēta plēves padeves metode
Ar malām definētas plānās plēves padeves metode tiek uzskatīta par galveno pretendentu liela laukuma Ga2O3 monokristālu materiālu komerciālai ražošanai. Šīs metodes princips ir ievietot kausējumu veidnē ar kapilāru spraugu, un kausējums kapilārās darbības rezultātā paceļas veidnē. Augšpusē veidojas plāna plēve, kas izplatās visos virzienos, vienlaikus to kristalizējot ar sēklas kristālu. Turklāt veidnes augšdaļas malas var kontrolēt, lai iegūtu kristālus pārslu, caurulīšu vai jebkādas citas vēlamās ģeometrijas veidā. Ar malām definēta plānās plēves padeves metode Ga2O3 nodrošina ātru augšanas ātrumu un lielus diametrus. 3. attēlā parādīta β-Ga2O3 monokristāla diagramma. Turklāt izmēru skalas ziņā ir komercializēti 2 collu un 4 collu β-Ga2O3 substrāti ar izcilu caurspīdīgumu un vienmērīgumu, savukārt 6 collu substrāts ir demonstrēts pētījumos turpmākai komercializācijai. Nesen ir kļuvuši pieejami arī lieli apaļi monokristāla masas materiāli ar (−201) orientāciju. Turklāt β-Ga2O3 malu definētās plēves padeves metode veicina arī pārejas metālu elementu dopingu, padarot iespējamu Ga2O3 izpēti un sagatavošanu.
3. attēls. β-Ga2O3 monokristāls, kas audzēts ar malām definētas plēves padeves metodi.
1.3 Bridžmena metode
Bridžmena metodē kristāli tiek veidoti tīģelī, ko pakāpeniski virza caur temperatūras gradientu. Procesu var veikt horizontālā vai vertikālā orientācijā, parasti izmantojot rotējošu tīģeli. Jāatzīmē, ka šī metode var izmantot vai neizmantot kristālu sēklas. Tradicionālajiem Bridžmena operatoriem trūkst tiešas kušanas un kristālu augšanas procesu vizualizācijas, un viņiem ir jākontrolē temperatūra ar augstu precizitāti. Vertikālā Bridžmena metode galvenokārt tiek izmantota β-Ga2O3 audzēšanai, un tā ir pazīstama ar spēju augt gaisa vidē. Vertikālās Bridžmena metodes augšanas procesā kausējuma un tīģeļa kopējais masas zudums tiek uzturēts zem 1%, kas ļauj audzēt lielus β-Ga2O3 monokristālus ar minimāliem zudumiem.
4. attēls. β-Ga2O3 monokristāls, kas audzēts ar Bridžmena metodi.
1.4 Peldošās zonas metode
Peldošās zonas metode atrisina kristālu piesārņojuma problēmu ar tīģeļu materiāliem un samazina augstās izmaksas, kas saistītas ar augstas temperatūras izturīgiem infrasarkanajiem tīģeļiem. Šī audzēšanas procesa laikā kausējumu var sildīt ar lampu, nevis RF avotu, tādējādi vienkāršojot prasības audzēšanas iekārtām. Lai gan ar peldošās zonas metodi audzētā β-Ga2O3 forma un kristālu kvalitāte vēl nav optimāla, šī metode paver daudzsološu metodi augstas tīrības pakāpes β-Ga2O3 audzēšanai budžetam draudzīgos monokristālos.
5. attēls. β-Ga2O3 monokristāls, kas audzēts ar peldošās zonas metodi.
Publicēšanas laiks: 2024. gada 30. maijs