Полупроводниците со широк енергетски јаз (WBG) претставени од силициум карбид (SiC) и галиум нитрид (GaN) добија широко внимание. Луѓето имаат големи очекувања за перспективите за примена на силициум карбид во електрични возила и електрични мрежи, како и за перспективите за примена на галиум нитрид во брзо полнење. Во последниве години, истражувањата за Ga2O3, AlN и дијамантски материјали постигнаа значителен напредок, со што полупроводничките материјали со ултраширок енергетски јаз се во фокусот на вниманието. Меѓу нив, галиум оксидот (Ga2O3) е нов полупроводнички материјал со ултраширок енергетски јаз со енергетски јаз од 4,8 eV, теоретска јачина на критичното поле на распаѓање од околу 8 MV cm-1, брзина на сатурација од околу 2E7cm s-1 и висок фактор на квалитет на Baliga од 3000, добивајќи широко внимание во областа на електрониката за висок напон и висока фреквенција на енергија.
1. Карактеристики на материјалот од галиум оксид
Ga2O3 има голем енергетски јаз (4,8 eV), се очекува да постигне и висок напон на отпорност и можности за висока моќност, и може да има потенцијал за прилагодливост на висок напон при релативно низок отпор, што го прави фокус на тековните истражувања. Покрај тоа, Ga2O3 не само што има одлични својства на материјалот, туку обезбедува и различни лесно прилагодливи технологии за допирање од n-тип, како и технологии за раст на подлогата и епитаксија со ниска цена. Досега, во Ga2O3 се откриени пет различни кристални фази, вклучувајќи корунд (α), моноклинична (β), дефектен шпинел (γ), кубна (δ) и орторомбична (ɛ) фаза. Термодинамичката стабилност е, по ред, γ, δ, α, ɛ и β. Вреди да се напомене дека моноклиничниот β-Ga2O3 е најстабилен, особено на високи температури, додека другите фази се метастабилни над собната температура и имаат тенденција да се трансформираат во β фаза под специфични термички услови. Затоа, развојот на уреди базирани на β-Ga2O3 стана главен фокус во областа на енергетската електроника во последниве години.
Табела 1 Споредба на некои параметри на полупроводничкиот материјал
Кристалната структура на моноклиниченβ-Ga2O3 е прикажана во Табела 1. Неговите параметри на решетката вклучуваат a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å и β = 103,8°. Единичната ќелија се состои од атоми на Ga(I) со изопачена тетраедарска координација и атоми на Ga(II) со октаедарска координација. Постојат три различни распореди на атоми на кислород во „изопачената кубна“ низа, вклучувајќи два триаголно координирани атоми на O(I) и O(II) и еден тетраедарски координиран атом на O(III). Комбинацијата на овие два вида на атомска координација води до анизотропија на β-Ga2O3 со посебни својства во физиката, хемиската корозија, оптиката и електрониката.
Слика 1 Шематски структурен дијаграм на моноклиничен β-Ga2O3 кристал
Од перспектива на теоријата на енергетските ленти, минималната вредност на спроводната лента на β-Ga2O3 е изведена од енергетската состојба што одговара на хибридната орбита 4s0 на атомот Ga. Се мери енергетската разлика помеѓу минималната вредност на спроводната лента и нивото на вакуумска енергија (енергија на афинитет на електрони). Ефективната електронска маса на β-Ga2O3 е мерена како 0,28–0,33 me и неговата поволна електронска спроводливост. Сепак, максимумот на валентната лента покажува плитка Ek крива со многу мала закривеност и силно локализирани O2p орбитали, што сугерира дека дупките се длабоко локализирани. Овие карактеристики претставуваат огромен предизвик за постигнување на p-тип допинг во β-Ga2O3. Дури и ако може да се постигне P-тип допинг, дупката μ останува на многу ниско ниво. 2. Растење на монокристал од галиум оксид во голем обем. Досега, методот на раст на β-Ga2O3 монокристална подлога во голем обем е главно метод на влечење на кристали, како што се Чохралски (CZ), методот на полнење со тенок филм дефиниран на рабовите (Edge-Defined film-fed, EFG), Бриџмановата (вертикална или хоризонтална Бриџманова, HB или VB) и технологијата со лебдечка зона (лебдечка зона, FZ). Меѓу сите методи, се очекува Чохралски и методите на полнење со тенок филм дефиниран на рабовите да бидат најперспективните патишта за масовно производство на β-Ga2O3 плочки во иднина, бидејќи тие можат истовремено да постигнат големи количини и ниска густина на дефекти. Досега, јапонската Novel Crystal Technology реализираше комерцијална матрица за раст на β-Ga2O3 при топење.
1.1 Чохралски метод
Принципот на методот на Чохралски е дека почетниот слој прво се покрива, а потоа монокристалот полека се извлекува од стопената маса. Методот на Чохралски е сè поважен за β-Ga2O3 поради неговата економичност, можностите за голема големина и растот на супстратот со висок квалитет на кристалот. Сепак, поради термичкиот стрес за време на растот на Ga2O3 на висока температура, ќе се појави испарување на монокристалите, стопените материјали и оштетување на огноотпорниот сад. Ова е резултат на тешкотијата во постигнувањето ниско n-тип допирање во Ga2O3. Воведувањето соодветна количина кислород во атмосферата за раст е еден начин да се реши овој проблем. Преку оптимизација, висококвалитетен 2-инчен β-Ga2O3 со опсег на концентрација на слободни електрони од 10^16~10^19 cm-3 и максимална густина на електрони од 160 cm2/Vs е успешно одгледан со методот на Чохралски.
Слика 2 Монокристал на β-Ga2O3 одгледан со методот на Чохралски
1.2 Метод на полнење на фолија со дефиниран раб
Методот на полнење со тенок филм дефиниран на работ се смета за водечки кандидат за комерцијално производство на материјали од монокристален Ga2O3 со голема површина. Принципот на овој метод е да се постави стопениот материјал во калап со капиларен отвор, а стопениот материјал се крева до калапот преку капиларно дејство. На врвот, се формира тенок филм и се шири во сите правци додека е предизвикан да кристализира од кристалот-зачеток. Дополнително, рабовите на горниот дел од калапот може да се контролираат за да се произведат кристали во снегулки, цевки или која било посакувана геометрија. Методот на полнење со тенок филм дефиниран на работ на Ga2O3 обезбедува брзи стапки на раст и големи дијаметри. Слика 3 прикажува дијаграм на монокристален β-Ga2O3. Покрај тоа, во однос на големината, комерцијализирани се супстрати β-Ga2O3 од 2 и 4 инчи со одлична транспарентност и униформност, додека супстратот од 6 инчи е демонстриран во истражувања за идна комерцијализација. Неодамна, достапни се и големи кружни материјали од монокристален материјал со (-201) ориентација. Покрај тоа, методот на полнење на филмот со β-Ga2O3 дефиниран по работ, исто така, го промовира допирањето на елементите од преодните метали, што го овозможува истражувањето и подготовката на Ga2O3.
Слика 3 β-Ga2O3 монокристал одгледан со метод на полнење со филм дефиниран на работ
1.3 Бриџманов метод
Во методот Бриџман, кристалите се формираат во сад за топење кој постепено се движи низ температурен градиент. Процесот може да се изврши во хоризонтална или вертикална ориентација, обично со користење на ротирачки сад за топење. Вреди да се напомене дека овој метод може, но и не мора да користи кристални семиња. Традиционалните оператори на Бриџман немаат директна визуелизација на процесите на топење и раст на кристалите и мора да ги контролираат температурите со голема прецизност. Вертикалниот Бриџман метод главно се користи за раст на β-Ga2O3 и е познат по својата способност да расте во воздушна средина. За време на процесот на раст со вертикалниот Бриџман метод, вкупната загуба на маса на стопената маса и садот за топење се одржува под 1%, овозможувајќи раст на големи β-Ga2O3 монокристали со минимална загуба.
Слика 4 Монокристал од β-Ga2O3 одгледан со методот Бриџман
1.4 Метод на лебдечка зона
Методот со лебдечка зона го решава проблемот со контаминација на кристалите од материјалите за садење и ги намалува високите трошоци поврзани со инфрацрвените садење отпорни на високи температури. За време на овој процес на раст, стопената маса може да се загрева со ламба, наместо со RF извор, со што се поедноставуваат барањата за опрема за раст. Иако обликот и квалитетот на кристалот на β-Ga2O3 одгледуван со методот на лебдечка зона сè уште не се оптимални, овој метод отвора ветувачки метод за одгледување на β-Ga2O3 со висока чистота во ефтини монокристали.
Слика 5 β-Ga2O3 монокристал одгледан со методот на лебдечка зона.
Време на објавување: 30 мај 2024 година