Semikonduktor celah jalur lebar (WBG) yang diwakili oleh silikon karbida (SiC) dan galium nitrida (GaN) telah mendapat perhatian meluas. Orang ramai mempunyai jangkaan yang tinggi terhadap prospek aplikasi silikon karbida dalam kenderaan elektrik dan grid kuasa, serta prospek aplikasi galium nitrida dalam pengecasan pantas. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, penyelidikan mengenai bahan Ga2O3, AlN dan berlian telah mencapai kemajuan yang ketara, menjadikan bahan semikonduktor celah jalur ultra lebar sebagai tumpuan perhatian. Antaranya, galium oksida (Ga2O3) ialah bahan semikonduktor celah jalur ultra lebar yang sedang muncul dengan celah jalur 4.8 eV, kekuatan medan pecahan kritikal teori kira-kira 8 MV cm-1, halaju tepu kira-kira 2E7cm s-1, dan faktor kualiti Baliga yang tinggi iaitu 3000, mendapat perhatian meluas dalam bidang elektronik kuasa voltan tinggi dan frekuensi tinggi.
1. Ciri-ciri bahan galium oksida
Ga2O3 mempunyai jurang jalur yang besar (4.8 eV), dijangka mencapai keupayaan voltan tahan tinggi dan kuasa tinggi, dan berpotensi untuk penyesuaian voltan tinggi pada rintangan yang agak rendah, menjadikannya tumpuan penyelidikan semasa. Di samping itu, Ga2O3 bukan sahaja mempunyai sifat bahan yang sangat baik, tetapi juga menyediakan pelbagai teknologi doping jenis-n yang mudah dilaraskan, serta teknologi pertumbuhan substrat dan epitaksi berkos rendah. Setakat ini, lima fasa kristal berbeza telah ditemui dalam Ga2O3, termasuk fasa korundum (α), monoklinik (β), spinel (γ), kubik (δ) dan ortorombik (ɛ) yang rosak. Kestabilan termodinamik, mengikut urutan, adalah γ, δ, α, ɛ, dan β. Perlu diingatkan bahawa β-Ga2O3 monoklinik adalah yang paling stabil, terutamanya pada suhu tinggi, manakala fasa lain adalah metastabil di atas suhu bilik dan cenderung untuk berubah menjadi fasa β di bawah keadaan terma tertentu. Oleh itu, pembangunan peranti berasaskan β-Ga2O3 telah menjadi tumpuan utama dalam bidang elektronik kuasa sejak kebelakangan ini.
Jadual 1 Perbandingan beberapa parameter bahan semikonduktor
Struktur kristal monoklinikβ-Ga2O3 ditunjukkan dalam Jadual 1. Parameter kekisinya termasuk a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, dan β = 103.8°. Sel unit terdiri daripada atom Ga(I) dengan koordinasi tetrahedral berpintal dan atom Ga(II) dengan koordinasi oktahedral. Terdapat tiga susunan atom oksigen yang berbeza dalam susunan "kubik berpintal", termasuk dua atom O(I) dan O(II) yang diselaraskan secara segi tiga dan satu atom O(III) yang diselaraskan secara tetrahedral. Gabungan kedua-dua jenis koordinasi atom ini membawa kepada anisotropi β-Ga2O3 dengan sifat khas dalam fizik, kakisan kimia, optik dan elektronik.
Rajah 1 Gambarajah struktur skematik kristal β-Ga2O3 monoklinik
Dari perspektif teori jalur tenaga, nilai minimum jalur konduksi β-Ga2O3 diperoleh daripada keadaan tenaga yang sepadan dengan orbit hibrid 4s0 atom Ga. Perbezaan tenaga antara nilai minimum jalur konduksi dan aras tenaga vakum (tenaga afiniti elektron) diukur ialah 4 eV. Jisim elektron berkesan β-Ga2O3 diukur sebagai 0.28–0.33 me dan kekonduksian elektroniknya yang baik. Walau bagaimanapun, jalur valens maksimum mempamerkan lengkung Ek cetek dengan kelengkungan yang sangat rendah dan orbital O2p yang sangat setempat, menunjukkan bahawa lubang-lubang tersebut berada dalam kedudukan setempat yang mendalam. Ciri-ciri ini menimbulkan cabaran besar untuk mencapai pendopan jenis-p dalam β-Ga2O3. Walaupun pendopan jenis-P dapat dicapai, lubang μ kekal pada tahap yang sangat rendah. 2. Pertumbuhan hablur tunggal galium oksida pukal Setakat ini, kaedah pertumbuhan substrat hablur tunggal pukal β-Ga2O3 terutamanya kaedah penarikan hablur, seperti Czochralski (CZ), kaedah penyuapan filem nipis takrif tepi (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (rtical atau horizontal Bridgman, HB atau VB) dan teknologi zon terapung (floating zone, FZ). Antara semua kaedah, kaedah penyuapan filem nipis takrif tepi dan Czochralski dijangka menjadi jalan yang paling menjanjikan untuk pengeluaran besar-besaran wafer β-Ga2O3 pada masa hadapan, kerana ia boleh mencapai isipadu yang besar dan ketumpatan kecacatan yang rendah secara serentak. Sehingga kini, Teknologi Kristal Novel Jepun telah merealisasikan matriks komersial untuk pertumbuhan leburan β-Ga2O3.
1.1 Kaedah Czochralski
Prinsip kaedah Czochralski ialah lapisan benih ditutup terlebih dahulu, dan kemudian kristal tunggal ditarik keluar secara perlahan-lahan dari cair. Kaedah Czochralski semakin penting untuk β-Ga2O3 kerana keberkesanan kosnya, keupayaan saiz yang besar, dan pertumbuhan substrat berkualiti kristal yang tinggi. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh tekanan haba semasa pertumbuhan Ga2O3 pada suhu tinggi, penyejatan kristal tunggal, bahan cair, dan kerosakan pada mangkuk pijar Ir akan berlaku. Ini adalah hasil daripada kesukaran untuk mencapai doping jenis-n yang rendah dalam Ga2O3. Memperkenalkan jumlah oksigen yang sesuai ke dalam atmosfera pertumbuhan adalah salah satu cara untuk menyelesaikan masalah ini. Melalui pengoptimuman, β-Ga2O3 2 inci berkualiti tinggi dengan julat kepekatan elektron bebas 10^16~10^19 cm-3 dan ketumpatan elektron maksimum 160 cm2/Vs telah berjaya ditumbuhkan melalui kaedah Czochralski.
Rajah 2 Hablur tunggal β-Ga2O3 yang ditumbuhkan melalui kaedah Czochralski
1.2 Kaedah penyuapan filem yang ditentukan tepi
Kaedah penyuapan filem nipis yang ditentukan tepi dianggap sebagai pesaing utama untuk pengeluaran komersial bahan kristal tunggal Ga2O3 kawasan besar. Prinsip kaedah ini adalah untuk meletakkan cair dalam acuan dengan celah kapilari, dan cair naik ke acuan melalui tindakan kapilari. Di bahagian atas, filem nipis terbentuk dan merebak ke semua arah sambil diinduksi untuk menghablur oleh kristal benih. Selain itu, tepi bahagian atas acuan boleh dikawal untuk menghasilkan kristal dalam kepingan, tiub atau sebarang geometri yang diingini. Kaedah penyuapan filem nipis yang ditentukan tepi bagi Ga2O3 memberikan kadar pertumbuhan yang pantas dan diameter yang besar. Rajah 3 menunjukkan gambarajah kristal tunggal β-Ga2O3. Di samping itu, dari segi skala saiz, substrat β-Ga2O3 2 inci dan 4 inci dengan ketelusan dan keseragaman yang sangat baik telah dikomersialkan, manakala substrat 6 inci ditunjukkan dalam penyelidikan untuk pengkomersialan masa hadapan. Baru-baru ini, bahan pukal kristal tunggal bulat yang besar juga telah tersedia dengan orientasi (−201). Di samping itu, kaedah penyuapan filem takrif tepi β-Ga2O3 juga menggalakkan pendopan unsur logam peralihan, sekali gus memungkinkan penyelidikan dan penyediaan Ga2O3.
Rajah 3 hablur tunggal β-Ga2O3 yang ditumbuhkan melalui kaedah penyuapan filem yang ditakrifkan tepi
1.3 Kaedah Bridgeman
Dalam kaedah Bridgeman, hablur dibentuk dalam mangkuk pijar yang digerakkan secara beransur-ansur melalui kecerunan suhu. Proses ini boleh dilakukan dalam orientasi mendatar atau menegak, biasanya menggunakan mangkuk pijar berputar. Perlu diingatkan bahawa kaedah ini mungkin atau mungkin tidak menggunakan biji hablur. Operator Bridgman tradisional kekurangan visualisasi langsung proses peleburan dan pertumbuhan hablur dan mesti mengawal suhu dengan ketepatan yang tinggi. Kaedah Bridgman menegak digunakan terutamanya untuk pertumbuhan β-Ga2O3 dan dikenali kerana keupayaannya untuk tumbuh dalam persekitaran udara. Semasa proses pertumbuhan kaedah Bridgman menegak, jumlah kehilangan jisim leburan dan mangkuk pijar dikekalkan di bawah 1%, membolehkan pertumbuhan hablur tunggal β-Ga2O3 yang besar dengan kehilangan yang minimum.
Rajah 4 Hablur tunggal β-Ga2O3 yang ditumbuhkan melalui kaedah Bridgeman
1.4 Kaedah zon terapung
Kaedah zon terapung menyelesaikan masalah pencemaran kristal oleh bahan mangkuk pijar dan mengurangkan kos tinggi yang berkaitan dengan mangkuk pijar inframerah tahan suhu tinggi. Semasa proses pertumbuhan ini, leburan boleh dipanaskan oleh lampu dan bukannya sumber RF, sekali gus memudahkan keperluan untuk peralatan pertumbuhan. Walaupun bentuk dan kualiti kristal β-Ga2O3 yang ditumbuhkan melalui kaedah zon terapung masih belum optimum, kaedah ini membuka kaedah yang menjanjikan untuk menumbuhkan β-Ga2O3 berketulenan tinggi menjadi kristal tunggal yang mesra bajet.
Rajah 5 hablur tunggal β-Ga2O3 yang ditumbuhkan melalui kaedah zon terapung.
Masa siaran: 30 Mei 2024