Semikondutturi b'bandgap wiesa' (WBG) rappreżentati minn silikon karbur (SiC) u gallju nitrur (GaN) irċevew attenzjoni mifruxa. In-nies għandhom aspettattivi għoljin għall-prospetti tal-applikazzjoni tas-silikon karbur f'vetturi elettriċi u grids tal-enerġija, kif ukoll il-prospetti tal-applikazzjoni tan-nitrid tal-gallju fl-iċċarġjar veloċi. Fi snin reċenti, ir-riċerka fuq Ga2O3, AlN u materjali tad-djamanti għamlet progress sinifikanti, u b'hekk il-materjali semikondutturi b'bandgap ultra-wiesgħa saru l-fokus tal-attenzjoni. Fost dawn, l-ossidu tal-gallju (Ga2O3) huwa materjal semikonduttur b'bandgap ultra-wiesgħa emerġenti b'band gap ta' 4.8 eV, saħħa teoretika kritika tal-kamp ta' tkissir ta' madwar 8 MV cm-1, veloċità ta' saturazzjoni ta' madwar 2E7cm s-1, u fattur ta' kwalità Baliga għoli ta' 3000, li qed jirċievi attenzjoni mifruxa fil-qasam tal-elettronika tal-enerġija ta' vultaġġ għoli u frekwenza għolja.
1. Karatteristiċi tal-materjal tal-ossidu tal-gallju
Ga2O3 għandu band gap kbir (4.8 eV), huwa mistenni li jikseb kemm vultaġġ għoli ta' reżistenza kif ukoll kapaċitajiet ta' qawwa għolja, u jista' jkollu l-potenzjal għal adattabilità ta' vultaġġ għoli b'reżistenza relattivament baxxa, li jagħmilhom il-fokus tar-riċerka attwali. Barra minn hekk, Ga2O3 mhux biss għandu proprjetajiet materjali eċċellenti, iżda jipprovdi wkoll varjetà ta' teknoloġiji ta' doping tat-tip n faċilment aġġustabbli, kif ukoll teknoloġiji ta' tkabbir tas-sottostrat u epitaxy bi prezz baxx. S'issa, ġew skoperti ħames fażijiet kristallini differenti f'Ga2O3, inklużi fażijiet tal-kurundun (α), monokliniku (β), spinel difettuż (γ), kubiku (δ) u ortorombiku (ɛ). L-istabbiltà termodinamika hija, fl-ordni, γ, δ, α, ɛ, u β. Ta' min jinnota li β-Ga2O3 monokliniku huwa l-aktar stabbli, speċjalment f'temperaturi għoljin, filwaqt li fażijiet oħra huma metastabbli 'l fuq mit-temperatura tal-kamra u għandhom it-tendenza li jittrasformaw fil-fażi β taħt kundizzjonijiet termali speċifiċi. Għalhekk, l-iżvilupp ta' apparati bbażati fuq β-Ga2O3 sar fokus ewlieni fil-qasam tal-elettronika tal-enerġija fis-snin riċenti.
Tabella 1 Paragun ta' xi parametri ta' materjali semikondutturi
L-istruttura kristallina tal-β-Ga2O3 monokliniku hija murija fit-Tabella 1. Il-parametri tal-kannizzata tiegħu jinkludu a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, u β = 103.8°. Iċ-ċellula unitarja tikkonsisti minn atomi Ga(I) b'koordinazzjoni tetraedrika mibruma u atomi Ga(II) b'koordinazzjoni ottaedrika. Hemm tliet arranġamenti differenti ta' atomi tal-ossiġnu fl-arranġament "kubiku mibrum", inklużi żewġ atomi O(I) u O(II) koordinati trijangularment u atomu O(III) koordinat tetraedrikament. Il-kombinazzjoni ta' dawn iż-żewġ tipi ta' koordinazzjoni atomika twassal għall-anisotropija ta' β-Ga2O3 bi proprjetajiet speċjali fil-fiżika, il-korrużjoni kimika, l-ottika u l-elettronika.
Figura 1 Dijagramma strutturali skematika ta' kristall monokliniku β-Ga2O3
Mill-perspettiva tat-teorija tal-medda tal-enerġija, il-valur minimu tal-medda ta' konduzzjoni ta' β-Ga2O3 huwa derivat mill-istat tal-enerġija li jikkorrispondi għall-orbita ibrida 4s0 tal-atomu Ga. Id-differenza fl-enerġija bejn il-valur minimu tal-medda ta' konduzzjoni u l-livell tal-enerġija tal-vakwu (enerġija tal-affinità tal-elettroni) hija mkejla. hija 4 eV. Il-massa effettiva tal-elettroni ta' β-Ga2O3 hija mkejla bħala 0.28–0.33 me u l-konduttività elettronika favorevoli tagħha. Madankollu, il-massimu tal-medda ta' valenza juri kurva Ek baxxa b'kurvatura baxxa ħafna u orbitali O2p lokalizzati ħafna, li jissuġġerixxi li t-toqob huma lokalizzati profondament. Dawn il-karatteristiċi joħolqu sfida kbira biex jinkiseb doping tat-tip p f'β-Ga2O3. Anke jekk id-doping tat-tip P jista' jinkiseb, it-toqba μ tibqa' f'livell baxx ħafna. 2. Tkabbir ta' kristall wieħed tal-ossidu tal-gallju bl-ingrossa S'issa, il-metodu ta' tkabbir tas-sottostrat ta' kristall wieħed bl-ingrossa β-Ga2O3 huwa prinċipalment il-metodu ta' ġbid tal-kristalli, bħal Czochralski (CZ), metodu ta' alimentazzjoni ta' film irqiq definit mit-tarf (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (Bridgman orizzontali jew orizzontali, HB jew VB) u t-teknoloġija taż-żona f'wiċċ l-ilma (floating zone, FZ). Fost il-metodi kollha, Czochralski u l-metodi ta' alimentazzjoni ta' film irqiq definit mit-tarf huma mistennija li jkunu l-aktar toroq promettenti għall-produzzjoni tal-massa ta' wejfers β-Ga2O3 fil-futur, peress li jistgħu simultanjament jiksbu volumi kbar u densitajiet baxxi ta' difetti. S'issa, Novel Crystal Technology tal-Ġappun realizzat matriċi kummerċjali għat-tkabbir tat-tidwib β-Ga2O3.
1.1 Metodu ta' Czochralski
Il-prinċipju tal-metodu Czochralski huwa li s-saff taż-żerriegħa l-ewwel jiġi mgħotti, u mbagħad il-kristall wieħed jinġibed bil-mod 'il barra mit-tidwib. Il-metodu Czochralski qed isir dejjem aktar importanti għal β-Ga2O3 minħabba l-kosteffettività tiegħu, il-kapaċitajiet ta' daqs kbir, u t-tkabbir tas-sottostrat ta' kwalità għolja tal-kristall. Madankollu, minħabba l-istress termali waqt it-tkabbir f'temperatura għolja ta' Ga2O3, se jseħħu evaporazzjoni ta' kristalli singoli, materjali tat-tidwib, u ħsara lill-griġjol Ir. Dan huwa riżultat tad-diffikultà biex jinkiseb doping baxx tat-tip n f'Ga2O3. L-introduzzjoni ta' ammont xieraq ta' ossiġnu fl-atmosfera tat-tkabbir hija mod wieħed kif tissolva din il-problema. Permezz tal-ottimizzazzjoni, β-Ga2O3 ta' 2 pulzieri ta' kwalità għolja b'firxa ta' konċentrazzjoni ta' elettroni ħielsa ta' 10^16~10^19 cm-3 u densità massima ta' elettroni ta' 160 cm2/Vs ġie mkabbar b'suċċess bil-metodu Czochralski.
Figura 2 Kristall wieħed ta' β-Ga2O3 imkabbar bil-metodu Czochralski
1.2 Metodu ta' tmigħ ta' film definit mit-tarf
Il-metodu ta' tmigħ ta' film irqiq definit mit-tarf huwa kkunsidrat bħala l-kontendent ewlieni għall-produzzjoni kummerċjali ta' materjali ta' kristall wieħed Ga2O3 b'erja kbira. Il-prinċipju ta' dan il-metodu huwa li t-tidwib jitqiegħed f'moffa b'qasma kapillari, u t-tidwib jitla' lejn il-moffa permezz ta' azzjoni kapillari. Fil-parti ta' fuq, jifforma film irqiq u jinfirex fid-direzzjonijiet kollha waqt li jiġi indott biex jikkristallizza mill-kristall taż-żerriegħa. Barra minn hekk, it-truf tal-parti ta' fuq tal-moffa jistgħu jiġu kkontrollati biex jipproduċu kristalli fi qxur, tubi, jew kwalunkwe ġeometrija mixtieqa. Il-metodu ta' tmigħ ta' film irqiq definit mit-tarf ta' Ga2O3 jipprovdi rati ta' tkabbir mgħaġġla u dijametri kbar. Il-Figura 3 turi dijagramma ta' kristall wieħed β-Ga2O3. Barra minn hekk, f'termini ta' skala tad-daqs, ġew kummerċjalizzati sottostrati β-Ga2O3 ta' 2 pulzieri u 4 pulzieri bi trasparenza u uniformità eċċellenti, filwaqt li s-sottostrat ta' 6 pulzieri huwa muri fir-riċerka għall-kummerċjalizzazzjoni futura. Riċentement, materjali kbar bl-ingrossa ta' kristall wieħed ċirkolari saru wkoll disponibbli b'orjentazzjoni (−201). Barra minn hekk, il-metodu ta' tmigħ ta' film definit bit-tarf β-Ga2O3 jippromwovi wkoll id-doping ta' elementi ta' metalli ta' transizzjoni, u b'hekk ir-riċerka u l-preparazzjoni ta' Ga2O3 ikunu possibbli.
Figura 3 Kristall wieħed β-Ga2O3 imkabbar bil-metodu ta' tmigħ ta' film definit mit-tarf
1.3 Metodu Bridgeman
Fil-metodu Bridgeman, il-kristalli huma ffurmati fi griġjol li jiġi mċaqlaq gradwalment permezz ta' gradjent tat-temperatura. Il-proċess jista' jitwettaq f'orjentazzjoni orizzontali jew vertikali, ġeneralment bl-użu ta' griġjol li jdur. Ta' min jinnota li dan il-metodu jista' juża jew ma jużax żrieragħ tal-kristall. L-operaturi tradizzjonali ta' Bridgman m'għandhomx viżwalizzazzjoni diretta tal-proċessi tat-tidwib u tat-tkabbir tal-kristalli u jridu jikkontrollaw it-temperaturi bi preċiżjoni għolja. Il-metodu Bridgman vertikali jintuża prinċipalment għat-tkabbir ta' β-Ga2O3 u huwa magħruf għall-abbiltà tiegħu li jikber f'ambjent tal-arja. Matul il-proċess tat-tkabbir tal-metodu Bridgman vertikali, it-telf totali tal-massa tat-tidwib u l-griġjol jinżamm taħt l-1%, li jippermetti t-tkabbir ta' kristalli singoli kbar ta' β-Ga2O3 b'telf minimu.
Figura 4 Kristall wieħed ta' β-Ga2O3 imkabbar bil-metodu Bridgeman
1.4 Metodu taż-żona f'wiċċ l-ilma
Il-metodu taż-żona f'wiċċ l-ilma jsolvi l-problema tal-kontaminazzjoni tal-kristalli minn materjali tal-griġjol u jnaqqas l-ispejjeż għoljin assoċjati ma' griġjol infra-aħmar reżistenti għat-temperatura għolja. Matul dan il-proċess ta' tkabbir, it-tidwib jista' jissaħħan minn lampa minflok minn sors RF, u b'hekk jissimplifika r-rekwiżiti għat-tagħmir tat-tkabbir. Għalkemm il-forma u l-kwalità tal-kristall ta' β-Ga2O3 imkabbar bil-metodu taż-żona f'wiċċ l-ilma għadhom mhumiex ottimali, dan il-metodu jiftaħ metodu promettenti għat-tkabbir ta' β-Ga2O3 ta' purità għolja fi kristalli singoli affordabbli.
Figura 5 Kristall wieħed ta' β-Ga2O3 imkabbar bil-metodu taż-żona f'wiċċ l-ilma.
Ħin tal-posta: 30 ta' Mejju 2024