Halfgeleiders met een brede bandgap (WBG), vertegenwoordigd door siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN), hebben veel aandacht gekregen. Men heeft hoge verwachtingen van de toepassingsmogelijkheden van siliciumcarbide in elektrische voertuigen en elektriciteitsnetten, evenals de toepassingsmogelijkheden van galliumnitride bij snelladen. In de afgelopen jaren heeft onderzoek naar Ga2O3, AlN en diamantmaterialen aanzienlijke vooruitgang geboekt, waardoor halfgeleidermaterialen met een ultrabrede bandgap in het middelpunt van de belangstelling staan. Galliumoxide (Ga2O3) is een opkomend halfgeleidermateriaal met een ultrabrede bandgap met een bandgap van 4,8 eV, een theoretische kritische doorslagveldsterkte van ongeveer 8 MV cm-1, een verzadigingssnelheid van ongeveer 2E7cm s-1 en een hoge Baliga-kwaliteitsfactor van 3000, dat veel aandacht krijgt in het veld van hoogspannings- en hoogfrequente vermogenselektronica.
1. Eigenschappen van galliumoxidemateriaal
Ga2O3 heeft een grote band gap (4,8 eV), zal naar verwachting zowel een hoge doorslagspanning als een hoog vermogen bereiken, en kan potentieel hoge spanningsaanpassingen hebben bij een relatief lage weerstand, waardoor ze het middelpunt zijn van huidig onderzoek. Bovendien heeft Ga2O3 niet alleen uitstekende materiaaleigenschappen, maar biedt het ook een verscheidenheid aan eenvoudig aanpasbare n-type dopingtechnologieën, evenals goedkope substraatgroei- en epitaxietechnologieën. Tot nu toe zijn er vijf verschillende kristalfasen ontdekt in Ga2O3, waaronder korund (α), monoklinische (β), defecte spinel (γ), kubische (δ) en orthorombische (ɛ) fasen. Thermodynamische stabiliteiten zijn, in volgorde, γ, δ, α, ɛ en β. Het is vermeldenswaard dat monoklinische β-Ga2O3 het meest stabiel is, vooral bij hoge temperaturen, terwijl andere fasen metastabiel zijn boven kamertemperatuur en de neiging hebben om te transformeren naar de β-fase onder specifieke thermische omstandigheden. Daarom is de ontwikkeling van β-Ga2O3-gebaseerde apparaten de afgelopen jaren een belangrijk aandachtspunt geworden binnen de vermogenselektronica.
Tabel 1 Vergelijking van enkele parameters van halfgeleidermateriaal
De kristalstructuur van monoklien β-Ga2O3 is weergegeven in tabel 1. De roosterparameters zijn a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å en β = 103,8°. De eenheidscel bestaat uit Ga(I)-atomen met een getordeerde tetraëdrische coördinatie en Ga(II)-atomen met een octaëdrische coördinatie. Er zijn drie verschillende rangschikkingen van zuurstofatomen in de "getordeerde kubische" matrix, waaronder twee driehoekig gecoördineerde O(I)- en O(II)-atomen en één tetraëdrisch gecoördineerd O(III)-atoom. De combinatie van deze twee typen atomaire coördinatie leidt tot de anisotropie van β-Ga2O3 met bijzondere eigenschappen in de natuurkunde, chemische corrosie, optica en elektronica.
Figuur 1 Schematisch structuurdiagram van monoklien β-Ga2O3-kristal
Vanuit het perspectief van de energiebandtheorie wordt de minimumwaarde van de geleidingsband van β-Ga2O3 afgeleid van de energietoestand die overeenkomt met de 4s0 hybride baan van het Ga-atoom. Het energieverschil tussen de minimumwaarde van de geleidingsband en het vacuümenergieniveau (elektronenaffiniteitsenergie) wordt gemeten. is 4 eV. De effectieve elektronmassa van β-Ga2O3 wordt gemeten als 0,28–0,33 m µm en de gunstige elektronische geleidbaarheid. Het maximum van de valentieband vertoont echter een ondiepe Ek-curve met een zeer lage kromming en sterk gelokaliseerde O2p-orbitalen, wat suggereert dat de gaten diep gelokaliseerd zijn. Deze eigenschappen vormen een enorme uitdaging om p-type doping in β-Ga2O3 te bereiken. Zelfs als p-type doping kan worden bereikt, blijft de μ van het gat op een zeer laag niveau. 2. Groei van bulk galliumoxide monokristallen. Tot nu toe is de groeimethode van bulk β-Ga2O3 monokristallijn substraat voornamelijk de kristaltrekmethode, zoals Czochralski (CZ), edge-defined dunnefilm-feeding (Edge-defined film-fed, EFG), Bridgman (horizontaal of verticaal Bridgman, HB of VB) en floating zone (floating zone, FZ) technologie. Van alle methoden worden Czochralski en edge-defined dunnefilm-feeding naar verwachting de meest veelbelovende methoden voor massaproductie van β-Ga2O3 wafers in de toekomst, omdat ze tegelijkertijd grote volumes en lage defectdichtheden kunnen bereiken. Tot nu toe heeft het Japanse Novel Crystal Technology een commerciële matrix ontwikkeld voor smeltgroei van β-Ga2O3.
1.1 Czochralski-methode
Het principe van de Czochralski-methode is dat eerst de kiemlaag wordt bedekt en vervolgens het monokristal langzaam uit de smelt wordt getrokken. De Czochralski-methode wordt steeds belangrijker voor β-Ga2O3 vanwege de kosteneffectiviteit, de mogelijkheden voor grote afmetingen en de substraatgroei van hoge kristalkwaliteit. Door thermische spanning tijdens de groei van Ga2O3 bij hoge temperatuur zal echter verdamping van monokristallen en smeltmaterialen optreden en zal de Ir-kroes beschadigd raken. Dit is een gevolg van de moeilijkheid om een lage n-type doping in Ga2O3 te bereiken. Het introduceren van een geschikte hoeveelheid zuurstof in de groeiatmosfeer is een manier om dit probleem op te lossen. Door optimalisatie is met succes hoogwaardige 2-inch β-Ga2O3 met een vrije-elektronenconcentratiebereik van 10^16~10^19 cm-3 en een maximale elektronendichtheid van 160 cm2/Vs gegroeid met behulp van de Czochralski-methode.
Figuur 2 Enkelvoudig kristal van β-Ga2O3 gegroeid met de Czochralski-methode
1.2 Randgedefinieerde filminvoermethode
De edge-defined dunnefilm-aanvoermethode wordt beschouwd als de belangrijkste kandidaat voor de commerciële productie van Ga2O3-monokristalmaterialen met een groot oppervlak. Het principe van deze methode is dat de smelt in een mal met een capillaire spleet wordt geplaatst, waarna de smelt door capillaire werking naar de mal stijgt. Bovenaan vormt zich een dunne film die zich in alle richtingen verspreidt terwijl het entkristal kristalliseert. Bovendien kunnen de randen van de bovenkant van de mal worden gecontroleerd om kristallen te produceren in vlokken, buisjes of elke gewenste geometrie. De edge-defined dunnefilm-aanvoermethode van Ga2O3 biedt snelle groeisnelheden en grote diameters. Figuur 3 toont een diagram van een β-Ga2O3-monokristal. Daarnaast zijn, wat betreft de grootteschaal, 2-inch en 4-inch β-Ga2O3-substraten met uitstekende transparantie en uniformiteit gecommercialiseerd, terwijl het 6-inch substraat wordt gedemonstreerd in onderzoek voor toekomstige commercialisering. Recentelijk zijn ook grote, circulaire monokristallijne bulkmaterialen beschikbaar gekomen met een (−201) oriëntatie. Bovendien bevordert de β-Ga2O3 edge-defined filmfeedingmethode ook de dotering van overgangsmetaalelementen, wat het onderzoek naar en de bereiding van Ga2O3 mogelijk maakt.
Figuur 3 β-Ga2O3-eenkristal gegroeid met behulp van een edge-defined filmfeeding-methode
1.3 Bridgeman-methode
Bij de Bridgeman-methode worden kristallen gevormd in een smeltkroes die geleidelijk door een temperatuurgradiënt beweegt. Het proces kan horizontaal of verticaal worden uitgevoerd, meestal met behulp van een roterende smeltkroes. Het is belangrijk om te weten dat deze methode al dan niet gebruikmaakt van kristalkiemen. Traditionele Bridgman-operators missen directe visualisatie van de smelt- en kristalgroeiprocessen en moeten de temperaturen zeer nauwkeurig regelen. De verticale Bridgman-methode wordt voornamelijk gebruikt voor de groei van β-Ga2O3 en staat bekend om zijn vermogen om in een luchtomgeving te groeien. Tijdens het verticale groeiproces met de Bridgman-methode wordt het totale massaverlies van de smelt en de smeltkroes onder de 1% gehouden, waardoor de groei van grote β-Ga2O3-kristallen met minimaal verlies mogelijk is.
Figuur 4 Enkelvoudig kristal van β-Ga2O3 gegroeid met de Bridgeman-methode
1.4 Drijvende zonemethode
De floating zone-methode lost het probleem van kristalverontreiniging door kroesmaterialen op en verlaagt de hoge kosten die gepaard gaan met hittebestendige infraroodkroezen. Tijdens dit groeiproces kan de smelt worden verwarmd door een lamp in plaats van een RF-bron, wat de eisen aan groeiapparatuur vereenvoudigt. Hoewel de vorm en kristalkwaliteit van β-Ga2O3, gekweekt met de floating zone-methode, nog niet optimaal zijn, biedt deze methode een veelbelovende methode voor het kweken van zeer zuivere β-Ga2O3 tot budgetvriendelijke monokristallen.
Figuur 5 β-Ga2O3-eenkristal gegroeid met behulp van de zwevendezonemethode.
Geplaatst op: 30 mei 2024