Halfgeleiders met een brede bandgap (WBG), zoals siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN), hebben veel aandacht gekregen. Er zijn hoge verwachtingen van de toepassingsmogelijkheden van siliciumcarbide in elektrische voertuigen en elektriciteitsnetten, evenals van de toepassingsmogelijkheden van galliumnitride in snelladen. De afgelopen jaren is er aanzienlijke vooruitgang geboekt in het onderzoek naar Ga2O3, AlN en diamantmaterialen, waardoor halfgeleiders met een ultrabrede bandgap in de belangstelling zijn komen te staan. Galliumoxide (Ga2O3) is een opkomend halfgeleidermateriaal met een ultrabrede bandgap, met een bandgap van 4,8 eV, een theoretische kritische doorslagsterkte van ongeveer 8 MV cm⁻¹, een verzadigingssnelheid van ongeveer 2E7 cm s⁻¹ en een hoge Baliga-kwaliteitsfactor van 3000. Dit materiaal geniet brede belangstelling in de hoogspannings- en hoogfrequente vermogenselektronica.
1. Materiaaleigenschappen van galliumoxide
Ga2O3 heeft een grote bandgap (4,8 eV), zal naar verwachting zowel een hoge doorslagspanning als een hoog vermogen leveren en heeft de potentie voor hoge spanningsaanpassing bij een relatief lage weerstand, waardoor het een belangrijk onderzoeksobject is. Bovendien heeft Ga2O3 niet alleen uitstekende materiaaleigenschappen, maar biedt het ook een verscheidenheid aan gemakkelijk instelbare n-type doteringstechnologieën, evenals goedkope substraatgroei- en epitaxietechnologieën. Tot nu toe zijn er vijf verschillende kristalfasen in Ga2O3 ontdekt, waaronder de korundfase (α), de monoklinische fase (β), de defecte spinelfase (γ), de kubische fase (δ) en de orthorhombische fase (ɛ). De thermodynamische stabiliteit is, in volgorde, γ, δ, α, ɛ en β. Het is belangrijk op te merken dat de monoklinische β-Ga2O3 het meest stabiel is, vooral bij hoge temperaturen, terwijl de andere fasen metastabiel zijn boven kamertemperatuur en onder specifieke thermische omstandigheden de neiging hebben om in de β-fase te transformeren. Daarom is de ontwikkeling van op β-Ga2O3 gebaseerde apparaten de afgelopen jaren een belangrijk aandachtspunt geworden binnen de vermogenselektronica.
Tabel 1 Vergelijking van enkele parameters van halfgeleidermaterialen
De kristalstructuur van monoklinisch β-Ga2O3 wordt 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 gedraaide tetraëdrische coördinatie en Ga(II)-atomen met octaëdrische coördinatie. Er zijn drie verschillende arrangementen van zuurstofatomen in de "gedraaide kubische" structuur, waaronder twee driehoekig gecoördineerde O(I)- en O(II)-atomen en één tetraëdrisch gecoördineerd O(III)-atoom. De combinatie van deze twee typen atoomcoördinatie leidt tot de anisotropie van β-Ga2O3 met bijzondere eigenschappen op het gebied van natuurkunde, chemische corrosie, optica en elektronica.
Figuur 1 Schematisch structuurdiagram van het monoklinische 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 orbitaal van het Ga-atoom. Het energieverschil tussen de minimumwaarde van de geleidingsband en het vacuümenergieniveau (elektronenaffiniteitsenergie) is gemeten en bedraagt 4 eV. De effectieve elektronenmassa van β-Ga2O3 is gemeten op 0,28–0,33 me en de elektronengeleiding is gunstig. De valentiebandmaximum vertoont echter een vlakke Ek-curve met een zeer lage kromming en sterk gelokaliseerde O2p-orbitalen, wat suggereert dat de gaten sterk gelokaliseerd zijn. Deze kenmerken vormen een enorme uitdaging voor het bereiken van p-type dotering in β-Ga2O3. Zelfs als p-type dotering mogelijk is, blijft de gatendichtheid μ op een zeer laag niveau. 2. Groei van bulkgalliumoxide-eenkristallen Tot nu toe is de groeimethode voor β-Ga2O3 bulk-eenkristalsubstraten voornamelijk gebaseerd op kristaltrekking, zoals de Czochralski-methode (CZ), de edge-defined thin-film feeding-methode (EFG), de Bridgman-methode (rticale of horizontale Bridgman, HB of VB) en de floating zone-technologie (FZ). Van al deze methoden worden de Czochralski-methode en de edge-defined thin-film feeding-methode beschouwd als de meest veelbelovende voor de massaproductie van β-Ga2O3-wafers in de toekomst, omdat ze tegelijkertijd grote volumes en een lage defectdichtheid mogelijk maken. Het Japanse bedrijf Novel Crystal Technology heeft inmiddels een commerciële matrix voor smeltgroei van β-Ga2O3 gerealiseerd.
1.1 Czochralski-methode
Het principe van de Czochralski-methode is dat eerst de kiemlaag wordt aangebracht en vervolgens het eenkristal langzaam uit de smelt wordt getrokken. De Czochralski-methode wordt steeds belangrijker voor β-Ga2O3 vanwege de kosteneffectiviteit, de mogelijkheid om grote afmetingen te bereiken en de groei van een substraat met een hoge kristalkwaliteit. Door thermische spanning tijdens de groei van Ga2O3 bij hoge temperaturen kan echter verdamping van eenkristallen en smeltmateriaal optreden, evenals schade aan de Ir-kroes. Dit is een gevolg van de moeilijkheid om een lage n-type dotering in Ga2O3 te bereiken. Het toevoegen van een geschikte hoeveelheid zuurstof aan de groeiatmosfeer is een manier om dit probleem op te lossen. Door optimalisatie is het met succes gelukt om met de Czochralski-methode hoogwaardige 2-inch β-Ga2O3 te kweken met een vrije elektronenconcentratie van 10^16 tot 10^19 cm⁻³ en een maximale elektronendichtheid van 160 cm²/Vs.
Figuur 2. Eenkristal van β-Ga2O3 gekweekt met de Czochralski-methode.
1.2 Randgedefinieerde filmtoevoermethode
De randgedefinieerde dunnefilmtoevoermethode wordt beschouwd als de meest veelbelovende methode voor de commerciële productie van grootschalige Ga2O3-eenkristallen. Het principe van deze methode is het plaatsen van de smelt in een mal met een capillaire spleet, waarna de smelt door capillaire werking naar de mal stijgt. Bovenaan vormt zich een dunne film die zich in alle richtingen verspreidt, terwijl de kristallisatie wordt gestimuleerd door het zaadkristal. Bovendien kunnen de randen van de mal worden gecontroleerd om kristallen te produceren in de vorm van vlokken, buizen of elke gewenste geometrie. De randgedefinieerde dunnefilmtoevoermethode voor Ga2O3 zorgt voor snelle groeisnelheden en grote diameters. Figuur 3 toont een diagram van een β-Ga2O3-eenkristal. Wat betreft de schaal zijn er 2-inch en 4-inch β-Ga2O3-substraten met uitstekende transparantie en uniformiteit op de markt gebracht, terwijl een 6-inch substraat momenteel wordt onderzocht voor toekomstige commercialisering. Recent zijn er ook grote cirkelvormige eenkristallen met (−201)-oriëntatie beschikbaar gekomen. Bovendien bevordert de β-Ga2O3-randgedefinieerde filmtoevoermethode ook de dotering met overgangsmetaalelementen, waardoor onderzoek naar en bereiding van Ga2O3 mogelijk wordt.
Figuur 3: β-Ga2O3-eenkristal gekweekt met behulp van de randgedefinieerde filmtoevoermethode.
1.3 Bridgeman-methode
Bij de Bridgman-methode worden kristallen gevormd in een smeltkroes die geleidelijk door een temperatuurgradiënt wordt bewogen. Het proces kan horizontaal of verticaal worden uitgevoerd, meestal met behulp van een roterende smeltkroes. Het is belangrijk om te weten dat bij deze methode al dan niet gebruik wordt gemaakt van kristalkiemen. Traditionele Bridgman-operators hebben geen direct zicht op het smelt- en kristalgroeiproces en moeten de temperatuur 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 groeiproces met de verticale Bridgman-methode blijft het totale massaverlies van de smelt en de smeltkroes onder de 1%, waardoor de groei van grote β-Ga2O3-eenkristallen met minimaal verlies mogelijk is.
Figuur 4. Eenkristal van β-Ga2O3 gekweekt met de Bridgeman-methode.
1.4 Zwevende zone-methode
De zweefzonemethode lost het probleem van kristalverontreiniging door smeltkroesmaterialen op en verlaagt de hoge kosten die gepaard gaan met hittebestendige infraroodsmeltkroezen. Tijdens dit groeiproces kan de smelt worden verwarmd door een lamp in plaats van een RF-bron, waardoor de eisen aan de groeiapparatuur worden vereenvoudigd. Hoewel de vorm en kristalkwaliteit van β-Ga2O3 gekweekt met de zweefzonemethode nog niet optimaal zijn, biedt deze methode een veelbelovende mogelijkheid om zeer zuiver β-Ga2O3 te kweken tot budgetvriendelijke enkelkristallen.
Figuur 5: β-Ga2O3-eenkristal gekweekt met de zweefzonemethode.
Geplaatst op: 30 mei 2024