Bredt båndgap (WBG) halvledere representert ved silisiumkarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN) har fått bred oppmerksomhet. Folk har høye forventninger til bruksmulighetene for silisiumkarbid i elektriske kjøretøy og strømnett, samt bruksmulighetene for galliumnitrid i hurtiglading. I de senere år har forskning på Ga2O3-, AlN- og diamantmaterialer gjort betydelige fremskritt, noe som har gjort halvledermaterialer med ultrabredt båndgap til fokus. Blant dem er galliumoksid (Ga2O3) et fremvoksende halvledermateriale med ultrabredt båndgap med et båndgap på 4,8 eV, en teoretisk kritisk gjennombruddsfeltstyrke på omtrent 8 MV cm⁻¹, en metningshastighet på omtrent 2E7cm⁻¹ og en høy Baliga-kvalitetsfaktor på 3000, som får bred oppmerksomhet innen høyspennings- og høyfrekvent kraftelektronikk.
1. Egenskaper for galliumoksidmateriale
Ga₂O₃ har et stort båndgap (4,8 eV), forventes å oppnå både høy spenningsbestandighet og høy effekt, og kan ha potensial for tilpasningsevne til høy spenning ved relativt lav motstand, noe som gjør dem til fokus for nåværende forskning. I tillegg har Ga₂O₃ ikke bare utmerkede materialegenskaper, men tilbyr også en rekke lett justerbare n-type dopingteknologier, samt rimelige substratvekst- og epitaksiteknologier. Så langt er fem forskjellige krystallfaser oppdaget i Ga₂O₃, inkludert korund (α), monoklin (β), defekt spinell (γ), kubisk (δ) og ortorombisk (ɛ) faser. Termodynamiske stabiliteter er, i rekkefølge, γ, δ, α, ɛ og β. Det er verdt å merke seg at monoklin β-Ga₂O₃ er den mest stabile, spesielt ved høye temperaturer, mens andre faser er metastabile over romtemperatur og har en tendens til å transformere til β-fasen under spesifikke termiske forhold. Derfor har utviklingen av β-Ga2O3-baserte enheter blitt et hovedfokus innen kraftelektronikk de siste årene.
Tabell 1 Sammenligning av noen parametere for halvledermaterialer
Krystallstrukturen til monoklinisk β-Ga₂O₃ er vist i tabell 1. Gitterparametrene inkluderer a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å og β = 103,8°. Enhetscellen består av Ga(I)-atomer med vridd tetraedrisk koordinasjon og Ga(II)-atomer med oktaedrisk koordinasjon. Det er tre forskjellige arrangementer av oksygenatomer i den "vridde kubiske" matrisen, inkludert to trekantet koordinerte O(I)- og O(II)-atomer og ett tetraedrisk koordinert O(III)-atom. Kombinasjonen av disse to typene atomkoordinasjon fører til anisotropien til β-Ga₂O₃ med spesielle egenskaper innen fysikk, kjemisk korrosjon, optikk og elektronikk.
Figur 1 Skjematisk strukturdiagram av monoklinisk β-Ga2O3-krystall
Fra et energibåndteoriperspektiv er minimumsverdien av ledningsbåndet til β-Ga₂O₃ avledet fra energitilstanden som tilsvarer 4s⁻⁴-hybridbanen til Ga-atomet. Energiforskjellen mellom minimumsverdien av ledningsbåndet og vakuumenerginivået (elektronaffinitetsenergi) måles til 4 eV. Den effektive elektronmassen til β-Ga₂O₃ måles til 0,28–0,33 me, og dens gunstige elektroniske ledningsevne er gunstig. Valensbåndets maksimum viser imidlertid en grunn Ek-kurve med svært lav krumning og sterkt lokaliserte O₂p-orbitaler, noe som tyder på at hullene er dypt lokaliserte. Disse egenskapene utgjør en stor utfordring for å oppnå p-type doping i β-Ga₂O₃. Selv om P-type doping kan oppnås, forblir hullet μ på et svært lavt nivå. 2. Vekst av galliumoksid-enkeltkrystall i bulk Så langt har vekstmetoden for β-Ga2O3-enkeltkrystallsubstrat hovedsakelig vært krystalltrekkingsmetoden, som Czochralski (CZ), kantdefinert tynnfilmmatingsmetoden (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman-teknologi (rtikal eller horisontal Bridgman, HB eller VB) og flytende sone (flytende sone, FZ). Blant alle metodene forventes Czochralski og kantdefinerte tynnfilmmatingsmetoder å være de mest lovende veiene for masseproduksjon av β-Ga2O3-wafere i fremtiden, ettersom de samtidig kan oppnå store volumer og lave defekttettheter. Hittil har Japans Novel Crystal Technology realisert en kommersiell matrise for smeltevekst av β-Ga2O3.
1.1 Czochralski-metoden
Prinsippet bak Czochralski-metoden er at kimlaget først dekkes, og deretter trekkes enkeltkrystallen sakte ut av smelten. Czochralski-metoden blir stadig viktigere for β-Ga2O3 på grunn av dens kostnadseffektivitet, store størrelsesmuligheter og substratvekst av høy krystallkvalitet. På grunn av termisk stress under høytemperaturvekst av Ga2O3 vil det imidlertid oppstå fordampning av enkeltkrystaller, smeltematerialer og skade på Ir-digelen. Dette er et resultat av vanskeligheten med å oppnå lav n-type doping i Ga2O3. Å introdusere en passende mengde oksygen i vekstatmosfæren er en måte å løse dette problemet på. Gjennom optimalisering har høykvalitets 2-tommers β-Ga2O3 med et frielektronkonsentrasjonsområde på 10^16~10^19 cm-3 og en maksimal elektrontetthet på 160 cm2/Vs blitt dyrket med Czochralski-metoden.
Figur 2 Enkeltkrystall av β-Ga2O3 dyrket med Czochralski-metoden
1.2 Kantdefinert filmmatingsmetode
Den kantdefinerte tynnfilmmatingsmetoden regnes som den ledende kandidaten for kommersiell produksjon av Ga2O3-enkrystallmaterialer med stort areal. Prinsippet bak denne metoden er å plassere smelten i en form med en kapillærspalte, og smelten stiger til formen gjennom kapillærvirkning. På toppen dannes en tynn film som sprer seg i alle retninger mens den induseres til å krystallisere av kimkrystallen. I tillegg kan kantene på formtoppen kontrolleres for å produsere krystaller i flak, rør eller en hvilken som helst ønsket geometri. Den kantdefinerte tynnfilmmatingsmetoden for Ga2O3 gir raske vekstrater og store diametre. Figur 3 viser et diagram av en β-Ga2O3-enkeltkrystall. I tillegg, når det gjelder størrelsesskala, har 2-tommers og 4-tommers β-Ga2O3-substrater med utmerket transparens og ensartethet blitt kommersialisert, mens 6-tommers substrat er demonstrert i forskning for fremtidig kommersialisering. Nylig har store sirkulære enkrystallbulkmaterialer også blitt tilgjengelige med (−201) orientering. I tillegg fremmer β-Ga2O3 kantdefinert filmmatingsmetoden også doping av overgangsmetallelementer, noe som gjør forskning på og fremstilling av Ga2O3 mulig.
Figur 3 β-Ga2O3 enkeltkrystall dyrket med kantdefinert filmmatingmetode
1.3 Bridgeman-metoden
I Bridgeman-metoden dannes krystaller i en digel som gradvis beveges gjennom en temperaturgradient. Prosessen kan utføres i horisontal eller vertikal retning, vanligvis ved bruk av en roterende digel. Det er verdt å merke seg at denne metoden kan bruke krystallfrø eller ikke. Tradisjonelle Bridgman-operatører mangler direkte visualisering av smelte- og krystallvekstprosessene og må kontrollere temperaturene med høy presisjon. Den vertikale Bridgman-metoden brukes hovedsakelig til vekst av β-Ga₂O₃ og er kjent for sin evne til å vokse i et luftmiljø. Under den vertikale Bridgman-metodens vekstprosess holdes det totale massetapet av smelten og digelen under 1 %, noe som muliggjør vekst av store β-Ga₂O₃-enkeltkrystaller med minimalt tap.
Figur 4 Enkeltkrystall av β-Ga2O3 dyrket med Bridgeman-metoden
1.4 Flytesonemetoden
Flytesonemetoden løser problemet med krystallforurensning fra digelmaterialer og reduserer de høye kostnadene forbundet med høytemperaturbestandige infrarøde digler. Under denne vekstprosessen kan smelten varmes opp av en lampe i stedet for en RF-kilde, noe som forenkler kravene til vekstutstyr. Selv om formen og krystallkvaliteten til β-Ga2O3 dyrket med flytesonemetoden ennå ikke er optimal, åpner denne metoden for en lovende metode for å dyrke β-Ga2O3 med høy renhet til budsjettvennlige enkeltkrystaller.
Figur 5 β-Ga2O3 enkeltkrystall dyrket med flytende sonemetoden.
Publiseringstid: 30. mai 2024