Półprzewodniki szerokopasmowe (WBG) reprezentowane przez węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN) zyskały powszechną uwagę. Ludzie mają duże oczekiwania co do perspektyw zastosowania węglika krzemu w pojazdach elektrycznych i sieciach energetycznych, a także co do perspektyw zastosowania azotku galu w szybkim ładowaniu. W ostatnich latach badania nad materiałami Ga2O3, AlN i diamentowymi poczyniły znaczne postępy, sprawiając, że materiały półprzewodnikowe o ultraszerokiej przerwie energetycznej stały się przedmiotem zainteresowania. Spośród nich tlenek galu (Ga2O3) jest wschodzącym materiałem półprzewodnikowym o ultraszerokiej przerwie energetycznej z przerwą pasmową wynoszącą 4,8 eV, teoretyczną krytyczną siłą pola przebicia około 8 MV cm-1, prędkością nasycenia około 2E7cm s-1 i wysokim współczynnikiem jakości Baliga wynoszącym 3000, zyskując powszechną uwagę w dziedzinie elektroniki mocy wysokiego napięcia i wysokiej częstotliwości.
1. Charakterystyka materiału tlenku galu
Ga2O3 ma dużą przerwę pasmową (4,8 eV), oczekuje się, że osiągnie zarówno wysokie napięcie wytrzymywane, jak i wysoką moc, i może mieć potencjał do adaptacji wysokiego napięcia przy stosunkowo niskiej rezystancji, co czyni je przedmiotem obecnych badań. Ponadto Ga2O3 nie tylko ma doskonałe właściwości materiałowe, ale także zapewnia szereg łatwo regulowanych technologii domieszkowania typu n, a także niedrogie technologie wzrostu podłoża i epitaksji. Do tej pory odkryto pięć różnych faz krystalicznych w Ga2O3, w tym fazy korundowe (α), jednoskośne (β), defektowe spinele (γ), sześcienne (δ) i rombowe (ɛ). Stabilności termodynamiczne to, w kolejności, γ, δ, α, ɛ i β. Warto zauważyć, że jednoskośny β-Ga2O3 jest najbardziej stabilny, szczególnie w wysokich temperaturach, podczas gdy inne fazy są metastabilne powyżej temperatury pokojowej i mają tendencję do przekształcania się w fazę β w określonych warunkach termicznych. Dlatego w ostatnich latach rozwój urządzeń bazujących na β-Ga2O3 stał się jednym z głównych celów w dziedzinie elektroniki mocy.
Tabela 1 Porównanie niektórych parametrów materiałów półprzewodnikowych
Struktura krystaliczna jednoskośnego β-Ga2O3 jest pokazana w Tabeli 1. Jego parametry sieciowe obejmują a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å i β = 103,8°. Komórka elementarna składa się z atomów Ga(I) o skręconej koordynacji tetraedrycznej i atomów Ga(II) o koordynacji oktaedrycznej. Istnieją trzy różne układy atomów tlenu w układzie „skręconego sześciennego”, w tym dwa atomy O(I) i O(II) o skoordynowanej trójkątnie i jeden atom O(III) o skoordynowanej tetraedrycznie. Połączenie tych dwóch typów koordynacji atomowej prowadzi do anizotropii β-Ga2O3 o szczególnych właściwościach w fizyce, korozji chemicznej, optyce i elektronice.
Rysunek 1 Schematyczny diagram strukturalny jednoskośnego kryształu β-Ga2O3
Z perspektywy teorii pasm energetycznych, minimalna wartość pasma przewodnictwa β-Ga2O3 jest wyprowadzana ze stanu energetycznego odpowiadającego hybrydowej orbicie 4s0 atomu Ga. Mierzy się różnicę energii między minimalną wartością pasma przewodnictwa a poziomem energii próżni (energia powinowactwa elektronowego). wynosi 4 eV. Efektywna masa elektronowa β-Ga2O3 jest mierzona jako 0,28–0,33 me i jego korzystna przewodność elektronowa. Jednak maksimum pasma walencyjnego wykazuje płytką krzywą Ek z bardzo niską krzywizną i silnie zlokalizowanymi orbitalami O2p, co sugeruje, że dziury są głęboko zlokalizowane. Te cechy stanowią ogromne wyzwanie w celu uzyskania domieszkowania typu p w β-Ga2O3. Nawet jeśli można osiągnąć domieszkowanie typu P, dziura μ pozostaje na bardzo niskim poziomie. 2. Wzrost monokryształu tlenku galu w masie Do tej pory metoda wzrostu monokryształu β-Ga2O3 w masie to głównie metoda wyciągania kryształów, taka jak Czochralski (CZ), metoda podawania cienkich warstw o zdefiniowanej krawędzi (Edge-Defined film-fed, EFG), technologia Bridgmana (rtical lub horizontal Bridgman, HB lub VB) i technologia strefy pływającej (floating zone, FZ). Spośród wszystkich metod oczekuje się, że metody Czochralskiego i podawania cienkich warstw o zdefiniowanej krawędzi będą najbardziej obiecującymi drogami do masowej produkcji płytek β-Ga 2O3 w przyszłości, ponieważ mogą jednocześnie osiągać duże objętości i niskie zagęszczenie defektów. Do tej pory japońska Novel Crystal Technology zrealizowała komercyjną matrycę do wzrostu stopionego β-Ga2O3.
1.1 Metoda Czochralskiego
Zasada metody Czochralskiego polega na tym, że najpierw pokrywa się warstwę zarodkową, a następnie powoli wyciąga się monokryształ ze stopu. Metoda Czochralskiego jest coraz ważniejsza dla β-Ga2O3 ze względu na jej opłacalność, duże możliwości rozmiarowe i wzrost wysokiej jakości podłoża kryształu. Jednak ze względu na naprężenia termiczne podczas wzrostu Ga2O3 w wysokiej temperaturze, nastąpi odparowanie monokryształów, materiałów stopionych i uszkodzenie tygla Ir. Jest to wynik trudności w osiągnięciu niskiego domieszkowania typu n w Ga2O3. Wprowadzenie odpowiedniej ilości tlenu do atmosfery wzrostu jest jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu. Dzięki optymalizacji wysokiej jakości 2-calowy β-Ga2O3 o zakresie koncentracji swobodnych elektronów 10^16~10^19 cm-3 i maksymalnej gęstości elektronowej 160 cm2/Vs został pomyślnie wyhodowany metodą Czochralskiego.
Rysunek 2. Pojedynczy kryształ β-Ga2O3 wyhodowany metodą Czochralskiego
1.2 Metoda podawania folii z krawędzią zdefiniowaną
Metoda podawania cienkich warstw o zdefiniowanej krawędzi jest uważana za wiodącą w przypadku komercyjnej produkcji materiałów monokrystalicznych Ga2O3 o dużej powierzchni. Zasada tej metody polega na umieszczeniu stopu w formie z kapilarną szczeliną, a stop unosi się do formy poprzez działanie kapilarne. Na górze tworzy się cienka warstwa i rozprzestrzenia się we wszystkich kierunkach, jednocześnie indukując krystalizację przez kryształ zarodkowy. Ponadto krawędzie górnej części formy można kontrolować, aby wytwarzać kryształy w postaci płatków, rurek lub o dowolnej pożądanej geometrii. Metoda podawania cienkich warstw o zdefiniowanej krawędzi Ga2O3 zapewnia szybkie tempo wzrostu i duże średnice. Rysunek 3 przedstawia diagram monokryształu β-Ga2O3. Ponadto, jeśli chodzi o skalę rozmiarów, skomercjalizowano 2-calowe i 4-calowe podłoża β-Ga2O3 o doskonałej przezroczystości i jednorodności, podczas gdy podłoże 6-calowe jest demonstrowane w badaniach pod kątem przyszłej komercjalizacji. Ostatnio duże, okrągłe, monokrystaliczne materiały masowe stały się również dostępne z orientacją (−201). Ponadto metoda podawania filmu o zdefiniowanej krawędzi β-Ga2O3 również promuje domieszkowanie pierwiastków metali przejściowych, umożliwiając badania i przygotowanie Ga2O3.
Rysunek 3. Monokryształ β-Ga2O3 wytworzony metodą podawania filmu o zdefiniowanych krawędziach
1.3 Metoda Bridgemana
W metodzie Bridgemana kryształy są formowane w tyglu, który jest stopniowo przesuwany przez gradient temperatury. Proces może być wykonywany w orientacji poziomej lub pionowej, zwykle przy użyciu obracającego się tygla. Warto zauważyć, że ta metoda może lub nie używać zarodków kryształów. Tradycyjni operatorzy Bridgmana nie mają bezpośredniej wizualizacji procesów topienia i wzrostu kryształów i muszą kontrolować temperatury z dużą precyzją. Pionowa metoda Bridgmana jest stosowana głównie do wzrostu β-Ga2O3 i jest znana ze swojej zdolności do wzrostu w środowisku powietrznym. Podczas pionowego procesu wzrostu metodą Bridgmana całkowita utrata masy stopu i tygla jest utrzymywana poniżej 1%, co umożliwia wzrost dużych pojedynczych kryształów β-Ga2O3 z minimalną stratą.
Rysunek 4. Pojedynczy kryształ β-Ga2O3 wyhodowany metodą Bridgemana
1.4 Metoda strefy pływającej
Metoda strefy pływającej rozwiązuje problem zanieczyszczenia kryształów materiałami tygla i zmniejsza wysokie koszty związane z odpornymi na wysoką temperaturę tyglami podczerwieni. Podczas tego procesu wzrostu stop może być podgrzewany lampą, a nie źródłem RF, co upraszcza wymagania dotyczące sprzętu do wzrostu. Chociaż kształt i jakość kryształów β-Ga2O3 hodowanego metodą strefy pływającej nie są jeszcze optymalne, metoda ta otwiera obiecującą metodę hodowli β-Ga2O3 o wysokiej czystości w przyjazne dla budżetu pojedyncze kryształy.
Rysunek 5. Pojedynczy kryształ β-Ga2O3 wyhodowany metodą strefy pływającej.
Czas publikacji: 30-05-2024