Półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej (WBG), reprezentowane przez węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN), cieszą się szerokim zainteresowaniem. Ludzie pokładają duże nadzieje w perspektywach zastosowania węglika krzemu w pojazdach elektrycznych i sieciach energetycznych, a także w perspektywach zastosowania azotku galu w szybkim ładowaniu. W ostatnich latach badania nad materiałami Ga₂O₃, AlN i diamentami poczyniły znaczne postępy, co sprawiło, że materiały półprzewodnikowe o ultraszerokiej przerwie energetycznej stały się przedmiotem zainteresowania. Wśród nich tlenek galu (Ga₂O₃) to nowy materiał półprzewodnikowy o ultraszerokiej przerwie energetycznej z przerwą energetyczną 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, co cieszy się szerokim zainteresowaniem w dziedzinie elektroniki mocy wysokiego napięcia i wysokiej częstotliwości.
1. Charakterystyka materiału tlenku galu
Ga2O3 charakteryzuje się dużą przerwą energetyczną (4,8 eV), co oznacza, że powinien osiągać zarówno wysokie napięcie wytrzymywane, jak i wysoką moc, a także może mieć potencjał adaptacji do wysokich napięć przy stosunkowo niskiej rezystancji, co czyni go przedmiotem obecnych badań. Ponadto Ga2O3 nie tylko charakteryzuje się doskonałymi właściwościami materiałowymi, ale także oferuje szereg łatwo regulowanych technologii domieszkowania typu n, a także tanie technologie wzrostu substratu i epitaksji. Do tej pory odkryto pięć różnych faz krystalicznych Ga2O3, w tym korund (α), jednoskośną (β), spinele z defektem (γ), sześcienną (δ) i rombową (ɛ). Stabilność termodynamiczna jest, w kolejności, następująca: γ, δ, α, ɛ i β. Warto zauważyć, że jednoskośna faza β-Ga2O3 jest najbardziej stabilna, 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 głównym celem w dziedzinie elektroniki mocy.
Tabela 1 Porównanie niektórych parametrów materiałów półprzewodnikowych
Strukturę krystaliczną jednoskośnego β-Ga2O3 przedstawiono w tabeli 1. Jego parametry sieci krystalicznej 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 oraz atomów Ga(II) o koordynacji oktaedrycznej. W układzie „skręconej koordynacji sześciennej” występują trzy różne układy atomów tlenu, w tym dwa atomy O(I) i O(II) o koordynacji trójkątnej oraz jeden atom O(III) o koordynacji tetraedrycznej. 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. Zmierzona różnica energii między minimalną wartością pasma przewodnictwa a próżniowym poziomem energetycznym (energia powinowactwa elektronowego) wynosi 4 eV. Efektywna masa elektronowa β-Ga2O3 wynosi 0,28–0,33 me i charakteryzuje się korzystnym przewodnictwem elektronowym. Jednakże maksimum pasma walencyjnego wykazuje płytką krzywą Ek o bardzo niskiej krzywiźnie i silnie zlokalizowanych orbitalach O2p, co sugeruje, że dziury są głęboko zlokalizowane. Te cechy stanowią ogromne wyzwanie dla uzyskania domieszkowania typu p w β-Ga2O3. Nawet jeśli uda się uzyskać domieszkowanie typu p, dziura μ pozostaje na bardzo niskim poziomie. 2. Wzrost monokryształu tlenku galu w postaci bryły Do tej pory metodą wzrostu monokryształu β-Ga2O3 w postaci bryły jest głównie metoda wyciągania kryształów, taka jak Czochralski (CZ), metoda podawania cienkich warstw o zdefiniowanej krawędzi (Edge-Defined film-fed, EFG), technologia Bridgmana (pionowy lub poziomy 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-Ga2O3 w przyszłości, ponieważ mogą jednocześnie osiągać duże objętości i niską gęstość 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 monokryształ ze stopu. Metoda Czochralskiego zyskuje coraz większe znaczenie w przypadku β-Ga₂O₆ ze względu na swoją opłacalność, możliwość uzyskania dużych rozmiarów kryształów oraz wysoką jakość podłoża. Jednakże, ze względu na naprężenia termiczne występujące podczas wysokotemperaturowego wzrostu Ga₂O₆, może dojść do odparowania monokryształów, stopionych materiałów oraz uszkodzenia tygla irowego. Wynika to z trudności w osiągnięciu niskiego domieszkowania typu n w Ga₂O₆. Wprowadzenie odpowiedniej ilości tlenu do atmosfery wzrostu jest jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu. Dzięki optymalizacji, wysokiej jakości 2-calowy β-Ga₂O₆ o zakresie koncentracji elektronów swobodnych 10⁻¹ ...
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 komercyjnej produkcji monokrystalicznych materiałów Ga2O3 o dużej powierzchni. Zasada tej metody polega na umieszczeniu stopu w formie ze szczeliną kapilarną, a następnie jego unoszeniu się do formy poprzez działanie kapilarne. Na górze formuje się cienka warstwa, która rozprzestrzenia się we wszystkich kierunkach, jednocześnie indukując krystalizację przez kryształ zaszczepiający. Dodatkowo, krawędzie górnej części formy można kontrolować, aby wytwarzać kryształy w postaci płatków, rurek lub o dowolnej pożądanej geometrii. Metoda podawania cienkich warstw Ga2O3 o zdefiniowanej krawędzi zapewnia szybkie tempo wzrostu i duże średnice. Rysunek 3 przedstawia schemat monokryształu β-Ga2O3. Ponadto, jeśli chodzi o skalę wielkości, skomercjalizowano podłoża β-Ga2O3 o średnicy 2 i 4 cali, charakteryzujące się doskonałą przezroczystością i jednorodnością, a podłoże 6-calowe jest obecnie testowane pod kątem przyszłej komercjalizacji. Ostatnio dostępne stały się również duże, okrągłe monokryształy o orientacji (−201). Ponadto, metoda podawania warstw β-Ga2O3 z krawędziami zdefiniowanymi sprzyja również domieszkowaniu pierwiastkami metali przejściowych, umożliwiając badania i preparatykę Ga2O3.
Rysunek 3. Monokryształ β-Ga2O3 wytworzony metodą podawania filmu o zdefiniowanych krawędziach
1.3 Metoda Bridgemana
W metodzie Bridgemana kryształy formowane są w tyglu, który jest stopniowo przesuwany w gradiencie temperatury. Proces ten może być przeprowadzany w orientacji poziomej lub pionowej, zazwyczaj z użyciem obracającego się tygla. Warto zauważyć, że metoda ta może, ale nie musi, wykorzystywać zarodki kryształów. Tradycyjni operatorzy Bridgmana nie mają bezpośredniej wizualizacji procesów topienia i wzrostu kryształów i muszą kontrolować temperaturę z dużą precyzją. Pionowa metoda Bridgmana jest stosowana głównie do wzrostu β-Ga₂O₆ 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 monokryształów β-Ga₂O₆ z minimalną stratą.
Rysunek 4. Pojedynczy kryształ β-Ga2O3 wyhodowany metodą Bridgemana
1.4 Metoda strefy zmiennoprzecinkowej
Metoda strefy flotacyjnej rozwiązuje problem zanieczyszczenia kryształów materiałami tygli i redukuje wysokie koszty związane z odpornymi na wysokie temperatury tyglami na podczerwień. Podczas tego procesu wzrostu, stop może być podgrzewany lampą zamiast źródła RF, co upraszcza wymagania dotyczące sprzętu do wzrostu. Chociaż kształt i jakość kryształów β-Ga2O3 hodowanego metodą strefy flotacyjnej nie są jeszcze optymalne, metoda ta otwiera obiecującą drogę do uzyskania monokryształów β-Ga2O3 o wysokiej czystości, dostępnych w przystępnych cenach.
Rysunek 5. Monokryształ β-Ga2O3 wyhodowany metodą strefy pływającej.
Czas publikacji: 30 maja 2024 r.