Semicondutores de banda larga (WBG) representados por carboneto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN) têm recebido ampla atenção. As pessoas têm grandes expectativas para as perspectivas de aplicação de carboneto de silício em veículos elétricos e redes de energia, bem como as perspectivas de aplicação de nitreto de gálio em carregamento rápido. Nos últimos anos, a pesquisa sobre materiais de Ga2O3, AlN e diamante fez progressos significativos, tornando os materiais semicondutores de banda larga ultra larga o foco da atenção. Entre eles, o óxido de gálio (Ga2O3) é um material semicondutor emergente de banda larga ultra larga com uma banda larga de 4,8 eV, uma intensidade de campo de ruptura crítica teórica de cerca de 8 MV cm-1, uma velocidade de saturação de cerca de 2E7cm s-1 e um alto fator de qualidade Baliga de 3000, recebendo ampla atenção no campo de eletrônica de potência de alta tensão e alta frequência.
1. Características do material de óxido de gálio
Ga2O3 possui uma grande lacuna de banda (4,8 eV), espera-se que atinja alta tensão de resistência e alta potência, e pode ter potencial para adaptabilidade a alta tensão com resistência relativamente baixa, tornando-o o foco da pesquisa atual. Além disso, Ga2O3 não só possui excelentes propriedades materiais, mas também fornece uma variedade de tecnologias de dopagem tipo n facilmente ajustáveis, bem como tecnologias de crescimento de substrato e epitaxia de baixo custo. Até o momento, cinco fases cristalinas diferentes foram descobertas em Ga2O3, incluindo as fases coríndon (α), monoclínica (β), espinélio defeituoso (γ), cúbica (δ) e ortorrômbica (ɛ). As estabilidades termodinâmicas são, em ordem, γ, δ, α, ɛ e β. Vale ressaltar que o β-Ga2O3 monoclínico é o mais estável, especialmente em altas temperaturas, enquanto outras fases são metaestáveis acima da temperatura ambiente e tendem a se transformar na fase β sob condições térmicas específicas. Portanto, o desenvolvimento de dispositivos baseados em β-Ga2O3 se tornou um foco importante no campo da eletrônica de potência nos últimos anos.
Tabela 1 Comparação de alguns parâmetros de materiais semicondutores
A estrutura cristalina do β-Ga2O3 monoclínico é mostrada na Tabela 1. Seus parâmetros de rede incluem a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å e β = 103,8°. A célula unitária consiste em átomos de Ga(I) com coordenação tetraédrica torcida e átomos de Ga(II) com coordenação octaédrica. Existem três arranjos diferentes de átomos de oxigênio na matriz "cúbica torcida", incluindo dois átomos de O(I) e O(II) com coordenação triangular e um átomo de O(III) com coordenação tetraédrica. A combinação desses dois tipos de coordenação atômica leva à anisotropia do β-Ga2O3, com propriedades especiais em física, corrosão química, óptica e eletrônica.
Figura 1 Diagrama estrutural esquemático do cristal monoclínico β-Ga2O3
Da perspectiva da teoria da banda de energia, o valor mínimo da banda de condução de β-Ga2O3 é derivado do estado de energia correspondente à órbita híbrida 4s0 do átomo de Ga. A diferença de energia entre o valor mínimo da banda de condução e o nível de energia do vácuo (energia de afinidade eletrônica) é medida. é de 4 eV. A massa eletrônica efetiva de β-Ga2O3 é medida como 0,28–0,33 me e sua condutividade eletrônica favorável. No entanto, o máximo da banda de valência exibe uma curva Ek rasa com curvatura muito baixa e orbitais O2p fortemente localizados, sugerindo que os buracos são profundamente localizados. Essas características representam um enorme desafio para alcançar a dopagem do tipo p em β-Ga2O3. Mesmo que a dopagem do tipo P possa ser alcançada, o buraco μ permanece em um nível muito baixo. 2. Crescimento de monocristais de óxido de gálio a granel Até o momento, o método de crescimento de substratos monocristais de β-Ga2O3 a granel é principalmente o método de extração de cristais, como Czochralski (CZ), método de alimentação de película fina com borda definida (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (Bridgman vertical ou horizontal, HB ou VB) e tecnologia de zona flutuante (floating zone, FZ). Entre todos os métodos, espera-se que Czochralski e os métodos de alimentação de película fina com borda definida sejam os caminhos mais promissores para a produção em massa de wafers de β-Ga2O3 no futuro, pois podem atingir simultaneamente grandes volumes e baixas densidades de defeitos. Até o momento, a Novel Crystal Technology do Japão desenvolveu uma matriz comercial para crescimento de fusão de β-Ga2O3.
1.1 Método de Czochralski
O princípio do método Czochralski é que a camada de semente é primeiro coberta e, em seguida, o monocristal é lentamente retirado do fundido. O método Czochralski é cada vez mais importante para o crescimento de β-Ga2O3 devido à sua relação custo-benefício, grande capacidade de tamanho e alta qualidade do substrato de crescimento cristalino. No entanto, devido ao estresse térmico durante o crescimento de alta temperatura de Ga2O3, ocorrerá evaporação de monocristais, materiais fundidos e danos ao cadinho de Ir. Isso é resultado da dificuldade em obter baixa dopagem do tipo n em Ga2O3. A introdução de uma quantidade adequada de oxigênio na atmosfera de crescimento é uma maneira de resolver esse problema. Por meio da otimização, β-Ga2O3 de 2 polegadas de alta qualidade com uma faixa de concentração de elétrons livres de 10^16~10^19 cm-3 e uma densidade eletrônica máxima de 160 cm2/Vs foi cultivado com sucesso pelo método Czochralski.
Figura 2 Monocristal de β-Ga2O3 cultivado pelo método de Czochralski
1.2 Método de alimentação de filme com borda definida
O método de alimentação de filme fino com bordas definidas é considerado o principal candidato para a produção comercial de materiais monocristais de Ga2O3 de grande área. O princípio deste método é colocar o fundido em um molde com uma fenda capilar, e o fundido sobe para o molde por ação capilar. Na parte superior, um filme fino se forma e se espalha em todas as direções enquanto é induzido a cristalizar pelo cristal semente. Além disso, as bordas da parte superior do molde podem ser controladas para produzir cristais em flocos, tubos ou qualquer geometria desejada. O método de alimentação de filme fino com bordas definidas de Ga2O3 proporciona taxas de crescimento rápidas e grandes diâmetros. A Figura 3 mostra um diagrama de um monocristal de β-Ga2O3. Além disso, em termos de escala de tamanho, substratos de β-Ga2O3 de 2 e 4 polegadas com excelente transparência e uniformidade foram comercializados, enquanto o substrato de 6 polegadas é demonstrado em pesquisas para comercialização futura. Recentemente, grandes materiais monocristais circulares a granel também se tornaram disponíveis com orientação (−201). Além disso, o método de alimentação de filme com borda definida de β-Ga2O3 também promove a dopagem de elementos metálicos de transição, possibilitando a pesquisa e a preparação de Ga2O3.
Figura 3 Cristal único de β-Ga2O3 crescido pelo método de alimentação de filme com borda definida
1.3 Método de Bridgeman
No método Bridgeman, os cristais são formados em um cadinho que é gradualmente movido através de um gradiente de temperatura. O processo pode ser realizado na orientação horizontal ou vertical, geralmente usando um cadinho rotativo. Vale ressaltar que este método pode ou não usar sementes de cristal. Operadores Bridgman tradicionais não têm visualização direta dos processos de fusão e crescimento de cristais e precisam controlar as temperaturas com alta precisão. O método Bridgman vertical é usado principalmente para o crescimento de β-Ga2O3 e é conhecido por sua capacidade de crescer em ambiente com ar. Durante o processo de crescimento pelo método Bridgman vertical, a perda total de massa do fundido e do cadinho é mantida abaixo de 1%, permitindo o crescimento de grandes monocristais de β-Ga2O3 com perda mínima.
Figura 4 Monocristal de β-Ga2O3 cultivado pelo método de Bridgeman
1.4 Método da zona flutuante
O método da zona flutuante resolve o problema da contaminação dos cristais por materiais de cadinhos e reduz os altos custos associados aos cadinhos infravermelhos resistentes a altas temperaturas. Durante esse processo de crescimento, o fundido pode ser aquecido por uma lâmpada em vez de uma fonte de RF, simplificando assim os requisitos para equipamentos de crescimento. Embora a forma e a qualidade cristalina do β-Ga2O3 cultivado pelo método da zona flutuante ainda não sejam ideais, esse método abre caminho para um método promissor para o crescimento de β-Ga2O3 de alta pureza em monocristais de baixo custo.
Figura 5 Cristal único de β-Ga2O3 crescido pelo método de zona flutuante.
Horário de publicação: 30 de maio de 2024