Широкозонные полупроводники (WBG), представленные карбидом кремния (SiC) и нитридом галлия (GaN), получили широкое внимание. Люди возлагают большие надежды на перспективы применения карбида кремния в электромобилях и электросетях, а также на перспективы применения нитрида галлия в быстрой зарядке. В последние годы исследования материалов Ga2O3, AlN и алмаза достигли значительного прогресса, сделав полупроводниковые материалы со сверхширокой запрещенной зоной в центре внимания. Среди них оксид галлия (Ga2O3) является новым полупроводниковым материалом со сверхширокой запрещенной зоной с шириной запрещенной зоны 4,8 эВ, теоретической критической напряженностью поля пробоя около 8 МВ см-1, скоростью насыщения около 2E7см с-1 и высоким коэффициентом качества Балиги 3000, получившим широкое внимание в области высоковольтной и высокочастотной силовой электроники.
1. Характеристики материала оксида галлия
Ga2O3 имеет большую ширину запрещенной зоны (4,8 эВ), как ожидается, достигнет как высокого выдерживаемого напряжения, так и высокой мощности, и может иметь потенциал для адаптации к высокому напряжению при относительно низком сопротивлении, что делает их объектом текущих исследований. Кроме того, Ga2O3 не только обладает превосходными свойствами материала, но и обеспечивает множество легко регулируемых технологий легирования n-типа, а также недорогие технологии роста подложек и эпитаксии. До сих пор в Ga2O3 было обнаружено пять различных кристаллических фаз, включая корунд (α), моноклинную (β), дефектную шпинель (γ), кубическую (δ) и орторомбическую (ɛ) фазы. Термодинамическая стабильность, в порядке убывания, γ, δ, α, ɛ и β. Стоит отметить, что моноклинная β-Ga2O3 является наиболее стабильной, особенно при высоких температурах, в то время как другие фазы являются метастабильными выше комнатной температуры и имеют тенденцию превращаться в β-фазу при определенных тепловых условиях. Поэтому разработка устройств на основе β-Ga2O3 стала в последние годы одним из основных направлений в области силовой электроники.
Таблица 1 Сравнение некоторых параметров полупроводниковых материалов
Кристаллическая структура моноклинного β-Ga2O3 показана в таблице 1. Параметры его решетки включают a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å и β = 103,8°. Элементарная ячейка состоит из атомов Ga(I) с закрученной тетраэдрической координацией и атомов Ga(II) с октаэдрической координацией. Существует три различных расположения атомов кислорода в «закрученном кубическом» массиве, включая два треугольно координированных атома O(I) и O(II) и один тетраэдрически координированный атом O(III). Сочетание этих двух типов атомной координации приводит к анизотропии β-Ga2O3 с особыми свойствами в физике, химической коррозии, оптике и электронике.
Рисунок 1. Принципиальная структурная диаграмма моноклинного кристалла β-Ga2O3
С точки зрения теории энергетических зон минимальное значение зоны проводимости β-Ga2O3 выводится из энергетического состояния, соответствующего гибридной орбите 4s0 атома Ga. Измеренная разность энергий между минимальным значением зоны проводимости и уровнем энергии вакуума (энергия сродства к электрону) составляет 4 эВ. Эффективная электронная масса β-Ga2O3 составляет 0,28–0,33 мэ и имеет благоприятную электронную проводимость. Однако максимум валентной зоны демонстрирует пологую кривую Ek с очень низкой кривизной и сильно локализованными орбиталями O2p, что позволяет предположить, что дырки глубоко локализованы. Эти характеристики представляют собой огромную проблему для достижения легирования p-типа в β-Ga2O3. Даже если легирование p-типа может быть достигнуто, дырка μ остается на очень низком уровне. 2. Рост объемного монокристалла оксида галлия До сих пор метод роста объемного монокристаллического субстрата β-Ga2O3 в основном представлял собой метод вытягивания кристалла, такой как метод Чохральского (CZ), метод подачи тонкой пленки с заданным краем (Edge-Defined film-fed, EFG), метод Бриджмена (rtical или horizontal Bridgman, HB или VB) и технология плавающей зоны (floating zone, FZ). Среди всех методов, методы Чохральского и подачи тонкой пленки с заданным краем, как ожидается, станут наиболее перспективными путями для массового производства пластин β-Ga2O3 в будущем, поскольку они могут одновременно достигать больших объемов и низкой плотности дефектов. На сегодняшний день японская компания Novel Crystal Technology реализовала коммерческую матрицу для роста расплава β-Ga2O3.
1.1 Метод Чохральского
Принцип метода Чохральского заключается в том, что сначала покрывается затравочный слой, а затем монокристалл медленно вытягивается из расплава. Метод Чохральского становится все более важным для β-Ga2O3 из-за его экономической эффективности, больших размеров и роста подложки высокого качества кристалла. Однако из-за термического напряжения во время высокотемпературного роста Ga2O3 произойдет испарение монокристаллов, расплавленных материалов и повреждение тигля Ir. Это является результатом сложности достижения низкого легирования n-типа в Ga2O3. Введение соответствующего количества кислорода в атмосферу роста является одним из способов решения этой проблемы. Благодаря оптимизации, высококачественный 2-дюймовый β-Ga2O3 с диапазоном концентрации свободных электронов 10^16~10^19 см-3 и максимальной электронной плотностью 160 см2/В·с был успешно выращен методом Чохральского.
Рисунок 2 Монокристалл β-Ga2O3, выращенный методом Чохральского
1.2 Метод подачи пленки по краю
Метод подачи тонкой пленки с заданным краем считается ведущим претендентом на коммерческое производство монокристаллических материалов Ga2O3 большой площади. Принцип этого метода заключается в помещении расплава в форму с капиллярной щелью, и расплав поднимается к форме посредством капиллярного действия. Наверху образуется тонкая пленка, которая распространяется во всех направлениях, будучи вызванной кристаллизацией затравочным кристаллом. Кроме того, края верхней части формы можно контролировать для получения кристаллов в виде хлопьев, трубок или любой желаемой геометрии. Метод подачи тонкой пленки с заданным краем Ga2O3 обеспечивает быстрые скорости роста и большие диаметры. На рисунке 3 показана схема монокристалла β-Ga2O3. Кроме того, с точки зрения масштаба размеров, 2-дюймовые и 4-дюймовые подложки β-Ga2O3 с превосходной прозрачностью и однородностью были коммерциализированы, в то время как 6-дюймовая подложка демонстрируется в исследованиях для будущей коммерциализации. Недавно также стали доступны большие круглые монокристаллические объемные материалы с ориентацией (−201). Кроме того, метод подачи пленки с заданным краем β-Ga2O3 также способствует легированию переходными металлами, что делает возможным исследование и подготовку Ga2O3.
Рисунок 3. Монокристалл β-Ga2O3, выращенный методом подачи пленки с заданным краем.
1.3 Метод Бриджмена
В методе Бриджмена кристаллы формируются в тигле, который постепенно перемещается через температурный градиент. Процесс может выполняться в горизонтальной или вертикальной ориентации, обычно с использованием вращающегося тигля. Стоит отметить, что этот метод может использовать или не использовать затравки кристаллов. Традиционные операторы Бриджмена не имеют прямой визуализации процессов плавления и роста кристаллов и должны контролировать температуру с высокой точностью. Вертикальный метод Бриджмена в основном используется для роста β-Ga2O3 и известен своей способностью расти в воздушной среде. В процессе роста по вертикальному методу Бриджмена общая потеря массы расплава и тигля поддерживается ниже 1%, что позволяет выращивать крупные монокристаллы β-Ga2O3 с минимальными потерями.
Рисунок 4 Монокристалл β-Ga2O3, выращенный методом Бриджмена
1.4 Метод плавающей зоны
Метод плавающей зоны решает проблему загрязнения кристаллов материалами тигля и снижает высокие затраты, связанные с инфракрасными тиглями, устойчивыми к высоким температурам. В ходе этого процесса роста расплав может нагреваться лампой, а не источником радиочастот, что упрощает требования к оборудованию для роста. Хотя форма и качество кристалла β-Ga2O3, выращенного методом плавающей зоны, пока не являются оптимальными, этот метод открывает перспективный метод выращивания высокочистого β-Ga2O3 в бюджетные монокристаллы.
Рисунок 5. Монокристалл β-Ga2O3, выращенный методом плавающей зоны.
Время публикации: 30 мая 2024 г.