Широкозонные полупроводники (WBG), представленные карбидом кремния (SiC) и нитридом галлия (GaN), привлекают широкое внимание. Возлагаются 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 на основе Ga2O3, AlN и алмаза достигли значительного прогресса, что привлекло внимание к полупроводниковым материалам со сверхширокой запрещенной зоной. Среди них оксид галлия (Ga2O3) является перспективным полупроводниковым материалом со сверхширокой запрещенной зоной шириной 4,8 эВ, теоретической критической напряженностью пробоя около 8 МВ·см⁻¹, скоростью насыщения около 2E7·см⁻¹·с⁻¹ и высоким коэффициентом качества Балига 3000, привлекающим широкое внимание в области высоковольтной и высокочастотной силовой электроники.
1. Характеристики материала на основе оксида галлия
Оксид галлия (Ga2O3) обладает большой шириной запрещенной зоны (4,8 эВ), предположительно обеспечивает как высокое выдерживаемое напряжение, так и высокую мощность, а также имеет потенциал для адаптации к высокому напряжению при относительно низком сопротивлении, что делает его объектом современных исследований. Кроме того, Ga2O3 не только обладает превосходными материальными свойствами, но и предоставляет множество легко регулируемых технологий легирования n-типа, а также недорогие технологии выращивания на подложке и эпитаксии. На сегодняшний день в Ga2O3 обнаружено пять различных кристаллических фаз, включая корундовую (α), моноклинную (β), дефектную шпинель (γ), кубическую (δ) и орторомбическую (ɛ) фазы. Термодинамическая стабильность соответствует, 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 склонны к переходу в β-фазу при определенных термических условиях. Поэтому разработка устройств на основе β-Ga2O3 в последние годы стала одним из основных направлений в области силовой электроники.
Таблица 1. Сравнение некоторых параметров полупроводниковых материалов.
Кристаллическая структура моноклинного β-Ga2O3 представлена в таблице 1. Параметры 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 тетраэдрической координацией и атомов Ga(II) с октаэдрической координацией. В «скрученной кубической» решетке присутствуют три различных расположения атомов кислорода, 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, обладающей особыми свойствами в физике, химической коррозии, оптике и электронике.
Рисунок 1. Схематическое структурное изображение моноклинного кристалла β-Ga2O3.
С точки зрения теории энергетических зон, минимальное значение зоны проводимости β-Ga2O3 определяется энергетическим состоянием, соответствующим гибридной орбитали 4s0 атома Ga. Разница энергий между минимальным значением зоны проводимости и уровнем энергии вакуума (энергией сродства к электрону) составляет 4 эВ. Эффективная масса электрона β-Ga2O3 измерена как 0,28–0,33 me, что указывает на его благоприятную электронную проводимость. Однако максимум валентной зоны демонстрирует пологий пик Ek с очень низкой кривизной и сильно локализованными орбиталями O2p, что предполагает глубокую локализацию дырок. Эти характеристики представляют собой огромную проблему для достижения легирования p-типа в β-Ga2O3. Даже если легирование p-типа будет достигнуто, подвижность дырок μ останется на очень низком уровне. 2. Выращивание объемных монокристаллов оксида галлия. До настоящего времени основными методами выращивания объемных монокристаллов β-Ga2O3 на подложке были методы вытягивания кристаллов, такие как метод Чохральского (CZ), метод подачи тонких пленок с заданным краем (Edge-Defined film-fed, EFG), метод Бриджмена (вертикальный или горизонтальный метод Бриджмена, HB или VB) и метод плавающей зоны (floating zone, FZ). Среди всех методов метод Чохральского и метод подачи тонких пленок с заданным краем считаются наиболее перспективными направлениями для массового производства пластин β-Ga2O3 в будущем, поскольку они позволяют одновременно получать большие объемы и низкую плотность дефектов. К настоящему времени японская компания Novel Crystal Technology разработала коммерческую матрицу для выращивания β-Ga2O3 из расплава.
1.1 Метод Чохральского
Принцип метода Чохральского заключается в том, что сначала покрывается затравочный слой, а затем из расплава медленно извлекается монокристалл. Метод Чохральского приобретает все большее значение для выращивания β-Ga2O3 благодаря своей экономичности, возможности получения кристаллов больших размеров и высокому качеству подложки. Однако из-за термического напряжения во время высокотемпературного роста Ga2O3 происходит испарение монокристаллов, расплавленных материалов и повреждение иридиевого тигля. Это связано с трудностями достижения низкой n-типовой легировки в Ga2O3. Введение соответствующего количества кислорода в атмосферу роста является одним из способов решения этой проблемы. Благодаря оптимизации, методом Чохральского успешно выращен высококачественный 2-дюймовый β-Ga2O3 с диапазоном концентрации свободных электронов 10^16~10^19 см-3 и максимальной плотностью электронов 160 см2/Вс.
Рисунок 2. Монокристалл β-Ga2O3, выращенный методом Чохральского.
1.2 Метод подачи пленки с заданным краем
Метод подачи тонких пленок с заданными краями считается одним из ведущих вариантов для коммерческого производства крупногабаритных монокристаллических материалов Ga2O3. Принцип этого метода заключается в помещении расплава в форму с капиллярной щелью, где расплав поднимается к форме за счет капиллярного действия. В верхней части формы образуется тонкая пленка, которая распространяется во всех направлениях, при этом затравка стимулирует ее кристаллизацию. Кроме того, края верхней части формы можно контролировать для получения кристаллов в виде хлопьев, трубок или любой желаемой геометрии. Метод подачи тонких пленок Ga2O3 с заданными краями обеспечивает высокую скорость роста и большие диаметры. На рисунке 3 показана схема монокристалла β-Ga2O3. Кроме того, с точки зрения масштаба размеров, уже коммерциализированы 2-дюймовые и 4-дюймовые подложки β-Ga2O3 с превосходной прозрачностью и однородностью, а 6-дюймовая подложка находится в стадии исследования для будущей коммерциализации. В последнее время стали доступны также крупные круглые монокристаллические объемные материалы с ориентацией (−201). Кроме того, метод получения пленок β-Ga2O3 с заданной гранью способствует легированию переходными металлами, что делает возможным исследование и получение Ga2O3.
Рисунок 3. Монокристалл β-Ga2O3, выращенный методом формирования пленки с заданными краями.
1.3 Метод Бриджмена
В методе Бриджмена кристаллы формируются в тигле, который постепенно перемещается через температурный градиент. Процесс может проводиться в горизонтальной или вертикальной ориентации, обычно с использованием вращающегося тигля. Стоит отметить, что в этом методе могут использоваться или не использоваться затравки кристаллов. Традиционные операторы метода Бриджмена не имеют прямой визуализации процессов плавления и роста кристаллов и должны контролировать температуру с высокой точностью. Вертикальный метод Бриджмена в основном используется для выращивания β-Ga2O3 и известен своей способностью выращивать кристаллы в воздушной среде. В процессе вертикального выращивания по 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 тиглей и снижает высокие затраты, связанные с использованием высокотемпературных инфракрасных тиглей. В процессе выращивания расплав можно нагревать лампой, а не радиочастотным источником, что упрощает требования к оборудованию для выращивания. Хотя форма и качество кристаллов β-Ga2O3, выращенных методом плавающей зоны, пока не оптимальны, этот метод открывает перспективные возможности для выращивания высокочистого β-Ga2O3 в виде доступных по цене монокристаллов.
Рисунок 5. Монокристалл β-Ga2O3, выращенный методом плавающей зоны.
Дата публикации: 30 мая 2024 г.