Širokopásmové polovodiče (WBG), reprezentované karbidom kremíka (SiC) a nitridom gália (GaN), si získali rozsiahlu pozornosť. Ľudia majú veľké očakávania od perspektív použitia karbidu kremíka v elektrických vozidlách a energetických sieťach, ako aj od perspektív použitia nitridu gália pri rýchlom nabíjaní. V posledných rokoch dosiahol výskum materiálov Ga2O3, AlN a diamantov významný pokrok, vďaka čomu sa pozornosť sústredila na polovodičové materiály s ultraširokým pásmovým zakázaným pásmom. Medzi nimi je oxid gália (Ga2O3) novým polovodičovým materiálom s ultraširokým pásmovým zakázaným pásmom 4,8 eV, teoretickou kritickou silou prierazného poľa približne 8 MV cm-1, rýchlosťou nasýtenia približne 2E7cm s-1 a vysokým Baligovým faktorom kvality 3000, ktorý si získal rozsiahlu pozornosť v oblasti vysokonapäťovej a vysokofrekvenčnej výkonovej elektroniky.
1. Vlastnosti materiálu z oxidu gália
Ga2O3 má veľkú pásmovú medzeru (4,8 eV), očakáva sa, že dosiahne vysoké výdržné napätie aj vysoký výkon a môže mať potenciál prispôsobivosti vysokému napätiu pri relatívne nízkom odporu, čo z neho robí predmet súčasného výskumu. Okrem toho má Ga2O3 nielen vynikajúce materiálové vlastnosti, ale poskytuje aj rôzne ľahko nastaviteľné technológie dopovania typu n, ako aj nízkonákladové technológie rastu substrátu a epitaxie. Doteraz bolo v Ga2O3 objavených päť rôznych kryštálových fáz, vrátane korundovej (α), monoklinickej (β), defektnej spinelovej (γ), kubickej (δ) a ortorombickej (ɛ) fázy. Termodynamické stability sú v poradí γ, δ, α, ɛ a β. Stojí za zmienku, že monoklinická β-Ga2O3 je najstabilnejšia, najmä pri vysokých teplotách, zatiaľ čo iné fázy sú metastabilné nad izbovou teplotou a majú tendenciu transformovať sa na fázu β za špecifických tepelných podmienok. Preto sa vývoj zariadení na báze β-Ga2O3 stal v posledných rokoch hlavným zameraním v oblasti výkonovej elektroniky.
Tabuľka 1 Porovnanie niektorých parametrov polovodičových materiálov
Kryštálová štruktúra monoklinického β-Ga2O3 je znázornená v tabuľke 1. Jeho mriežkové parametre zahŕňajú a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å a β = 103,8°. Jednotková bunka pozostáva z atómov Ga(I) so skrútenou tetraedrickou koordináciou a atómov Ga(II) s oktaedrickou koordináciou. V „skrútenom kubickom“ poli existujú tri rôzne usporiadania atómov kyslíka, vrátane dvoch trojuholníkovo koordinovaných atómov O(I) a O(II) a jedného tetraedricky koordinovaného atómu O(III). Kombinácia týchto dvoch typov atómovej koordinácie vedie k anizotropii β-Ga2O3 so špeciálnymi vlastnosťami vo fyzike, chemickej korózii, optike a elektronike.
Obrázok 1 Schematický štrukturálny diagram monoklinického kryštálu β-Ga2O3
Z hľadiska teórie energetických pásiem je minimálna hodnota vodivostného pásma β-Ga2O3 odvodená z energetického stavu zodpovedajúceho hybridnej orbite 4s0 atómu Ga. Nameraný energetický rozdiel medzi minimálnou hodnotou vodivostného pásma a energetickou hladinou vákua (energia elektrónovej afinity) je 4 eV. Efektívna hmotnosť elektrónov β-Ga2O3 sa meria ako 0,28 – 0,33 me a má priaznivú elektronickú vodivosť. Maximum valenčného pásma však vykazuje plytkú krivku Ek s veľmi nízkym zakrivením a silne lokalizovanými orbitalmi O2p, čo naznačuje, že diery sú hlboko lokalizované. Tieto charakteristiky predstavujú obrovskú výzvu pre dosiahnutie dopovania typu p v β-Ga2O3. Aj keď je možné dosiahnuť dopovanie typu P, hodnota μ diery zostáva na veľmi nízkej úrovni. 2. Rast objemového monokryštálu oxidu gália Doteraz bola metóda rastu objemového substrátu monokryštálu β-Ga2O3 prevažne metódou ťahania kryštálov, ako napríklad Czochralského (CZ), metóda podávania tenkých vrstiev s definovanými hranami (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgmanova metóda (vertikálny alebo horizontálny Bridgman, HB alebo VB) a technológia plávajúcej zóny (floating zone, FZ). Spomedzi všetkých metód sa očakáva, že Czochralského metóda a metóda podávania tenkých vrstiev s definovanými hranami budú v budúcnosti najsľubnejšími cestami pre hromadnú výrobu doštičiek β-Ga2O3, pretože dokážu súčasne dosiahnuť veľké objemy a nízku hustotu defektov. Japonská spoločnosť Novel Crystal Technology doteraz realizovala komerčnú matricu pre rast taveniny β-Ga2O3.
1.1 Czochralského metóda
Princíp Czochralského metódy spočíva v tom, že zárodočná vrstva sa najprv pokryje a potom sa monokryštál pomaly vytiahne z taveniny. Czochralského metóda je čoraz dôležitejšia pre β-Ga2O3 kvôli svojej nákladovej efektívnosti, možnostiam veľkých rozmerov a rastu substrátu s vysokou kvalitou kryštálov. Avšak v dôsledku tepelného namáhania počas rastu Ga2O3 pri vysokých teplotách dochádza k odparovaniu monokryštálov, taveniny a poškodeniu ir téglika. Je to dôsledok ťažkostí s dosiahnutím nízkeho dopovania typu n v Ga2O3. Zavedenie vhodného množstva kyslíka do rastovej atmosféry je jedným zo spôsobov, ako tento problém vyriešiť. Optimalizáciou sa Czochralského metódou úspešne vypestoval vysokokvalitný 2-palcový β-Ga2O3 s rozsahom koncentrácie voľných elektrónov 10^16~10^19 cm-3 a maximálnou hustotou elektrónov 160 cm2/Vs.
Obrázok 2 Monokryštál β-Ga2O3 vypestovaný Czochralského metódou
1.2 Metóda podávania filmu s definovaným okrajom
Metóda podávania tenkých vrstiev s definovanými hranami sa považuje za hlavného kandidáta na komerčnú výrobu veľkoplošných monokryštálových materiálov Ga2O3. Princípom tejto metódy je umiestniť taveninu do formy s kapilárnou štrbinou a tavenina stúpa do formy kapilárnym pôsobením. Na vrchu sa vytvorí tenký film, ktorý sa rozprestiera všetkými smermi, pričom je kryštalizovaný zárodočným kryštálom. Okrem toho je možné ovládať okraje vrchnej časti formy tak, aby sa vytvorili kryštály vo vločkách, trubiciach alebo akejkoľvek požadovanej geometrii. Metóda podávania tenkých vrstiev Ga2O3 s definovanými hranami poskytuje rýchle tempo rastu a veľké priemery. Obrázok 3 znázorňuje diagram monokryštálu β-Ga2O3. Okrem toho, čo sa týka veľkosti, komerčne sa začali používať 2-palcové a 4-palcové substráty β-Ga2O3 s vynikajúcou transparentnosťou a rovnomernosťou, zatiaľ čo 6-palcový substrát je demonštrovaný vo výskume pre budúcu komercializáciu. Nedávno sa sprístupnili aj veľké kruhové sypké materiály s monokryštálmi s orientáciou (−201). Okrem toho metóda nanášania filmu s definovanými hranami β-Ga2O3 tiež podporuje dopovanie prvkov prechodných kovov, čo umožňuje výskum a prípravu Ga2O3.
Obrázok 3 Monokryštál β-Ga2O3 vypestovaný metódou podávania filmu s definovanou hranou
1.3 Bridgemanova metóda
Pri Bridgemanovej metóde sa kryštály tvoria v tégliku, ktorý sa postupne presúva teplotným gradientom. Proces sa môže vykonávať v horizontálnej alebo vertikálnej orientácii, zvyčajne pomocou rotujúceho téglika. Stojí za zmienku, že táto metóda môže, ale nemusí používať kryštálové zárodky. Tradičné Bridgmanove operátory nemajú priamu vizualizáciu procesov topenia a rastu kryštálov a musia kontrolovať teploty s vysokou presnosťou. Vertikálna Bridgmanova metóda sa používa hlavne na rast β-Ga2O3 a je známa svojou schopnosťou rásť vo vzdušnom prostredí. Počas vertikálneho procesu rastu Bridgmanovou metódou sa celková strata hmotnosti taveniny a téglika udržiava pod 1 %, čo umožňuje rast veľkých monokryštálov β-Ga2O3 s minimálnymi stratami.
Obrázok 4 Monokryštál β-Ga2O3 vypestovaný Bridgemanovou metódou
1.4 Metóda plávajúcej zóny
Metóda plávajúcej zóny rieši problém kontaminácie kryštálov materiálmi téglikov a znižuje vysoké náklady spojené s infračervenými téglikmi odolnými voči vysokým teplotám. Počas tohto rastového procesu je možné taveninu ohrievať lampou namiesto RF zdroja, čím sa zjednodušujú požiadavky na rastové zariadenie. Hoci tvar a kvalita kryštálov β-Ga2O3 pestovaného metódou plávajúcej zóny ešte nie sú optimálne, táto metóda otvára sľubnú metódu pestovania vysoko čistého β-Ga2O3 do cenovo dostupných monokryštálov.
Obrázok 5 Monokryštál β-Ga2O3 vypestovaný metódou plávajúcej zóny.
Čas uverejnenia: 30. mája 2024