Polprevodniki s širokim pasovnim razmikom (WBG), ki jih predstavljata silicijev karbid (SiC) in galijev nitrid (GaN), so deležni široke pozornosti. Ljudje imajo velika pričakovanja glede možnosti uporabe silicijevega karbida v električnih vozilih in električnih omrežjih, pa tudi možnosti uporabe galijevega nitrida pri hitrem polnjenju. V zadnjih letih so raziskave materialov Ga2O3, AlN in diamantov dosegle pomemben napredek, zaradi česar so polprevodniški materiali z ultra širokim pasovnim razmikom v središču pozornosti. Med njimi je galijev oksid (Ga2O3) nov polprevodniški material z ultra širokim pasovnim razmikom z pasovnim razmikom 4,8 eV, teoretično kritično prebojno poljsko jakostjo približno 8 MV cm-1, hitrostjo nasičenja približno 2E7cm s-1 in visokim Baliga faktorjem kakovosti 3000, ki je deležen široke pozornosti na področju visokonapetostne in visokofrekvenčne močnostne elektronike.
1. Značilnosti materiala galijevega oksida
Ga2O3 ima veliko pasovno vrzel (4,8 eV), pričakuje se, da bo dosegel tako visoko napetostno odpornost kot tudi visoko močnostno zmogljivost ter ima potencial za prilagodljivost pri visoki napetosti pri relativno nizki upornosti, zaradi česar je v središču trenutnih raziskav. Poleg tega ima Ga2O3 ne le odlične lastnosti materiala, temveč omogoča tudi različne enostavno prilagodljive tehnologije dopiranja tipa n, pa tudi nizkocenovne tehnologije rasti substratov in epitaksije. Do sedaj je bilo v Ga2O3 odkritih pet različnih kristalnih faz, vključno s korundom (α), monoklinično (β), defektno spinelno (γ), kubično (δ) in ortorombsko (ɛ) fazo. Termodinamične stabilnosti so po vrstnem redu γ, δ, α, ɛ in β. Omeniti velja, da je monoklinična β-Ga2O3 najbolj stabilna, zlasti pri visokih temperaturah, medtem ko so druge faze metastabilne nad sobno temperaturo in se pri določenih toplotnih pogojih nagibajo k pretvorbi v β fazo. Zato je razvoj naprav na osnovi β-Ga2O3 v zadnjih letih postal glavno področje močnostne elektronike.
Tabela 1 Primerjava nekaterih parametrov polprevodniških materialov
Kristalna struktura monokliničnega β-Ga2O3 je prikazana v tabeli 1. Njeni parametri mreže vključujejo a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å in β = 103,8°. Enotna celica je sestavljena iz atomov Ga(I) z zasukano tetraedrsko koordinacijo in atomov Ga(II) z oktaedrsko koordinacijo. V "zasukani kubični" matriki so tri različne razporeditve atomov kisika, vključno z dvema trikotno koordiniranima atomoma O(I) in O(II) ter enim tetraedrsko koordiniranim atomom O(III). Kombinacija teh dveh vrst atomske koordinacije vodi do anizotropije β-Ga2O3 s posebnimi lastnostmi v fiziki, kemijski koroziji, optiki in elektroniki.
Slika 1 Shematski strukturni diagram monokliničnega kristala β-Ga2O3
Z vidika teorije energijskih pasov je minimalna vrednost prevodnega pasu β-Ga2O3 izpeljana iz energijskega stanja, ki ustreza hibridni orbiti 4s0 atoma Ga. Izmerjena energijska razlika med minimalno vrednostjo prevodnega pasu in vakuumsko energijsko ravnjo (energija afinitete elektronov) je 4 eV. Efektivna elektronska masa β-Ga2O3 je izmerjena kot 0,28–0,33 me in ima ugodno elektronsko prevodnost. Vendar pa ima maksimum valentnega pasu plitvo krivuljo Ek z zelo nizko ukrivljenostjo in močno lokaliziranimi orbitalami O2p, kar kaže na globoko lokalizirane luknje. Te značilnosti predstavljajo velik izziv za doseganje dopiranja p-tipa v β-Ga2O3. Tudi če je mogoče doseči dopiranje P-tipa, ostane vrednost μ luknje na zelo nizki ravni. 2. Rast monokristala galijevega oksida v razsutem stanju Do sedaj je bila metoda rasti substrata monokristala β-Ga2O3 v razsutem stanju predvsem metoda vlečenja kristalov, kot so Czochralski (CZ), metoda dovajanja tankih filmov z robnim definiranjem (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (vertikalni ali horizontalni Bridgman, HB ali VB) in tehnologija plavajoče cone (floating zone, FZ). Med vsemi metodami se pričakuje, da bosta Czochralski in metoda dovajanja tankih filmov z robnim definiranjem najbolj obetavni poti za množično proizvodnjo rezin β-Ga2O3 v prihodnosti, saj lahko hkrati dosežeta velike količine in nizko gostoto napak. Japonsko podjetje Novel Crystal Technology je do sedaj realiziralo komercialno matrico za rast taline β-Ga2O3.
1.1 Czochralskijeva metoda
Načelo Czochralskega postopka je, da se najprej prekrije plast semena, nato pa se monokristal počasi izvleče iz taline. Czochralskijev postopek postaja vse pomembnejši za β-Ga2O3 zaradi svoje stroškovne učinkovitosti, možnosti velikih velikosti in visoke kakovosti substrata pri rasti kristalov. Vendar pa zaradi toplotnih obremenitev med visokotemperaturno rastjo Ga2O3 pride do izhlapevanja monokristalov, taline in poškodb ir lončka. To je posledica težav pri doseganju nizkega dopiranja n-tipa v Ga2O3. Uvedba ustrezne količine kisika v rastno atmosfero je eden od načinov za rešitev te težave. Z optimizacijo je bil s Czochralskim postopek uspešno vzgojen visokokakovosten 2-palčni β-Ga2O3 s koncentracijskim območjem prostih elektronov 10^16~10^19 cm-3 in največjo gostoto elektronov 160 cm2/Vs.
Slika 2 Monokristal β-Ga2O3, vzgojen po Czochralskijevi metodi
1.2 Metoda podajanja filma z robnim zaznavanjem
Metoda dovajanja tanke plasti z robno definiranim robom velja za vodilnega kandidata za komercialno proizvodnjo monokristalnih materialov Ga2O3 z veliko površino. Načelo te metode je, da se talina namesti v kalup s kapilarno režo, talina pa se s kapilarnim delovanjem dvigne v kalup. Na vrhu se oblikuje tanka plast, ki se razširi v vse smeri, medtem ko jo kristalni seme sproži v kristalizacijo. Poleg tega je mogoče robove vrha kalupa nadzorovati, da se ustvarijo kristali v luskah, cevkah ali kateri koli želeni geometriji. Metoda dovajanja tanke plasti Ga2O3 z robno definiranim robom zagotavlja hitre stopnje rasti in velike premere. Slika 3 prikazuje diagram monokristala β-Ga2O3. Poleg tega so bili glede na velikost komercializirani 2-palčni in 4-palčni substrati β-Ga2O3 z odlično prosojnostjo in enakomernostjo, medtem ko je 6-palčni substrat predstavljen v raziskavah za prihodnjo komercializacijo. Pred kratkim so na voljo tudi veliki krožni monokristalni materiali v razsutem stanju z orientacijo (−201). Poleg tega metoda dovajanja robno definiranega filma β-Ga2O3 spodbuja tudi dopiranje prehodnih kovinskih elementov, kar omogoča raziskave in pripravo Ga2O3.
Slika 3 Monokristal β-Ga2O3, vzgojen z metodo dovajanja filma z definiranim robom
1.3 Bridgemanova metoda
Pri Bridgemanovi metodi se kristali tvorijo v lončku, ki se postopoma premika skozi temperaturni gradient. Postopek se lahko izvaja v vodoravni ali navpični orientaciji, običajno z uporabo vrtečega se lončka. Omeniti velja, da ta metoda lahko uporablja kristalna semena ali pa tudi ne. Tradicionalni Bridgmanovi operaterji nimajo neposredne vizualizacije procesov taljenja in rasti kristalov ter morajo temperaturo nadzorovati z visoko natančnostjo. Vertikalna Bridgmanova metoda se uporablja predvsem za rast β-Ga2O3 in je znana po svoji sposobnosti rasti v zračnem okolju. Med vertikalnim procesom rasti po Bridgmanovi metodi se skupna izguba mase taline in lončka ohranja pod 1 %, kar omogoča rast velikih monokristalov β-Ga2O3 z minimalnimi izgubami.
Slika 4 Monokristal β-Ga2O3, vzgojen po Bridgemanovi metodi
1.4 Metoda plavajočega območja
Metoda plavajoče cone rešuje problem kontaminacije kristalov z materiali lončkov in zmanjšuje visoke stroške, povezane z infrardečimi lončki, odpornimi na visoke temperature. Med tem rastnim procesom se lahko talino segreva s svetilko namesto z RF virom, kar poenostavi zahteve za rastno opremo. Čeprav oblika in kakovost kristalov β-Ga2O3, vzgojenega z metodo plavajoče cone, še nista optimalni, ta metoda odpira obetavno metodo za gojenje visoko čistega β-Ga2O3 v cenovno ugodne monokristale.
Slika 5 Monokristal β-Ga2O3, vzgojen z metodo plavajoče cone.
Čas objave: 30. maj 2024