Gjysmëpërçuesit me gjerësi bande (WBG) të përfaqësuar nga karbidi i silicit (SiC) dhe nitridi i galiumit (GaN) kanë marrë vëmendje të gjerë. Njerëzit kanë pritje të larta për perspektivat e aplikimit të karbidit të silicit në automjetet elektrike dhe rrjetet elektrike, si dhe për perspektivat e aplikimit të nitritit të galiumit në karikimin e shpejtë. Në vitet e fundit, kërkimet mbi materialet Ga2O3, AlN dhe diamanti kanë bërë përparim të konsiderueshëm, duke i bërë materialet gjysmëpërçuese me gjerësi bande ultra të gjerë fokusin e vëmendjes. Midis tyre, oksidi i galiumit (Ga2O3) është një material gjysmëpërçues me gjerësi bande ultra të gjerë në zhvillim me një hendek bande prej 4.8 eV, një forcë teorike kritike të fushës së ndarjes prej rreth 8 MV cm-1, një shpejtësi ngopjes prej rreth 2E7cm s-1 dhe një faktor të lartë cilësie Baliga prej 3000, duke marrë vëmendje të gjerë në fushën e elektronikës së fuqisë me tension të lartë dhe frekuencë të lartë.
1. Karakteristikat e materialit të oksidit të galiumit
Ga2O3 ka një boshllëk të madh brezash (4.8 eV), pritet të arrijë si tension të lartë rezistence ashtu edhe aftësi të larta fuqie, dhe mund të ketë potencialin për përshtatshmëri të tensionit të lartë në rezistencë relativisht të ulët, duke e bërë atë fokusin e kërkimit aktual. Përveç kësaj, Ga2O3 jo vetëm që ka veti të shkëlqyera materiale, por gjithashtu ofron një sërë teknologjish dopingu të tipit n lehtësisht të rregullueshme, si dhe teknologji të rritjes së substratit dhe epitaksi me kosto të ulët. Deri më tani, janë zbuluar pesë faza të ndryshme kristalore në Ga2O3, duke përfshirë korundin (α), monoklinën (β), spinelin defektoz (γ), kubën (δ) dhe fazat ortorombike (ɛ). Stabilitetet termodinamike janë, sipas radhës, γ, δ, α, ɛ dhe β. Vlen të përmendet se β-Ga2O3 monoklinike është më e qëndrueshme, veçanërisht në temperatura të larta, ndërsa fazat e tjera janë metastabile mbi temperaturën e dhomës dhe kanë tendencë të transformohen në fazën β në kushte specifike termike. Prandaj, zhvillimi i pajisjeve të bazuara në β-Ga2O3 është bërë një fokus i madh në fushën e elektronikës së fuqisë në vitet e fundit.
Tabela 1 Krahasimi i disa parametrave të materialeve gjysmëpërçuese
Struktura kristalore e β-Ga2O3 monoklinik është paraqitur në Tabelën 1. Parametrat e rrjetës së tij përfshijnë a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å dhe β = 103.8°. Qeliza njësi përbëhet nga atome Ga(I) me koordinim tetraedral të përdredhur dhe atome Ga(II) me koordinim oktaedral. Ekzistojnë tre rregullime të ndryshme të atomeve të oksigjenit në grupin "kubik të përdredhur", duke përfshirë dy atome O(I) dhe O(II) të koordinuara në mënyrë trekëndëshe dhe një atom O(III) të koordinuar në mënyrë tetraedrale. Kombinimi i këtyre dy llojeve të koordinimit atomik çon në anizotropinë e β-Ga2O3 me veti të veçanta në fizikë, korrozion kimik, optikë dhe elektronikë.
Figura 1 Diagrama skematike strukturore e kristalit monoklinik β-Ga2O3
Nga perspektiva e teorisë së brezit të energjisë, vlera minimale e brezit të përçueshmërisë së β-Ga2O3 rrjedh nga gjendja e energjisë që korrespondon me orbitën hibride 4s0 të atomit Ga. Matet diferenca e energjisë midis vlerës minimale të brezit të përçueshmërisë dhe nivelit të energjisë së vakumit (energjia e afinitetit të elektroneve). Është 4 eV. Masa efektive e elektroneve të β-Ga2O3 matet si 0.28–0.33 me dhe përçueshmëria e saj elektronike është e favorshme. Megjithatë, maksimumi i brezit të valencës shfaq një kurbë Ek të cekët me lakim shumë të ulët dhe orbitale O2p të lokalizuara fort, duke sugjeruar që vrimat janë të lokalizuara thellë. Këto karakteristika paraqesin një sfidë të madhe për të arritur dopingun e tipit p në β-Ga2O3. Edhe nëse dopingu i tipit P mund të arrihet, vrima μ mbetet në një nivel shumë të ulët. 2. Rritja e kristalit të vetëm të oksidit të galiumit në masë Deri më tani, metoda e rritjes së substratit të vetëm të kristalit β-Ga2O3 është kryesisht metoda e tërheqjes së kristalit, siç është Czochralski (CZ), metoda e ushqyerjes me film të hollë të përcaktuar nga skaji (Edge-Defined film-fed, EFG), teknologjia Bridgman (Bridgman vertikal ose horizontal, HB ose VB) dhe teknologjia e zonës lundruese (zona lundruese, FZ). Ndër të gjitha metodat, metoda Czochralski dhe metodat e ushqyerjes me film të hollë të përcaktuar nga skaji pritet të jenë rrugët më premtuese për prodhimin masiv të pllakave β-Ga2O3 në të ardhmen, pasi ato mund të arrijnë njëkohësisht vëllime të mëdha dhe dendësi të ulëta defektesh. Deri më tani, Teknologjia e Kristalit Novel e Japonisë ka realizuar një matricë komerciale për rritjen e shkrirjes së β-Ga2O3.
1.1 Metoda Czochralski
Parimi i metodës Czochralski është që shtresa e farës mbulohet së pari dhe më pas kristali i vetëm nxirret ngadalë nga shkrirja. Metoda Czochralski është gjithnjë e më e rëndësishme për β-Ga2O3 për shkak të efektivitetit të kostos, aftësive të mëdha në madhësi dhe rritjes së substratit me cilësi të lartë të kristalit. Megjithatë, për shkak të stresit termik gjatë rritjes në temperaturë të lartë të Ga2O3, do të ndodhë avullimi i kristaleve të vetëm, materialeve të shkrirë dhe dëmtimi i enës së shkrirjes prej Ir. Kjo është rezultat i vështirësisë në arritjen e dopingut të ulët të tipit n në Ga2O3. Futja e një sasie të përshtatshme oksigjeni në atmosferën e rritjes është një mënyrë për të zgjidhur këtë problem. Përmes optimizimit, β-Ga2O3 me cilësi të lartë 2 inç me një diapazon përqendrimi të elektroneve të lira prej 10^16~10^19 cm-3 dhe një dendësi maksimale të elektroneve prej 160 cm2/Vs është rritur me sukses me metodën Czochralski.
Figura 2 Kristal i vetëm i β-Ga2O3 i rritur me metodën Czochralski
1.2 Metoda e furnizimit të filmit të përcaktuar nga skaji
Metoda e ushqyerjes me film të hollë të përcaktuar nga skaji konsiderohet të jetë pretendenti kryesor për prodhimin komercial të materialeve me kristal të vetëm Ga2O3 me sipërfaqe të madhe. Parimi i kësaj metode është vendosja e shkrirjes në një myk me një çarje kapilare, dhe shkrirja ngrihet në myk nëpërmjet veprimit kapilar. Në krye, formohet një film i hollë dhe përhapet në të gjitha drejtimet ndërsa induktohet të kristalizohet nga kristali i farës. Përveç kësaj, skajet e majës së mykut mund të kontrollohen për të prodhuar kristale në thekon, tuba ose çdo gjeometri të dëshiruar. Metoda e ushqyerjes me film të hollë të përcaktuar nga skaji e Ga2O3 siguron shkallë të shpejtë rritjeje dhe diametra të mëdhenj. Figura 3 tregon një diagramë të një kristali të vetëm β-Ga2O3. Përveç kësaj, për sa i përket shkallës së madhësisë, substratet β-Ga2O3 2 inç dhe 4 inç me transparencë dhe uniformitet të shkëlqyer janë komercializuar, ndërsa substrati 6 inç është demonstruar në kërkime për komercializim në të ardhmen. Kohët e fundit, materialet e mëdha rrethore me kristal të vetëm janë bërë gjithashtu të disponueshme me orientim (-201). Përveç kësaj, metoda e ushqyerjes së filmit të përcaktuar nga skaji β-Ga2O3 nxit gjithashtu dopimin e elementëve të metaleve të tranzicionit, duke e bërë të mundur kërkimin dhe përgatitjen e Ga2O3.
Figura 3 Kristali i vetëm β-Ga2O3 i rritur me metodën e ushqyerjes me film të përcaktuar nga skaji
1.3 Metoda Bridgeman
Në metodën Bridgeman, kristalet formohen në një enë që lëviz gradualisht përmes një gradienti temperature. Procesi mund të kryhet në një orientim horizontal ose vertikal, zakonisht duke përdorur një enë rrotulluese. Vlen të përmendet se kjo metodë mund të përdorë ose jo fara kristali. Operatorët tradicionalë të Bridgman nuk kanë vizualizim të drejtpërdrejtë të proceseve të shkrirjes dhe rritjes së kristalit dhe duhet të kontrollojnë temperaturat me saktësi të lartë. Metoda vertikale Bridgman përdoret kryesisht për rritjen e β-Ga2O3 dhe është e njohur për aftësinë e saj për t'u rritur në një mjedis ajri. Gjatë procesit të rritjes me metodën vertikale Bridgman, humbja totale e masës së shkrirjes dhe enës së shkrirjes mbahet nën 1%, duke mundësuar rritjen e kristaleve të mëdhenj të vetëm β-Ga2O3 me humbje minimale.
Figura 4 Kristal i vetëm i β-Ga2O3 i rritur me metodën Bridgeman
1.4 Metoda e zonës lundruese
Metoda e zonës lundruese zgjidh problemin e kontaminimit të kristaleve nga materialet e shkrirjes dhe zvogëlon kostot e larta që lidhen me shkrirësit infra të kuq rezistentë ndaj temperaturave të larta. Gjatë këtij procesi të rritjes, shkrirja mund të nxehet nga një llambë në vend të një burimi RF, duke thjeshtuar kështu kërkesat për pajisjet e rritjes. Edhe pse forma dhe cilësia e kristalit të β-Ga2O3 të rritur me metodën e zonës lundruese nuk janë ende optimale, kjo metodë hap një metodë premtuese për rritjen e β-Ga2O3 me pastërti të lartë në kristale të vetme me çmim të përballueshëm.
Figura 5 Kristali i vetëm β-Ga2O3 i rritur me metodën e zonës lundruese.
Koha e postimit: 30 maj 2024