Полупроводници са широким енергетским процепом (WBG), представљени силицијум карбидом (SiC) и галијум нитридом (GaN), привукли су широку пажњу. Људи имају велика очекивања у погледу перспектива примене силицијум карбида у електричним возилима и електроенергетским мрежама, као и перспектива примене галијум нитрида у брзом пуњењу. Последњих година, истраживања Ga2O3, AlN и дијамантских материјала су постигла значајан напредак, стављајући полупроводничке материјале са ултрашироким енергетским процепом у фокус пажње. Међу њима, галијум оксид (Ga2O3) је нови полупроводнички материјал са ултрашироким енергетским процепом, са енергетским процепом од 4,8 eV, теоријском критичном јачином пробојног поља од око 8 MV cm-1, брзином засићења од око 2E7cm s-1 и високим Балигиним фактором квалитета од 3000, који привлачи широку пажњу у области високонапонске и високофреквентне енергетске електронике.
1. Карактеристике материјала од галијум оксида
Ga2O3 има велики енергетски јаз (4,8 eV), очекује се да ће постићи и висок напон издржљивости и високу снагу, и може имати потенцијал за прилагодљивост високом напону при релативно ниском отпору, што га чини фокусом актуелних истраживања. Поред тога, Ga2O3 не само да има одлична својства материјала, већ пружа и разне лако подесиве технологије допирања n-типа, као и јефтине технологије раста подлоге и епитаксе. До сада је у Ga2O3 откривено пет различитих кристалних фаза, укључујући корунд (α), моноклиничну (β), дефектну спинел (γ), кубну (δ) и орторомбску (ɛ) фазу. Термодинамичке стабилности су, редом, γ, δ, α, ɛ и β. Вреди напоменути да је моноклинична β-Ga2O3 најстабилнија, посебно на високим температурама, док су друге фазе метастабилне изнад собне температуре и теже да се трансформишу у β фазу под специфичним термичким условима. Стога је развој уређаја заснованих на β-Ga2O3 постао главни фокус у области енергетске електронике последњих година.
Табела 1 Поређење неких параметара полупроводничких материјала
Кристална структура моноклинског β-Ga2O3 приказана је у Табели 1. Њени параметри решетке укључују a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å и β = 103,8°. Јединична ћелија се састоји од атома Ga(I) са увијеном тетраедарском координацијом и атома Ga(II) са октаедарском координацијом. Постоје три различита распореда атома кисеоника у „увијеном кубном“ низу, укључујући два троугласто координисана атома O(I) и O(II) и један тетраедарски координисани атом O(III). Комбинација ова два типа атомске координације доводи до анизотропије β-Ga2O3 са посебним својствима у физици, хемијској корозији, оптици и електроници.
Слика 1 Шематски структурни дијаграм моноклинског β-Ga2O3 кристала
Из перспективе теорије енергетских зона, минимална вредност проводне зоне β-Ga2O3 изведена је из енергетског стања које одговара 4s0 хибридној орбити атома Ga. Измерена је енергетска разлика између минималне вредности проводне зоне и нивоа енергије вакуума (енергија афинитета електрона) која је 4 eV. Ефективна маса електрона β-Ga2O3 измерена је као 0,28–0,33 me и његова повољна електронска проводљивост. Међутим, максимум валентне зоне показује плитку Ek криву са веома ниском закривљеношћу и јако локализованим O2p орбиталама, што сугерише да су шупљине дубоко локализоване. Ове карактеристике представљају велики изазов за постизање p-типа допирања у β-Ga2O3. Чак и ако се може постићи P-тип допирања, μ шупљине остаје на веома ниском нивоу. 2. Раст монокристала галијум оксида у маси До сада је метода раста супстрата монокристала β-Ga2O3 у маси углавном метода извлачења кристала, као што су Чохралски (CZ), метода напајања танким филмом дефинисаним ивицама (Edge-Defined film-fed, EFG), Бриџман (вертикална или хоризонтална Бриџман, HB или VB) и технологија плутајуће зоне (floating zone, FZ). Међу свим методама, очекује се да ће Чохралски и метода напајања танким филмом дефинисаним ивицама бити најперспективнији путеви за масовну производњу β-Ga2O3 плочица у будућности, јер могу истовремено постићи велике запремине и ниске густине дефеката. До сада је јапанска компанија Novel Crystal Technology реализовала комерцијалну матрицу за растопљени растоп β-Ga2O3.
1.1 Чохралскијев метод
Принцип Чохралског метода је да се слој семена прво прекрије, а затим се монокристал полако извлачи из растопа. Чохралски метод је све важнији за β-Ga2O3 због своје исплативости, могућности великих димензија и високог квалитета раста кристала као подлоге. Међутим, због термичког напрезања током раста Ga2O3 на високим температурама, доћи ће до испаравања монокристала, материјала растопа и оштећења Ir лончића. То је резултат тешкоће у постизању ниског допирања n-типа у Ga2O3. Увођење одговарајуће количине кисеоника у атмосферу раста је један од начина за решавање овог проблема. Кроз оптимизацију, Чохралским методом је успешно узгајан висококвалитетни β-Ga2O3 од 2 инча са опсегом концентрације слободних електрона од 10^16~10^19 цм-3 и максималном густином електрона од 160 цм2/Vs.
Слика 2 Монокристал β-Ga2O3 узгајан Чохралским методом
1.2 Метода увлачења филма са дефинисаним ивицама
Метода додавања танког филма са дефинисаним ивицама сматра се водећим кандидатом за комерцијалну производњу монокристалних материјала Ga2O3 велике површине. Принцип ове методе је да се растоп постави у калуп са капиларним прорезом, а растоп се диже до калупа капиларним дејством. На врху се формира танки филм који се шири у свим правцима док га кристална семена индукује да кристалише. Поред тога, ивице врха калупа могу се контролисати да би се произвели кристали у пахуљицама, цевима или било којој жељеној геометрији. Метода додавања танког филма Ga2O3 са дефинисаним ивицама обезбеђује брзе стопе раста и велике пречнике. Слика 3 приказује дијаграм монокристала β-Ga2O3. Поред тога, у погледу величине, комерцијализоване су β-Ga2O3 подлоге од 2 и 4 инча са одличном транспарентношћу и уједначеношћу, док је подлога од 6 инча демонстрирана у истраживањима за будућу комерцијализацију. Недавно су постали доступни и велики кружни монокристални материјали са оријентацијом (−201). Поред тога, метода храњења β-Ga2O3 филмом са дефинисаним ивицама такође подстиче допирање елемената прелазних метала, што омогућава истраживање и припрему Ga2O3.
Слика 3 β-Ga2O3 монокристал узгајан методом додавања филма са дефинисаним ивицама
1.3 Бриџманова метода
У Бриџманoвој методи, кристали се формирају у лончићу који се постепено помера кроз температурни градијент. Процес се може изводити у хоризонталној или вертикалној оријентацији, обично коришћењем ротирајућег лончића. Вреди напоменути да овај метод може, али и не мора да користи кристалне семе. Традиционалним Бриџмановим оператерима недостаје директна визуелизација процеса топљења и раста кристала и морају да контролишу температуре са великом прецизношћу. Вертикални Бриџманов метод се углавном користи за раст β-Ga2O3 и познат је по својој способности раста у ваздушном окружењу. Током вертикалног процеса раста Бриџмановом методом, укупни губитак масе растопљеног и лончића се одржава испод 1%, што омогућава раст великих β-Ga2O3 монокристала са минималним губицима.
Слика 4 Монокристал β-Ga2O3 узгајан Бриџмановом методом
1.4 Метод плутајуће зоне
Метода плутајуће зоне решава проблем контаминације кристала материјалима лончића и смањује високе трошкове повезане са инфрацрвеним лончићима отпорним на високе температуре. Током овог процеса раста, растоп се може загревати лампом уместо РФ извором, чиме се поједностављују захтеви за опрему за раст. Иако облик и квалитет кристала β-Ga2O3 узгајаног методом плутајуће зоне још увек нису оптимални, ова метода отвара обећавајућу методу за узгој β-Ga2O3 високе чистоће у буџетски приступачне монокристале.
Слика 5 β-Ga2O3 монокристал узгајан методом плутајуће зоне.
Време објаве: 30. мај 2024.