Semikonduktor celah pita lega (WBG) anu diwakilan ku silikon karbida (SiC) sareng galium nitrida (GaN) parantos nampi perhatian anu lega. Jalma-jalma gaduh ekspektasi anu luhur pikeun prospek aplikasi silikon karbida dina kendaraan listrik sareng jaringan listrik, ogé prospek aplikasi galium nitrida dina ngecas gancang. Dina sababaraha taun ka pengker, panilitian ngeunaan bahan Ga2O3, AlN sareng inten parantos ngadamel kamajuan anu signifikan, ngajantenkeun bahan semikonduktor celah pita ultra-lega janten fokus perhatian. Di antarana, galium oksida (Ga2O3) mangrupikeun bahan semikonduktor celah pita ultra-lega anu muncul kalayan celah pita 4,8 eV, kakuatan medan breakdown kritis téoritis sakitar 8 MV cm-1, kecepatan saturasi sakitar 2E7cm s-1, sareng faktor kualitas Baliga anu luhur 3000, nampi perhatian anu lega dina widang éléktronika daya tegangan tinggi sareng frékuénsi tinggi.
1. Ciri-ciri bahan oksida galium
Ga2O3 mibanda celah pita anu ageung (4,8 eV), diperkirakeun bakal ngahontal kamampuan tegangan tahan anu luhur sareng kakuatan anu luhur, sareng tiasa gaduh poténsi pikeun adaptasi tegangan anu luhur dina résistansi anu relatif handap, ngajantenkeun éta fokus panalungtikan ayeuna. Salian ti éta, Ga2O3 henteu ngan ukur gaduh sipat bahan anu saé, tapi ogé nyayogikeun rupa-rupa téknologi doping tipe-n anu gampang disaluyukeun, ogé téknologi pertumbuhan substrat sareng epitaksi anu murah. Dugi ka ayeuna, lima fase kristal anu béda parantos kapanggih dina Ga2O3, kalebet fase korundum (α), monoklinik (β), spinel cacad (γ), kubik (δ) sareng ortorombik (ɛ). Stabilitas termodinamika nyaéta, dina urutan, γ, δ, α, ɛ, sareng β. Perlu dicatet yén β-Ga2O3 monoklinik mangrupikeun anu paling stabil, khususna dina suhu anu luhur, sedengkeun fase sanésna métastable di luhur suhu kamar sareng condong robah kana fase β dina kaayaan termal anu khusus. Ku kituna, pamekaran alat berbasis β-Ga2O3 parantos janten fokus utama dina widang éléktronika daya dina sababaraha taun terakhir.
Tabel 1 Babandingan sababaraha parameter bahan semikonduktor
Struktur kristal monoklinikβ-Ga2O3 dipidangkeun dina Tabel 1. Parameter kisi-kisi na kalebet a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å, sareng β = 103,8°. Sél unit diwangun ku atom Ga(I) kalayan koordinasi tétrahédral anu bengkong sareng atom Ga(II) kalayan koordinasi oktahédral. Aya tilu susunan atom oksigén anu béda dina susunan "kubik bengkong", kalebet dua atom O(I) sareng O(II) anu dikoordinasikeun sacara segitiga sareng hiji atom O(III) anu dikoordinasikeun sacara tetrahédral. Kombinasi dua jinis koordinasi atom ieu ngarah kana anisotropi β-Ga2O3 kalayan sipat khusus dina fisika, korosi kimia, optik sareng éléktronika.
Gambar 1 Diagram struktural skematis kristal β-Ga2O3 monoklinik
Tina sudut pandang téori pita énergi, nilai minimum pita konduksi β-Ga2O3 diturunkeun tina kaayaan énergi anu saluyu sareng orbit hibrida 4s0 atom Ga. Bédana énergi antara nilai minimum pita konduksi sareng tingkat énergi vakum (énergi afinitas éléktron) anu diukur nyaéta 4 eV. Massa éléktron efektif β-Ga2O3 diukur salaku 0,28–0,33 me sareng konduktivitas éléktronik anu nguntungkeun. Nanging, pita valénsi maksimum nunjukkeun kurva Ek anu déét kalayan kelengkungan anu handap pisan sareng orbital O2p anu terlokalisasi kuat, nunjukkeun yén liangna terlokalisasi sacara jero. Ciri-ciri ieu mangrupikeun tantangan anu ageung pikeun ngahontal doping tipe-p dina β-Ga2O3. Sanaos doping tipe-P tiasa kahontal, liang μ tetep dina tingkat anu handap pisan. 2. Tumuwuhna kristal tunggal galium oksida massal Nepi ka ayeuna, metode tumuwuhna substrat kristal tunggal massal β-Ga2O3 utamina metode narik kristal, sapertos Czochralski (CZ), metode tuang pilem ipis anu ditetepkeun ku ujung (Edge -Defined film-fed, EFG), Bridgman (rtical atanapi horizontal Bridgman, HB atanapi VB) sareng téknologi zona ngambang (floating zone, FZ). Di antara sadaya metode, metode tuang pilem ipis Czochralski sareng ujung ditetepkeun dipiharep janten jalan anu paling ngajangjikeun pikeun produksi massal wafer β-Ga 2O3 di masa depan, sabab sacara simultan tiasa ngahontal volume anu ageung sareng kapadetan cacad anu handap. Nepi ka ayeuna, Novel Crystal Technology Jepang parantos ngawujudkeun matriks komérsial pikeun tumuwuhna lebur β-Ga2O3.
1.1 Métode Czochralski
Prinsip metode Czochralski nyaéta lapisan siki heula ditutupan, teras kristal tunggal ditarik kaluar lalaunan tina leburna. Metode Czochralski beuki penting pikeun β-Ga2O3 kusabab efektivitas biaya, kamampuan ukuran ageung, sareng pertumbuhan substrat kualitas kristal anu luhur. Nanging, kusabab setrés termal salami pertumbuhan Ga2O3 dina suhu luhur, penguapan kristal tunggal, bahan lebur, sareng karusakan wadah Ir bakal kajantenan. Ieu mangrupikeun hasil tina kasusah dina ngahontal doping tipe-n anu handap dina Ga2O3. Ngalebetkeun jumlah oksigén anu pas kana atmosfir pertumbuhan mangrupikeun salah sahiji cara pikeun ngarengsekeun masalah ieu. Ngaliwatan optimasi, β-Ga2O3 2 inci kualitas luhur kalayan rentang konsentrasi éléktron bébas 10^16~10^19 cm-3 sareng kapadetan éléktron maksimum 160 cm2/Vs parantos hasil dipelak ku metode Czochralski.
Gambar 2 Kristal tunggal β-Ga2O3 anu dipelak ku metode Czochralski
1.2 Métode dahar pilem anu ditetepkeun ku ujung
Métode dahar pilem ipis anu ditetepkeun ku ujung dianggap janten pesaing utama pikeun produksi komérsial bahan kristal tunggal Ga2O3 anu lega. Prinsip metode ieu nyaéta nempatkeun lebur dina citakan kalayan celah kapiler, sareng lebur naék ka citakan ngalangkungan aksi kapiler. Di luhur, pilem ipis kabentuk sareng nyebar ka sadaya arah bari diinduksi pikeun ngristalkeun ku kristal siki. Salaku tambahan, ujung luhur citakan tiasa dikontrol pikeun ngahasilkeun kristal dina serpihan, tabung, atanapi géométri anu dipikahoyong. Métode dahar pilem ipis anu ditetepkeun ku ujung Ga2O3 nyayogikeun laju pertumbuhan anu gancang sareng diaméter anu ageung. Gambar 3 nunjukkeun diagram kristal tunggal β-Ga2O3. Salaku tambahan, dina hal skala ukuran, substrat β-Ga2O3 2 inci sareng 4 inci kalayan transparansi sareng keseragaman anu saé parantos dikomersialkeun, sedengkeun substrat 6 inci dipidangkeun dina panalungtikan pikeun komersialisasi ka hareup. Anyar-anyar ieu, bahan bulk kristal tunggal bunderan ageung ogé parantos sayogi kalayan orientasi (−201). Salian ti éta, metode edge-defined film feeding β-Ga2O3 ogé ngamajukeun doping unsur logam transisi, sahingga panalungtikan sareng persiapan Ga2O3 tiasa dilakukeun.
Gambar 3 kristal tunggal β-Ga2O3 anu dipelak ku metode pakan pilem anu ditetepkeun ku ujung
1.3 Métode Bridgeman
Dina metode Bridgeman, kristal dibentuk dina wadah anu laun-laun dipindahkeun ngaliwatan gradien suhu. Prosésna tiasa dilakukeun dina orientasi horizontal atanapi vertikal, biasana nganggo wadah anu muter. Perlu dicatet yén metode ieu tiasa nganggo atanapi henteu nganggo siki kristal. Operator Bridgman tradisional kakurangan visualisasi langsung tina prosés lebur sareng kamekaran kristal sareng kedah ngontrol suhu kalayan presisi anu luhur. Metode Bridgman vertikal utamina dianggo pikeun kamekaran β-Ga2O3 sareng dikenal ku kamampuanna pikeun tumuwuh dina lingkungan hawa. Salila prosés kamekaran metode Bridgman vertikal, total leungitna massa tina lebur sareng wadah dijaga di handap 1%, ngamungkinkeun kamekaran kristal tunggal β-Ga2O3 ageung kalayan karugian minimal.
Gambar 4 Kristal tunggal β-Ga2O3 anu dipelak ku metode Bridgeman
1.4 Métode zona ngambang
Métode zona ngambang ngarengsekeun masalah kontaminasi kristal ku bahan wadah sareng ngirangan biaya anu luhur anu aya hubunganana sareng wadah infra red anu tahan suhu luhur. Salila prosés kamekaran ieu, lebur tiasa dipanaskeun ku lampu tinimbang sumber RF, sahingga ngagampangkeun sarat pikeun alat kamekaran. Sanaos bentuk sareng kualitas kristal β-Ga2O3 anu dipelak ku metode zona ngambang tacan optimal, metode ieu muka metode anu ngajangjikeun pikeun tumuwuh β-Ga2O3 anu murni luhur janten kristal tunggal anu ramah anggaran.
Gambar 5 kristal tunggal β-Ga2O3 anu dipelak ku metode zona ngambang.
Waktos posting: 30 Méi-2024