Halvledare med brett bandgap (WBG) representerade av kiselkarbid (SiC) och galliumnitrid (GaN) har fått stor uppmärksamhet. Människor har höga förväntningar på tillämpningsmöjligheterna för kiselkarbid i elfordon och elnät, liksom tillämpningsmöjligheterna för galliumnitrid vid snabbladdning. Under senare år har forskning om Ga2O3-, AlN- och diamantmaterial gjort betydande framsteg, vilket har gjort halvledarmaterial med ultrabrett bandgap till fokus för uppmärksamheten. Bland dem är galliumoxid (Ga2O3) ett framväxande halvledarmaterial med ultrabrett bandgap med ett bandgap på 4,8 eV, en teoretisk kritisk genombrottsfältstyrka på cirka 8 MV cm-1, en mättnadshastighet på cirka 2E7cm s-1 och en hög Baliga-kvalitetsfaktor på 3000, vilket får stor uppmärksamhet inom området högspännings- och högfrekvent kraftelektronik.
1. Egenskaper hos galliumoxidmaterialet
Ga₂O₃ har ett stort bandgap (4,8 eV), förväntas uppnå både hög spänningshållfasthet och hög effekt, och kan ha potential för högspänningsanpassningsförmåga vid relativt låg resistans, vilket gör dem till fokus för aktuell forskning. Dessutom har Ga₂O₃ inte bara utmärkta materialegenskaper, utan erbjuder också en mängd olika lättjusterade n-typ dopningstekniker, samt billiga substrattillväxt- och epitaxitekniker. Hittills har fem olika kristallfaser upptäckts i Ga₂O₃, inklusive korund (α), monoklin (β), defekt spinell (γ), kubisk (δ) och ortorombisk (ɛ) fas. Termodynamiska stabiliteter är, i ordning, γ, δ, α, ɛ och β. Det är värt att notera att monoklin β-Ga₂O₃ är den mest stabila, särskilt vid höga temperaturer, medan andra faser är metastabila över rumstemperatur och tenderar att omvandlas till β-fasen under specifika termiska förhållanden. Därför har utvecklingen av β-Ga2O3-baserade komponenter blivit ett stort fokus inom kraftelektronikområdet de senaste åren.
Tabell 1 Jämförelse av vissa parametrar för halvledarmaterial
Kristallstrukturen för monoklin β-Ga₂O₃ visas i tabell 1. Dess gitterparametrar inkluderar a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å och β = 103,8°. Enhetscellen består av Ga(I)-atomer med vriden tetraedrisk koordination och Ga(II)-atomer med oktaedrisk koordination. Det finns tre olika arrangemang av syreatomer i den "vridna kubiska" matrisen, inklusive två triangulärt koordinerade O(I)- och O(II)-atomer och en tetraedriskt koordinerad O(III)-atom. Kombinationen av dessa två typer av atomkoordination leder till anisotropin hos β-Ga₂O₃ med speciella egenskaper inom fysik, kemisk korrosion, optik och elektronik.
Figur 1 Schematiskt strukturdiagram av monoklinisk β-Ga2O3-kristall
Ur energibandsteorins perspektiv härleds minimivärdet för ledningsbandet för β-Ga2O3 från energitillståndet som motsvarar Ga-atomens hybridbana 4s0. Energiskillnaden mellan minimivärdet för ledningsbandet och vakuumenerginivån (elektronaffinitetsenergi) mäts till 4 eV. Den effektiva elektronmassan för β-Ga2O3 mäts till 0,28–0,33 me och dess gynnsamma elektroniska ledningsförmåga är gynnsam. Valensbandets maximum uppvisar dock en grund Ek-kurva med mycket låg krökning och starkt lokaliserade O2p-orbitaler, vilket tyder på att hålen är djupt lokaliserade. Dessa egenskaper utgör en stor utmaning för att uppnå p-typdopning i β-Ga2O3. Även om P-typdopning kan uppnås, förblir hålets μ på en mycket låg nivå. 2. Tillväxt av bulk-galliumoxid-enkristall Hittills har tillväxtmetoden för β-Ga2O3-bulk-enkristallsubstrat huvudsakligen varit kristalldragningsmetoden, såsom Czochralski (CZ), kantdefinierad tunnfilmsmatningsmetod (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman-teknik (rtikel- eller horisontell Bridgman, HB eller VB) och flytande zon (flytande zon, FZ). Bland alla metoder förväntas Czochralski och kantdefinierade tunnfilmsmatningsmetoder vara de mest lovande vägarna för massproduktion av β-Ga2O3-wafers i framtiden, eftersom de samtidigt kan uppnå stora volymer och låga defektdensiteter. Hittills har Japans Novel Crystal Technology realiserat en kommersiell matris för smälttillväxt av β-Ga2O3.
1.1 Czochralski-metoden
Principen för Czochralski-metoden är att frölagret först täcks, och sedan dras enkristallen långsamt ut ur smältan. Czochralski-metoden blir allt viktigare för β-Ga2O3 på grund av dess kostnadseffektivitet, kapacitet för stor storlek och substrattillväxt av hög kristallkvalitet. På grund av termisk stress under högtemperaturtillväxten av Ga2O3 kommer dock avdunstning av enkristaller, smältmaterial och skador på Ir-degeln att ske. Detta är ett resultat av svårigheten att uppnå låg n-typ-dopning i Ga2O3. Att införa en lämplig mängd syre i tillväxtatmosfären är ett sätt att lösa detta problem. Genom optimering har högkvalitativ 2-tums β-Ga2O3 med ett frielektronkoncentrationsområde på 10^16~10^19 cm-3 och en maximal elektrondensitet på 160 cm2/Vs framgångsrikt odlats med Czochralski-metoden.
Figur 2 Enkristall av β-Ga2O3 odlad med Czochralski-metoden
1.2 Kantdefinierad filmmatningsmetod
Den kantdefinierade tunnfilmsmatningsmetoden anses vara den ledande kandidaten för kommersiell produktion av Ga2O3-enkristallmaterial med stor yta. Principen för denna metod är att placera smältan i en form med en kapillärslits, och smältan stiger till formen genom kapillärverkan. Överst bildas en tunn film som sprider sig i alla riktningar samtidigt som den induceras att kristallisera av ympkristallen. Dessutom kan kanterna på formens topp styras för att producera kristaller i flingor, rör eller vilken önskad geometri som helst. Den kantdefinierade tunnfilmsmatningsmetoden för Ga2O3 ger snabba tillväxthastigheter och stora diametrar. Figur 3 visar ett diagram över en β-Ga2O3-enkristall. Dessutom har 2-tums och 4-tums β-Ga2O3-substrat med utmärkt transparens och enhetlighet kommersialiserats vad gäller storleksskala, medan 6-tumssubstratet har demonstrerats i forskning för framtida kommersialisering. Nyligen har stora cirkulära enkristallbulkmaterial också blivit tillgängliga med (−201) orientering. Dessutom främjar β-Ga2O3-kantdefinierad filmmatningsmetod även dopning av övergångsmetallelement, vilket möjliggör forskning och framställning av Ga2O3.
Figur 3 β-Ga2O3 enkristall odlad med kantdefinierad filmmatningsmetod
1.3 Bridgeman-metoden
I Bridgeman-metoden bildas kristaller i en degel som gradvis förflyttas genom en temperaturgradient. Processen kan utföras i horisontell eller vertikal orientering, vanligtvis med hjälp av en roterande degel. Det är värt att notera att denna metod kan använda kristallkärnor eller inte. Traditionella Bridgman-operatörer saknar direkt visualisering av smält- och kristalltillväxtprocesserna och måste kontrollera temperaturerna med hög precision. Den vertikala Bridgman-metoden används huvudsakligen för tillväxt av β-Ga2O3 och är känd för sin förmåga att växa i en luftmiljö. Under den vertikala Bridgman-metodens tillväxtprocess hålls den totala massförlusten av smältan och degeln under 1%, vilket möjliggör tillväxt av stora β-Ga2O3-enkristaller med minimal förlust.
Figur 4 Enkristall av β-Ga2O3 odlad med Bridgeman-metoden
1.4 Flytzonsmetoden
Flytzonmetoden löser problemet med kristallkontaminering från degelmaterial och minskar de höga kostnaderna som är förknippade med högtemperaturbeständiga infraröda deglar. Under denna tillväxtprocess kan smältan värmas upp med en lampa istället för en RF-källa, vilket förenklar kraven på tillväxtutrustning. Även om formen och kristallkvaliteten hos β-Ga2O3 som odlas med flytzonmetoden ännu inte är optimal, öppnar denna metod upp en lovande metod för att odla högrent β-Ga2O3 till budgetvänliga enkristaller.
Figur 5 β-Ga2O3 enkristall odlad med flytande zonmetoden.
Publiceringstid: 30 maj 2024