Ang mga wide bandgap (WBG) semiconductor na kinakatawan ng silicon carbide (SiC) at gallium nitride (GaN) ay nakatanggap ng malawakang atensyon. Mataas ang inaasahan ng mga tao para sa mga prospect ng aplikasyon ng silicon carbide sa mga electric vehicle at power grid, pati na rin ang mga prospect ng aplikasyon ng gallium nitride sa fast charging. Sa mga nakaraang taon, ang pananaliksik sa mga materyales na Ga2O3, AlN at diamond ay nakagawa ng makabuluhang pag-unlad, na naging pokus ng atensyon ang mga ultra-wide bandgap semiconductor material. Kabilang sa mga ito, ang gallium oxide (Ga2O3) ay isang umuusbong na ultra-wide-bandgap semiconductor material na may band gap na 4.8 eV, theoretical critical breakdown field strength na humigit-kumulang 8 MV cm-1, saturation velocity na humigit-kumulang 2E7cm s-1, at mataas na Baliga quality factor na 3000, na nakatanggap ng malawakang atensyon sa larangan ng high voltage at high frequency power electronics.
1. Mga katangian ng materyal na gallium oxide
Ang Ga2O3 ay may malaking band gap (4.8 eV), inaasahang makakamit ang parehong mataas na kakayahan sa pagtitiis ng boltahe at mataas na kapangyarihan, at maaaring magkaroon ng potensyal para sa kakayahang umangkop sa mataas na boltahe sa medyo mababang resistensya, na ginagawa itong pokus ng kasalukuyang pananaliksik. Bukod pa rito, ang Ga2O3 ay hindi lamang may mahusay na mga katangian ng materyal, kundi nagbibigay din ng iba't ibang madaling i-adjust na mga teknolohiya ng n-type doping, pati na rin ang mga teknolohiya ng mababang gastos sa paglago ng substrate at epitaxy. Sa ngayon, limang magkakaibang crystal phase ang natuklasan sa Ga2O3, kabilang ang corundum (α), monoclinic (β), depektibong spinel (γ), cubic (δ) at orthorhombic (ɛ) phase. Ang mga thermodynamic stability ay, sa pagkakasunud-sunod, γ, δ, α, ɛ, at β. Mahalagang tandaan na ang monoclinic β-Ga2O3 ang pinaka-matatag, lalo na sa mataas na temperatura, habang ang iba pang mga phase ay metastable sa itaas ng temperatura ng silid at may posibilidad na mag-transform sa β phase sa ilalim ng mga partikular na thermal condition. Samakatuwid, ang pag-unlad ng mga aparatong nakabatay sa β-Ga2O3 ay naging pangunahing pokus sa larangan ng power electronics nitong mga nakaraang taon.
Talahanayan 1 Paghahambing ng ilang mga parametro ng materyal na semiconductor
Ang istrukturang kristal ng monoclinicβ-Ga2O3 ay ipinapakita sa Talahanayan 1. Kabilang sa mga parametro ng lattice nito ang a = 12.21 Å, b = 3.04 Å, c = 5.8 Å, at β = 103.8°. Ang unit cell ay binubuo ng mga atomo ng Ga(I) na may twisted tetrahedral coordination at mga atomo ng Ga(II) na may octahedral coordination. Mayroong tatlong magkakaibang pagkakaayos ng mga atomo ng oxygen sa "twisted cubic" array, kabilang ang dalawang triangularly coordinated O(I) at O(II) na atomo at isang tetrahedrally coordinated O(III) na atomo. Ang kombinasyon ng dalawang uri ng atomic coordination na ito ay humahantong sa anisotropy ng β-Ga2O3 na may mga espesyal na katangian sa pisika, kemikal na kaagnasan, optika at elektronika.
Pigura 1 Eskematikong istrukturang diagram ng monoclinic β-Ga2O3 crystal
Mula sa perspektibo ng teorya ng energy band, ang pinakamababang halaga ng conduction band ng β-Ga2O3 ay hinango mula sa estado ng enerhiya na katumbas ng 4s0 hybrid orbit ng atomong Ga. Ang pagkakaiba ng enerhiya sa pagitan ng pinakamababang halaga ng conduction band at ng antas ng enerhiya ng vacuum (electron affinity energy) ay sinusukat bilang 4 eV. Ang epektibong masa ng electron ng β-Ga2O3 ay sinusukat bilang 0.28–0.33 me at ang kanais-nais nitong electronic conductivity. Gayunpaman, ang valence band maximum ay nagpapakita ng mababaw na Ek curve na may napakababang curvature at malakas na lokalisadong O2p orbitals, na nagmumungkahi na ang mga butas ay malalim na lokalisado. Ang mga katangiang ito ay nagdudulot ng malaking hamon upang makamit ang p-type doping sa β-Ga2O3. Kahit na makamit ang P-type doping, ang butas μ ay nananatili sa napakababang antas. 2. Pagpapalago ng bulk gallium oxide single crystal Sa ngayon, ang paraan ng pagpapalago ng β-Ga2O3 bulk single crystal substrate ay pangunahing paraan ng crystal pulling, tulad ng Czochralski (CZ), edge-defined thin film feeding method (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (rtical o horizontal Bridgman, HB o VB) at floating zone (floating zone, FZ) na teknolohiya. Sa lahat ng mga pamamaraan, ang Czochralski at edge-defined thin-film feeding method ay inaasahang magiging pinakamaaasahan na paraan para sa malawakang produksyon ng β-Ga2O3 wafers sa hinaharap, dahil sabay-sabay nilang makakamit ang malalaking volume at mababang defect densities. Sa ngayon, ang Novel Crystal Technology ng Japan ay nakamit na ang isang komersyal na matrix para sa melt growth β-Ga2O3.
1.1 Paraang Czochralski
Ang prinsipyo ng pamamaraang Czochralski ay ang unang pagtatakip sa patong ng binhi, at pagkatapos ay dahan-dahang hinihila palabas ang nag-iisang kristal mula sa natutunaw na materyal. Ang pamamaraang Czochralski ay lalong nagiging mahalaga para sa β-Ga2O3 dahil sa pagiging epektibo nito sa gastos, malalaking kakayahan, at mataas na kalidad ng paglago ng substrate ng kristal. Gayunpaman, dahil sa thermal stress habang lumalaki ang Ga2O3 sa mataas na temperatura, magaganap ang pagsingaw ng mga nag-iisang kristal, mga natutunaw na materyales, at pinsala sa Ir crucible. Ito ay resulta ng kahirapan sa pagkamit ng mababang n-type doping sa Ga2O3. Ang pagpapakilala ng angkop na dami ng oxygen sa growth atmosphere ay isang paraan upang malutas ang problemang ito. Sa pamamagitan ng pag-optimize, ang mataas na kalidad na 2-pulgadang β-Ga2O3 na may saklaw ng konsentrasyon ng libreng elektron na 10^16~10^19 cm-3 at pinakamataas na densidad ng elektron na 160 cm2/Vs ay matagumpay na napalago sa pamamagitan ng pamamaraang Czochralski.
Pigura 2 Isang kristal ng β-Ga2O3 na pinatubo gamit ang pamamaraang Czochralski
1.2 Paraan ng pagpapakain ng pelikulang tinukoy ng gilid
Ang edge-defined thin film feeding method ay itinuturing na nangungunang kandidato para sa komersyal na produksyon ng mga large-area Ga2O3 single crystal materials. Ang prinsipyo ng pamamaraang ito ay ang paglalagay ng tinunaw na materyal sa isang molde na may capillary slit, at ang tinunaw na materyal ay umaakyat sa molde sa pamamagitan ng capillary action. Sa itaas, isang manipis na pelikula ang nabubuo at kumakalat sa lahat ng direksyon habang hinihikayat na mag-kristal ng seed crystal. Bukod pa rito, ang mga gilid ng ibabaw ng molde ay maaaring kontrolin upang makagawa ng mga kristal sa anyo ng mga flakes, tubes, o anumang ninanais na geometry. Ang edge-defined thin film feeding method ng Ga2O3 ay nagbibigay ng mabilis na paglago at malalaking diameter. Ipinapakita ng Figure 3 ang isang diagram ng isang β-Ga2O3 single crystal. Bukod pa rito, sa mga tuntunin ng laki, ang 2-pulgada at 4-pulgadang β-Ga2O3 substrates na may mahusay na transparency at uniformity ay naibenta na, habang ang 6-pulgadang substrate ay ipinakita sa pananaliksik para sa komersyalisasyon sa hinaharap. Kamakailan lamang, ang malalaking pabilog na single-crystal bulk materials ay naging available din na may (−201) na oryentasyon. Bukod pa rito, ang β-Ga2O3 edge-defined film feeding method ay nagtataguyod din ng doping ng mga transition metal elements, na ginagawang posible ang pananaliksik at paghahanda ng Ga2O3.
Pigura 3 β-Ga2O3 na nag-iisang kristal na pinatubo sa pamamagitan ng pamamaraan ng pagpapakain ng pelikula na may hangganan
1.3 Paraan ng Bridgeman
Sa pamamaraang Bridgeman, ang mga kristal ay nabubuo sa isang tunawan na unti-unting ginagalaw sa pamamagitan ng isang gradient ng temperatura. Ang proseso ay maaaring isagawa sa isang pahalang o patayong oryentasyon, karaniwang gumagamit ng isang umiikot na tunawan. Mahalagang tandaan na ang pamamaraang ito ay maaaring gumamit o hindi gumagamit ng mga buto ng kristal. Ang mga tradisyunal na operator ng Bridgman ay kulang sa direktang paggunita sa mga proseso ng pagkatunaw at paglaki ng kristal at dapat kontrolin ang mga temperatura nang may mataas na katumpakan. Ang patayong pamamaraang Bridgman ay pangunahing ginagamit para sa paglaki ng β-Ga2O3 at kilala sa kakayahang lumaki sa isang kapaligirang may hangin. Sa panahon ng proseso ng paglaki ng patayong pamamaraang Bridgman, ang kabuuang pagkawala ng masa ng natunaw at tunawan ay pinapanatili sa ibaba ng 1%, na nagbibigay-daan sa paglaki ng malalaking β-Ga2O3 na nag-iisang kristal na may kaunting pagkawala.
Pigura 4 Isang kristal ng β-Ga2O3 na pinatubo gamit ang pamamaraang Bridgeman
1.4 Paraan ng lumulutang na sona
Nilulutas ng floating zone method ang problema ng kontaminasyon ng kristal ng mga materyales na maaaring i-crucible at binabawasan ang mataas na gastos na nauugnay sa mga infrared crucible na lumalaban sa mataas na temperatura. Sa prosesong ito ng paglaki, ang natunaw na materyal ay maaaring painitin gamit ang isang lampara sa halip na isang pinagmumulan ng RF, kaya pinapasimple ang mga kinakailangan para sa kagamitan sa paglaki. Bagama't ang hugis at kalidad ng kristal ng β-Ga2O3 na pinatubo gamit ang floating zone method ay hindi pa pinakamainam, ang pamamaraang ito ay nagbubukas ng isang promising na pamamaraan para sa pagpapalago ng mataas na kadalisayan na β-Ga2O3 tungo sa mga single crystal na abot-kaya.
Pigura 5 β-Ga2O3 iisang kristal na pinatubo gamit ang floating zone method.
Oras ng pag-post: Mayo-30-2024