Silisyum karbür (SiC) ve galyum nitrür (GaN) ile temsil edilen geniş bant aralıklı (WBG) yarı iletkenler, yaygın ilgi görmektedir. İnsanlar, elektrikli araçlarda ve enerji şebekelerinde silisyum karbürün uygulama potansiyeline ve hızlı şarjda galyum nitrürün uygulama potansiyeline ilişkin yüksek beklentilere sahiptir. Son yıllarda, Ga2O3, AlN ve elmas malzemeler üzerine yapılan araştırmalar önemli ilerleme kaydetmiş ve ultra geniş bant aralıklı yarı iletken malzemeleri ilgi odağı haline getirmiştir. Bunlar arasında, 4,8 eV bant aralığına, yaklaşık 8 MV cm-1 teorik kritik kırılma alan şiddetine, yaklaşık 2E7 cm s-1 doyma hızına ve 3000'lik yüksek Baliga kalite faktörüne sahip galyum oksit (Ga2O3), yüksek voltajlı ve yüksek frekanslı güç elektroniği alanında yaygın ilgi gören, yeni ortaya çıkan ultra geniş bant aralıklı bir yarı iletken malzemedir.
1. Galyum oksit malzeme özellikleri
Ga2O3, geniş bir bant aralığına (4,8 eV) sahip olup, hem yüksek dayanım voltajına hem de yüksek güç kapasitesine ulaşması beklenmektedir ve nispeten düşük dirençte yüksek voltaj adaptasyonu potansiyeline sahip olması nedeniyle güncel araştırmaların odak noktasıdır. Ek olarak, Ga2O3 sadece mükemmel malzeme özelliklerine sahip olmakla kalmayıp, aynı zamanda çeşitli kolayca ayarlanabilir n-tipi doping teknolojilerinin yanı sıra düşük maliyetli alt tabaka büyüme ve epitaksi teknolojileri de sunmaktadır. Şimdiye kadar Ga2O3'te korundum (α), monoklinik (β), kusurlu spinel (γ), kübik (δ) ve ortorombik (ɛ) fazlar dahil olmak üzere beş farklı kristal faz keşfedilmiştir. Termodinamik kararlılıkları sırasıyla γ, δ, α, ɛ ve β'dir. Monoklinik β-Ga2O3'ün özellikle yüksek sıcaklıklarda en kararlı olduğu, diğer fazların ise oda sıcaklığının üzerinde metastabil olduğu ve belirli termal koşullar altında β fazına dönüşme eğiliminde olduğu belirtilmelidir. Bu nedenle, β-Ga2O3 tabanlı cihazların geliştirilmesi son yıllarda güç elektroniği alanında önemli bir odak noktası haline gelmiştir.
Tablo 1 Bazı yarı iletken malzeme parametrelerinin karşılaştırılması
Monoklinik β-Ga2O3'ün kristal yapısı Tablo 1'de gösterilmiştir. Kafes parametreleri a = 12,21 Å, b = 3,04 Å, c = 5,8 Å ve β = 103,8°'dir. Birim hücre, bükülmüş tetrahedral koordinasyona sahip Ga(I) atomlarından ve oktahedral koordinasyona sahip Ga(II) atomlarından oluşmaktadır. "Bükülmüş kübik" dizilimde, iki üçgen koordinasyonlu O(I) ve O(II) atomu ve bir tetrahedral koordinasyonlu O(III) atomu dahil olmak üzere üç farklı oksijen atomu dizilimi vardır. Bu iki atomik koordinasyon türünün birleşimi, fizik, kimyasal korozyon, optik ve elektronikte özel özelliklere sahip β-Ga2O3'ün anizotropisine yol açmaktadır.
Şekil 1. Monoklinik β-Ga2O3 kristalinin şematik yapısal diyagramı.
Enerji bant teorisi perspektifinden bakıldığında, β-Ga2O3'ün iletim bandının minimum değeri, Ga atomunun 4s0 hibrit yörüngesine karşılık gelen enerji durumundan türetilmiştir. İletim bandının minimum değeri ile vakum enerji seviyesi (elektron afinitesi enerjisi) arasındaki enerji farkı 4 eV olarak ölçülmüştür. β-Ga2O3'ün etkin elektron kütlesi 0,28–0,33 me olarak ölçülmüş ve elverişli elektronik iletkenliğe sahiptir. Bununla birlikte, değerlik bandı maksimumu, çok düşük eğrilikli sığ bir Ek eğrisi ve güçlü bir şekilde lokalize olmuş O2p orbitalleri sergiler; bu da deliklerin derinlemesine lokalize olduğunu düşündürmektedir. Bu özellikler, β-Ga2O3'te p-tipi katkılama elde etmek için büyük bir zorluk oluşturmaktadır. P-tipi katkılama elde edilse bile, delik μ çok düşük bir seviyede kalır. 2. Büyük Hacimli Galyum Oksit Tek Kristalinin Büyütülmesi Şimdiye kadar, β-Ga2O3 büyük hacimli tek kristal alt tabakasının büyüme yöntemi esas olarak Czochralski (CZ), kenar tanımlı ince film besleme yöntemi (Edge-Defined film-fed, EFG), Bridgman (dikey veya yatay Bridgman, HB veya VB) ve yüzer bölge (floating zone, FZ) teknolojisi gibi kristal çekme yöntemidir. Tüm yöntemler arasında, Czochralski ve kenar tanımlı ince film besleme yöntemlerinin, aynı anda büyük hacimler ve düşük kusur yoğunlukları elde edebildikleri için gelecekte β-Ga2O3 levhalarının seri üretimi için en umut vadeden yollar olması beklenmektedir. Şimdiye kadar, Japonya'nın Novel Crystal Technology şirketi, eriyik büyütme β-Ga2O3 için ticari bir matris geliştirmiştir.
1.1 Czochralski yöntemi
Czochralski yönteminin prensibi, önce tohum tabakasının kaplanması ve ardından tek kristalin eriyikten yavaşça çekilmesidir. Czochralski yöntemi, maliyet etkinliği, büyük boyut kapasitesi ve yüksek kristal kalitesine sahip alt tabaka büyümesi nedeniyle β-Ga2O3 için giderek daha önemli hale gelmektedir. Bununla birlikte, Ga2O3'ün yüksek sıcaklıkta büyümesi sırasında termal stres nedeniyle, tek kristallerin, eriyik malzemelerin buharlaşması ve Ir potasının hasar görmesi meydana gelir. Bu, Ga2O3'te düşük n-tipi doping elde etmenin zorluğundan kaynaklanmaktadır. Büyüme atmosferine uygun miktarda oksijen eklemek, bu sorunu çözmenin bir yoludur. Optimizasyon yoluyla, Czochralski yöntemiyle 10^16~10^19 cm-3 serbest elektron konsantrasyon aralığına ve 160 cm2/Vs maksimum elektron yoğunluğuna sahip yüksek kaliteli 2 inç β-Ga2O3 başarıyla yetiştirilmiştir.
Şekil 2. Czochralski yöntemiyle yetiştirilen β-Ga2O3 tek kristali.
1.2 Kenar tanımlı film besleme yöntemi
Kenar tanımlı ince film besleme yöntemi, geniş alanlı Ga2O3 tek kristal malzemelerinin ticari üretimi için önde gelen aday olarak kabul edilmektedir. Bu yöntemin prensibi, erimiş malzemenin kılcal yarık bulunan bir kalıba yerleştirilmesi ve erimiş malzemenin kılcal etkiyle kalıba doğru yükselmesidir. Üst kısımda ince bir film oluşur ve tohum kristali tarafından kristalleşmeye teşvik edilirken her yöne yayılır. Ek olarak, kalıp üstünün kenarları, pul, tüp veya istenen herhangi bir geometride kristaller üretmek için kontrol edilebilir. Ga2O3'ün kenar tanımlı ince film besleme yöntemi, hızlı büyüme oranları ve büyük çaplar sağlar. Şekil 3, bir β-Ga2O3 tek kristalinin diyagramını göstermektedir. Ayrıca, boyut ölçeği açısından, mükemmel şeffaflık ve homojenliğe sahip 2 inç ve 4 inç β-Ga2O3 alt tabakalar ticarileştirilmiş olup, 6 inç alt tabaka ise gelecekteki ticarileştirme için araştırma aşamasındadır. Son zamanlarda, (−201) yönelimli büyük dairesel tek kristalli yığın malzemeler de elde edilebilir hale geldi. Ek olarak, β-Ga2O3 kenar tanımlı film besleme yöntemi, geçiş metal elementlerinin katkılanmasını da teşvik ederek Ga2O3'ün araştırılmasını ve hazırlanmasını mümkün kılıyor.
Şekil 3. Kenar tanımlı film besleme yöntemiyle yetiştirilen β-Ga2O3 tek kristali.
1.3 Bridgeman yöntemi
Bridgman yönteminde, kristaller kademeli olarak sıcaklık gradyanından geçirilen bir potada oluşturulur. İşlem, genellikle dönen bir pota kullanılarak yatay veya dikey yönde gerçekleştirilebilir. Bu yöntemin kristal tohumları kullanıp kullanmadığına bakılmaksızın kullanılabileceğini belirtmekte fayda var. Geleneksel Bridgman operatörleri, erime ve kristal büyüme süreçlerini doğrudan görselleştiremezler ve sıcaklıkları yüksek hassasiyetle kontrol etmelidirler. Dikey Bridgman yöntemi esas olarak β-Ga2O3 büyümesi için kullanılır ve hava ortamında büyüme yeteneğiyle bilinir. Dikey Bridgman yöntemi büyüme sürecinde, eriyik ve potanın toplam kütle kaybı %1'in altında tutulur, bu da minimum kayıpla büyük β-Ga2O3 tek kristallerinin büyümesini sağlar.
Şekil 4. Bridgeman yöntemiyle yetiştirilen β-Ga2O3 tek kristali.
1.4 Yüzer bölge yöntemi
Yüzer bölge yöntemi, pota malzemelerinden kaynaklanan kristal kirlenmesi sorununu çözüyor ve yüksek sıcaklığa dayanıklı kızılötesi potalarla ilişkili yüksek maliyetleri azaltıyor. Bu büyüme sürecinde, eriyik bir RF kaynağı yerine bir lamba ile ısıtılabiliyor, böylece büyüme ekipmanı gereksinimleri basitleştiriliyor. Yüzer bölge yöntemiyle yetiştirilen β-Ga2O3'ün şekli ve kristal kalitesi henüz optimum olmasa da, bu yöntem, yüksek saflıkta β-Ga2O3'ü uygun fiyatlı tek kristaller halinde yetiştirmek için umut vadeden bir yöntem sunuyor.
Şekil 5. Yüzer bölge yöntemiyle yetiştirilen β-Ga2O3 tek kristali.
Yayın tarihi: 30 Mayıs 2024